Guide de la Fibre Optique - 2001

Guide de la Fibre Optique - 2001 EXPERIDE 10, place Charles Béraudier 69428 LYON CEDEX 3 +33 (0)4 26 68 70 24

SOMMAIRE INTRODUCTION... 4 ET LA LUMIÈRE FUT... 5 A. ONDE ET LUMIÈRE... 5 B HISTORIQUE DE LA FIBRE OPTIQUE... 6 C. POURQUOI UTILISER LA FIBRE OPTIQUE... 7 QUELQUES ECLAIRCISSEMENTS... 8 A. PRINCIPES PHYSIQUES... 8 1 LA RÉFLEXION TOTALE... 9 2. L'OUVERTURE NUMERIQUE (ON)... 9 3. LES MODES DE PROPAGATION... 10 4. LA BANDE PASSANTE... 11 5. L'ATTENUATION... 11 B. LES DIFFERENTES FIBRES OPTIQUES... 12 1. LES FIBRES MULTIMODES A SAUT D'INDICE... 13 2. LES FIBRES MULTIMODES A GRADIENT D'INDICE... 14 3. LES FIBRES MONOMODES... 15 4. LES FIBRES SPECIALES... 16 AU RAYON «FIBRE OPTIQUE»... 17 A. SYNOPTIQUE D UNE LIAISON OPTIQUE... 17 B. LES COMPOSANTS PASSIFS... 18 1. LES CABLES A FIBRES OPTIQUES... 18 2. LES MOYENS DE RACCORDEMENT... 21 3. LES APPAREILS EN LIGNE... 25 4. LE MATERIEL D EXTREMITE... 28 C. LES COMPOSANTS ACTIFS... 29 1. LES EMETTEURS... 29 2. LES RECEPTEURS... 31 3. LES REPETEURS ET AMPLIFICATEURS OPTIQUES... 33 4. LES AUTRES COMPOSANTS ACTIFS... 34 C. LES APPAREILS DE MESURE... 34 1. L ATTENUATION... 35 2. DISPERSION... 36 3. LA BANDE PASSANTE... 37 4. LE DIAMETRE DE CŒUR DE CHAMP DE MODE... 37 5. L OUVERTURE NUMERIQUE... 37 6. LES FACTEURS DE PERTE... 37 www.experide-consulting.com +33 (0)4 26 68 70 24 2

UN AVENIR EBLOUISSANT... 39 A. LES AVANCEES TECHNOLOGIQUES... 39 1. L OPTIQUE INTEGREE... 39 2. DE NOUVELLES FIBRES... 40 3. LES SOLUTIONS... 40 4. LES DIODES LASER EN PYRAMIDES QUANTIQUES... 40 B. LES POLITIQUES OPTIQUES... 41 1. L ALLIANCE FIBRE-CUIVRE... 41 2. LES FIBRES A LA MAISON... 41 CONCLUSION... 42 GLOSSAIRE TECHNIQUE... 43 BIBLIOGRAPHIE... 44 www.experide-consulting.com +33 (0)4 26 68 70 24 3

INTRODUCTION Mise en évidence courant 1870 par J. Tyndall, le principe de la transmission lumineuse a donné naissance aux premiers systèmes de liaisons par fibre optique dans les années 50. Depuis, plusieurs générations de fibres optiques se sont succédées. Toutes ont permis de transmettre des informations. Nous passerons sur les transmissions d'énergies lumineuses telles que les applications médicales, les déports de témoins lumineux pour l'automobile ou l'avionique, l'éclairage et l'affichage ou encore les nombreux capteurs et faisceaux de fibres organisées pour la transmission d'image. Nous nous recentrerons sur la transmission de données correspondant à l'utilisation la plus étendue. Chacun de nous utilise la fibre optique, sans le savoir, par son moyen de communication favori : le téléphone. Les systèmes de télécommunications par fibres optiques vous offrent des possibilités quasi-illimitées : 30 000 voix téléphoniques sur une seule fibre hier, à plusieurs dizaines de millions de communications simultanées aujourd'hui. La technologie avance tellement vite que cet exemple permet assez aisément de comprendre l'immense capacité de celle-ci. Les voies, les données et les images sont les premières à profiter de ce support. La sécurité des biens et des personnes trouve dans la fibre optique un allié de choix et la vidéosurveillance son partenaire média favori pour une inviolabilité de la solution. En multiplexant ces mêmes images avec des voies pour la distribution télévisuelle, vous garantissez une qualité optimum du son et, des visuels fixes comme en mouvement. Les déports d'antennes satellitaires sont facilités notamment par l'immunité aux perturbations électromagnétiques des fibres optiques. Mais la voix simple peut aussi bénéficier de ce support merveilleux en étant transmise sur des centaines de kilomètres. Il en est de même pour l'informatique : vos données profitent d'une bande passante d'exception... Sans oublier le faible poids de cette solution qui est l'avantage préféré dans l'aéronautique et l'automobile. Naturellement, les normes viennent mettre de l'ordre dans un univers aussi vaste de possibilités : en partie sur les fibres elles-mêmes, G652 et G655 pour les télécommunications, ainsi que sur les topologies réseaux, Catégorie 5, Se et la 6 (prévue courant 2001 pour l'eia-tia) qui intègrent une partie sur les fibres optiques... Bien que l'ensemble des protocoles de communication soit transparent pour notre fameux média. Alors à quand la fibre chez Monsieur Tout le monde? Bientôt il semblerait. Les entreprises avec les nouveaux réseaux LAN, SAN, Wan ont pris le pas, les réseaux embarqués suivent... Les avantages sont si nombreux! www.experide-consulting.com +33 (0)4 26 68 70 24 4

ET LA LUMIÈRE FUT... A. ONDE ET LUMIÈRE La lumière depuis des millénaires est source de joie et de crainte. Ainsi de nombreuses civilisations ont attendu et vénéré le dieu soleil. Cet élément, depuis quelques centaines d'années, est en cours d'être partiellement maîtrisé par l'homme. La bougie puis la lampe et maintenant le laser sont des outils de contrainte pour cette onde qui n'est qu'une infime partie du spectre électromagnétique. Fondamentalement, nous ne voyons qu'une toute petite partie de ce spectre entre infrarouge (> 750 nm) et ultra-violet (< 400 nm) qui comprend les ondes courtes (< 10 6 hz), les ondes radios (# 10 6 hz), les micro-ondes (10 9 hz), les infrarouges (10 10 hz), l'ultra-violet (10 16 hz), les rayons X (10 17 hz), les rayons Gamma (10 20 hz) et les rayons cosmiques (> 10 22 hz). www.experide-consulting.com +33 (0)4 26 68 70 24 5

B HISTORIQUE DE LA FIBRE OPTIQUE La fontaine lumineuse de J.Tyndall illsutre le phénomène de la réflexion totale 1ères fibres coeur - gaine par B. O'Brien 1er laser (T.H. Maïm an) CK KAO & G. Hockman démontrent que la fibre silice est le support idéal pour la communica tion optique Optoélectronique Optique intégrée Purificateur du verre pour les transmissions longues distances (on passe de 20dB/km en 1970 à 0.2dB/km aujourd'hui Prévisions : 2006 : 150T/bits 2020 : 1 photon = 1 bit 1870 1880 1934 1950 1961 1966 1970 1988 1999 Photophone de A.G.Bell (transmission vocale par variation lumineuse Système d'éclairage intérieur par W. Wheller (vite concurrencé par la lampe d'edison) 1er système de transmis sion optique par N.R. French Imagerie (inspec -ton, médeci ne) Intérêt de la communication optique relancé Télécommunications, réseaux locaux et industrie Automobile, avionique Médical (imagerie, endoscopie) Eclairage, affichage Capteurs (pression, température ) Transmission vidéo (CATV) www.experide-consulting.com +33 (0)4 26 68 70 24 6

C. POURQUOI UTILISER LA FIBRE OPTIQUE Avantages : Intégrité de la transmission électrique Faible poids, faible encombrement Enormes possibilités de transmission Fiabilité et longévité des installations Abondance de matière première (la silice) Insensibilité aux perturbations électromagnétiques. Inconvénients : Sensibilité à l eau Manques d informations sur cette technologie Les idées reçues (le prix, la connectique, la pose) Une certaine réticence devant la nouveauté www.experide-consulting.com +33 (0)4 26 68 70 24 7

QUELQUES ECLAIRCISSEMENTS A. PRINCIPES PHYSIQUES La fibre est constituée principalement de trois parties : le cœur, la gaine et le revêtement primaire. Polymère Le cœur et la gaine ne pouvant pas être séparés, le revêtement primaire est enlevé lors de la préparation à la connectorisation ou à l'épissurage. www.experide-consulting.com +33 (0)4 26 68 70 24 8

1 LA RÉFLEXION TOTALE La progression de la lumière s'effectue dans le cœur de la fibre par le phénomène de réflexion totale illustré par les lois de Descartes : Un rayon est réfléchi à la frontière entre deux milieux d'indice de réfraction 1 différents lorsque son angle d'incidence i est supérieur à la valeur I max telle que : (sin i max ) = n G / n C ) Les dimensions des fibres s'expriment en pm (micromètre) A partir de cette loi optique, on peut d'ores et déjà définir une première caractéristique fondamentale de la fibre : l'ouverture numérique. 2. L'OUVERTURE NUMERIQUE (ON) Ce chiffre, compris entre 0 et l, représente la capacité de la fibre à collecter la lumière qu'elle pourra propager (angle d'acceptance). 1 N milieu = www.experide-consulting.com +33 (0)4 26 68 70 24 9

ON = sin Ѳ ON = (n C 2 - n G 2 ) 1/2 Ѳ ON permet de définir un cône (ou angle) d'acceptance pour lequel tout rayon entrant est guidé dans la fibre grâce à la réflexion totale. Si ON (ouverture numérique) est faible, la bande passante sera améliorée, mais l'injection de lumière sera plus délicate. 3. LES MODES DE PROPAGATION L'approche par les lois de l'optique ne suffit pas à expliquer tous les phénomènes se produisant dans la fibre. La propagation de la lumière en tant qu'onde électromagnétique peut être totalement caractérisée par les équations de Maxwell : on définit alors les modes de propagation. On peut se représenter ces différents modes comme étant les possibilités de chemins des rayons lumineux dans le cœur : Le nombre de modes possible dans une fibre dépend : de la longueur d'onde ( ) 2 de la source du diamètre de cœur (D) de l ouverture numérique (ON) Une formule est employée pour déterminer le nombre de mode de propagation dans une fibre selon que la fibre soit à saut d'indice 3 (N = [(D/À).ON]Z/2 ou à gradient d'indice** (N = [(D/A).ON];/2). Si N >1, la fibre est multimodale (multimode). Plus N se rapproche de 1, plus elle est unimodale (monomode). Il existe donc deux grands types de fibres : les monomodes et les multimodes (cf. Les différents types de fibres optiques). 2 = 3 Saut (indice constant) ou gradient (indice en fonction de la distance dans le cœur entre le centre et la périphérie) sont des www.experide-consulting.com +33 (0)4 26 68 70 24 10

4. LA BANDE PASSANTE Elle symbolise le débit de transmission maximale dans une fibre. Elle s'exprime en Mhz.km. Plus la fibre est courte, plus sa bande passante est élevée. Deux phénomènes limitent la bande passante : En multimode, il s'agit de la dispersion modale : les différents modes ne se propagent pas à la même vitesse, le signal de sortie est déformé. En monomode, la dispersion modale n'a pas lieu d'être puisqu'un seul mode se propage. Mais la limitation est due à la dispersion chromatique (mesurée en ps/nm/km) : une source n'est jamais monochromatique, elle diffuse un spectre de longueurs d'onde plus ou moins large. Or comme chaque longueur d'onde a sa vitesse propre dans un milieu donné, le signal de sortie s'étale dans le temps (la bande passante peut être de l'ordre de 25 THz (sur des fibres optimisées) là où la fibre a une atténuation très faible). 5. L'ATTENUATION L'atténuation correspond à la perte de puissance du signal lumineux le long de la fibre. Cette perte est due à des impuretés résiduelles et à des phénomènes de dispersion. L'atténuation est mesurée en db 4 /km (décibel/kilomètre). Contrairement à la mesure en db (affaiblissement relatif), la mesure en dbm (décibel par milliwatt) est une mesure absolue. (P(dBm) = 10 ) soit 0dBm = 1mW, -10dBm = 0.1mW, etc. Courbe d'atténuation spectrale d'une fibre silice 4 Perte en db = 10 www.experide-consulting.com +33 (0)4 26 68 70 24 11

Cette courbe met en évidence les 2 fenêtres des 3 longueurs d'ondes les plus utilisées, centrées autour de 850, 1310 et 1550 nm (nanomètre = milliardième du mètre). Il est intéressant de noter qu'une onde lumineuse est une onde électromagnétique avec une fréquence propre. Ainsi, il est possible d'obtenir une conversion fréquence/longueur d'onde par la formule suivante c = x f (c = 3.10 8 m/s) = vitesse de la lumière dans le vide. B. LES DIFFERENTES FIBRES OPTIQUES Il existe deux grandes classes de fibres : les fibres multimodes (classe A) dit multimodale les fibres monomodes (classe B) dit unimodale Pour les fibres multimodes, on définit des sous-classes suivant la nature du cœur et de la gaine et suivant le profil d'indice du cœur. A partir de ces caractéristiques, on associe à chacune des fibres un domaine d'application bien précis. Monomode Multimode Classe B A1 A2 A3 A4 Cœur Silice Silice Silice Silice Plastique Gaine Silice Silice Silice Plastique Plastique Indice Saut Gradient Saut Saut Saut Applications Longues distances Courtes distances La classification des fibres suivant leur nature de cœur, de gaine et d'indice de réfraction met en évidence trois familles de fibres que nous allons désormais passer en revue pour déterminer leur mode de fonctionnement, leurs caractéristiques et leurs domaines d'applications. Nous verrons ensuite quelques fibres spéciales. www.experide-consulting.com +33 (0)4 26 68 70 24 12

125 à 1035 µm 50 à 1000 µm Guide de la fibre optique 1. LES FIBRES MULTIMODES A SAUT D'INDICE Ce sont les plus nombreuses grâce à leurs multiples combinaisons cœur-gaine. Leur champ d'application est vaste. Principe de fonctionnement Il suit exactement la loi de la réflexion totale. De plus, le schéma suivant illustre le retard des modes d'ordre élevé par rapport aux modes d'ordre bas, à l'origine de la dispersion modale. Rayon n Amplitude Entrée Sortie Propagation des modes Profil d'indice Temps Atténuation du signal Caractéristiques (dépendantes de ) Bande passante : de 9 à 25 Mhz.km Atténuation : de 6 à 150 db/km ON:de0.37 à 0.5 Source : Diode Electro-Luminescente (DEL) Domaines d'application Télécommunications pour réseaux locaux et industriels Transmission courte distance (avionique, automobile) Transport de lumière visible (imagerie, décoration) www.experide-consulting.com +33 (0)4 26 68 70 24 13

125 µm 50 ou 62,5 µm Guide de la fibre optique 2. LES FIBRES MULTIMODES A GRADIENT D'INDICE Moins nombreuses que les multimodes à saut d'indice, leurs performances se situent à mi-chemin entre ces dernières et les monomodes. Ce sont cependant les fibres multimodes les plus utilisées. Principe de fonctionnement Le gradient d'indice permet aux modes d'ordre élevé de se déplacer plus rapidement, donc d'atténuer l'effet de la dispersion modale. Rayon n Amplitude Entrée Sortie Propagation des modes Profil d'indice Temps Atténuation du signal Caractéristiques (dépendantes de ) Bande passante : de 200 à 1500 Mhz.km Atténuation : de 1.5 à 4.5 db/km ON : de 0.2 à 0.29 Source : DEL ou LASER faible et moyenne puissance Domaines d'application Transmission moyenne distance (informatique, industrie) Vidéocommunications www.experide-consulting.com +33 (0)4 26 68 70 24 14

125 µm 9 µm Guide de la fibre optique 3. LES FIBRES MONOMODES Leurs performances exceptionnelles les dédient tout naturellement aux communications très longues distances. Principe de fonctionnement Un seul mode se propage : plus de problème de dispersion modale, mais l'injection de lumière est des plus délicates. Rayon n Amplitude Entrée Sortie Propagation des modes Profil d'indice Temps Atténuation du signal Caractéristiques Bande passante : de 10 Ghz.km et plus Atténuation : de 0.2 à 0.4 db/km ON : de 0.1 à 0.12 Diamètre de champ de mode 5 : selon spécifications Longueur d'onde de coupure 6 : selon spécifications Domaines d'application Télécommunications très grandes distances (câbles sous-marins) Télécommunications et vidéocommunications très hauts débits (base des systèmes de communication terrestre) 5 En monomode, une très légère partie de l énergie se déplace dans la gaine, on définit donc cette nouvelle caractéristique géométrique. 6 La fibre est monomode pour une plage de longueurs d onde donnée qu il faut spécifier. www.experide-consulting.com +33 (0)4 26 68 70 24 15

4. LES FIBRES SPECIALES Elles sont par définition dédiées à une application bien particulière, mais nous pouvons cependant dégager quatre domaines : Les fibres "tous risques" Utilisées en milieu à très hautes températures, irradiées ou soumises à diverses contraintes sévères, ce sont en général des fibres multimodes à saut d'indice de composition unique. Exemple : fibres HCS7 Les fibres à domaine spectral particulier Ici, la particularité est soit de se limiter à certaines longueurs d'onde (fibres infrarouge, ultra-violet, "tout plastique" pour le visible), soit de pouvoir transmettre une grande plage de longueurs d'onde (fibres PCS8 à gros cœur pour le transport de puissance). Les transmissions grande distance et/ou haut débit L'optimisation des fibres monomodes a donné naissance aux fibres à dispersion décalée (suppression de la dispersion chromatique à 1550 nm, référence norme UIT-T G 653) et aux fibres à dispersion plate (pour le multiplexage en longueur d'onde, référence norme UIT-T G 655). Cette dernière semble devenir de plus en plus courante. Les capteurs et gyroscopes Autre domaine de prédilection pour les fibres monomodes avec la fibre à maintien de polarisation, et celle à forte ouverture numérique. La mesure de perte dans ces fibres est à la base du principe de fonctionnement de capteurs et de gyroscopes de toutes sortes. Les fibres plastiques Elles sont utilisées dans l'éclairage, la transmission d'informations industrielles et le transport d'images. Leur forte atténuation malgré leur faible coût limite leurs utilisations. Citons encore quelques "inclassables" : la fibre dopée erbium pour les amplificateurs optiques, la fibre à cœur liquide pour des sources spéciales, la fibre saphir pour les lasers médicaux... 7 Hard Clad-Silica : gaine optique en polymère dur cœur silice 8 Plastic Clad-Silica : gaine optique plastique cœur silice www.experide-consulting.com +33 (0)4 26 68 70 24 16

AU RAYON «FIBRE OPTIQUE» A. SYNOPTIQUE D UNE LIAISON OPTIQUE @ @ E R Equipement communicant Cordon E R Tiroir Baie Câble www.experide-consulting.com +33 (0)4 26 68 70 24 17

@ @ E R Equipement communicant Cordon E R Tiroir Baie Câble Boîte de jonction B. LES COMPOSANTS PASSIFS 1. LES CABLES A FIBRES OPTIQUES La grande majorité des fibres est utilisée avec différents surgainages pour une protection mécanique et une isolation aux agressions extérieures telles que l'eau. Trois types de structure cohabitent : 9 Structure serrée : La fibre optique (250µm) est maintenue dans une couche de protection en matière plastique apposée directement sur le revêtement primaire pour atteindre 900µm. Très bonne résistance à l'écrasement et excellente flexibilité et faible rayon de courbure. Structure semi-libre : La fibre optique (250µm) est contenue dans un tube de protection en matière plastique de 900µm extérieur et approximativement 350 à 450µm intérieur. Les avantages des autres structures se cumulent. Cette structure est de plus en plus utilisée. 9 Il est à noter qu aucun câble à ce jour n est réellement «anti-rongeurs» : les câbliers fabriquent des câbles ayant une certaine résistance à ces animaux, mais leur durée de vie face à ces petites dents n est que très relative. www.experide-consulting.com +33 (0)4 26 68 70 24 18

Structure libre : La fibre optique (250µm) est contenue dans un tube de protection en matière plastique de diamètre 900µm extérieur et approximativement 600µm intérieur pour un unitube ou jusqu'à 3 mm extérieur et approximativement 2.4 mm intérieur pour du multitube jusqu'à 24 fibres. Excellente réaction face aux différences thermiques (dilatation). Un gel hydrofuge permet de garantir une protection fiable à l'ennemie jurée de la fibre : l'humidité. Des brins aramides sont très souvent associés aux fibres pour garantir une résistance à la traction, de la fibre de verre pour résister aux rongeurs avec des gaines extérieures offrant des protections diverses aux environnements : eau, produits chimiques, frottements, rayonnements divers... Nom / Standard Schémas Informations Câble à jarretière Pour la réalisation de cordons point à point Câble breakout Pour une liaison directe aux équipements avec une protection adaptée www.experide-consulting.com +33 (0)4 26 68 70 24 19

Câble distribution (maxi 24FO) Pour une liaison inter-tête de câble Câble structure libre tubé central (maxi 24FO) Pour des liaisons inter-bâtiments ou grandes distances à moindre coût Câble structure libre 1FO/tube (maxi 24FO) Pour des liaisons inter-bâtiments ou grandes distances à moindre coût Câble structure libre x FO/tube (pas de minimum) Pour des liaisons de grandes distances à moindre coût www.experide-consulting.com +33 (0)4 26 68 70 24 20

2. LES MOYENS DE RACCORDEMENT Souvent relégués au rang de simples accessoires, ces éléments de la liaison optique sont pourtant d'une importance primordiale pour la qualité globale de celle-ci. On distingue deux types de raccordements : les connecteurs et les épissures. Les connecteurs De part leur fonctionnalité, ils permettent de changer aisément les équipements d'extrémité (lors d'une réparation, d'une évolution du matériel...) et d'avoir un accès facile à la ligne (pour les mesures notamment). Ils sont utilisés sur des jarretières 10 ou des pigtails 11 pour raccorder un câble principal aux équipements d'extrémité. Parmi les différents concepts technologiques existants, on peut effectuer un classement grâce aux mécanis mes de verrouillage : à vis: connecteurs FC, VFO, PFO, SMA, Biconic, D4, 725, 8016... à baïonnette : connecteurs ST, ST2, mini-bnc... encliquetage (push-pull) : connecteurs EC, SC, SC II, ESCON, FDDl, E 2000, MTRJ, MPFO... La principale caractéristique d'un connecteur est sa perte par insertion qui représente la perte globale de la connexion. Elle est de l'ordre de 0.5-0.7 db pour une connexion multimode et est inférieure à 0.5 db pour une monomode. 10 Une jarretière ou un cordon optique désigne simplement une fibre connectorisée à chaque extrémité. 11 Un pigtail est un cordon connectorisé à une seule extrémité. www.experide-consulting.com +33 (0)4 26 68 70 24 21

Nom / Standard Photo Informations 725 8016 Font partie des tous premiers connecteurs L ensemble est en plastique. SMA Très présent dans le domaine militaire, il existe avec une férule métallique ou céramique. Mini BNC D origine asiatique, il a beaucoup été présent dans les milieux informatiques. D4 Biconic Fiches pour application informatique. L ensemble est en plastique. D4 pour Digital et Biconic pour IBM. FC FC APC R ou N D origine asiatique, il est destiné principalement à une utilisation en monomode. Très présent en mesure et Broadcast (télévision) www.experide-consulting.com +33 (0)4 26 68 70 24 22

FDDI/FSD/MIC ESCON Fiches «Bifibres» pour réseaux Rx/Tx. Principalement utilisés pour Ethernet. Fiber Chanel ou le standard FDDI ST Standard parmi les standards, cette fiche très présente en informatique a été standardisée par EIA/TIA sur la norme cat 5. SC SC Duplex SCA SC II Plus compact que le ST, cette connectique et le standard mono/multimode en informatique pour les férules droites, et télécom/videocom pour les férules avec angle. Le SC II, très compact, est presque exclusivement destiné au monde des Télécoms. E2000 E2000 HRL (Apc) D origine allemande et suisse, cette connectique est utilisée pour les télécoms et certains opérateurs TV par câble DIN 47256 Ces fiches d origine allemande sont destinées aux appareils de mesure et aux standards télécoms. www.experide-consulting.com +33 (0)4 26 68 70 24 23

EC VFO PFO MFO-S Connectique française très utilisée par l opérateur français historique dans tous les domaines : Télécom et Vidéo. LC MT MU MTRJ F3000 Nouveaux futurs standards : «Small Fact Connectors». La particularité de ces connecteurs est d être 2 fois plus compacts que leurs aïeux. Le MT peut intégrer jusqu à 12 fibres. www.experide-consulting.com +33 (0)4 26 68 70 24 24

Les épissures Alors que les connecteurs s'utilisent principalement aux extrémités de chaque liaison, les épissures ont une application en ligne. On distingue deux techniques d'épissure : par fusion : le cœur et la gaine des deux fibres à lier sont soudés à très haute température par un arc électrique. Le raccordement des fibres est alors permanent et on obtient des performances optiques exceptionnelles. On utilise pour cela une soudeuse. Raccordement par épissure par fusion mécaniquement : un dispositif mécanique maintient les fibres parfaitement alignées. Plutôt utilisée lors des réparations ou pour effectuer des mesures sur fibre nue, l'avantage de cette technique est sa simplicité et sa rapidité de montage. Ce raccordement est généralement temporaire. Raccordement par épissure mécanique 3. LES APPAREILS EN LIGNE Mis à part l'isolateur, la plupart des appareils présentés dans cette partie existent en version optoélectronique, c'est-à-dire convertissant le signal optique en signal électrique, puis traitant ce signal électrique et enfin effectuant la conversion électrique-optique. www.experide-consulting.com +33 (0)4 26 68 70 24 25

Le coupleur Le rôle d'un coupleur est simplement de répartir l'énergie lumineuse entrante vers chaque sortie, soit de manière équilibrée, soit dans un certain ratio. Une des applications typiques est schématisée par le synoptique suivant : Test en ligne par dérivation Le coupleur 1-99 signifie que 1% de la puissance d'entrée est dérivée pour effectuer le test. Suivant les besoins, tous les ratios possibles et imaginables sont réalisables. Quatre techniques principales permettent d'obtenir de telles performances : par fusion-étirage de deux fibres ou plus par guide d'onde (cf. l'optique intégrée) par usinage des fibres par lentillage Les principales caractéristiques d'un coupleur 1x2 50/50 sont : la perte d'insertion (de l'ordre de 3,2 à 4 db - comprenant 3 db pour la division du signal) la directivité (en général supérieure à 55 db) www.experide-consulting.com +33 (0)4 26 68 70 24 26

Le multiplexeur démultiplexeur On le retrouve plus souvent en optique sous le nom de WDM pour Wavelength Division Multiplexer. Le "multiplexage en longueurs d'onde" permet d'associer un signal à une longueur d'onde ( ) précise. On peut faire circuler plusieurs dizaines de voies (128 à ce jour) dans une même fibre (il s'agit alors d'un Dense WDM). Multiplexeur en longueurs d onde Tout comme le coupleur, la technique de fusion-étirage permet d'obtenir des multiplexeurs-démultiplexeurs. Cependant on peut utiliser pour d'autres applications des systèmes à base de réseaux ou de miroirs : Multiplexeur - Démultiplexeur www.experide-consulting.com +33 (0)4 26 68 70 24 27

Autres composants Le commutateur : ce terme est pris ici au sens d'interrupteur ou de commutateur d'une voie sur l'autre. Cette fonction élémentaire est néanmoins d'une importance capitale pour les réseaux de transmission. L'isolateur : ce composant est primordial dans tous les systèmes mettant en jeu des lasers hautes performances, puisqu'il les protège des problèmes de retour de lumière (cf. Appareils de mesure). Son principe de fonctionnement repose sur la gestion de la polarisation de la lumière 12 : il laisse passer le signal seulement dans un sens. Le filtre optique : il assure le filtrage de certaines longueurs d'onde. Son application est très variée, notamment pour les WDM. L'atténuateur : pour des liaisons courtes avec du matériel actif prévu pour un budget optique élevé, le signal peut ne pas être suffisamment affaibli. On inclura alors une jarretière, un raccord ou une fiche atténuante. 4. LE MATERIEL D EXTREMITE Le rôle de ces équipements est de permettre d'une part la protection de la fibre optique et d'autre part de garantir l'installateur de toutes mauvaises manipulations dues à l'utilisateur. Qu'il s'agisse d'un tiroir de brassage ou d'un coffret mural, quatre fonctions sont assurées par le matériel d'extrémité : l'amarrage du câble l'épanouissement 13 le lovage 14 le raccordement (cf. les connecteurs) Plusieurs tiroirs de brassage et le matériel actif constituent un répartiteur optique. Les liaisons entre les différents éléments du répartiteur se font grâce aux jarretières. 12 Orientation spatiale du champ électromagnétique de l onde lumineuse 13 L épanouissement désigne l éclatement et la protection des câbles optiques 14 Le lovage correspond à l enroulement de câble servant de réserve en cas de réparation www.experide-consulting.com +33 (0)4 26 68 70 24 28

Tiroir de brassage type C. LES COMPOSANTS ACTIFS 1. LES EMETTEURS Leur rôle est de générer le signal lumineux circulant dans la fibre, à partir d'un signal électrique. De la simple Diode Electro-Luminescente (DEL) aux lasers les plus sophistiqués, en passant par tous les protocoles de transmission existants, leur variété est aussi étendue que leur champ d'application. Les sources de lumière Derrière cette appellation se trouvent les deux composants de base d'un émetteur optique : la Diode Electro - Luminescente (DEL) et la Diode Laser (DL). On caractérise une source à l'aide de 5 grandeurs : la puissance émise P (en mw). Avec cette caractéristique, il peut être intéressant de spécifier le taux de couplage de la source permettant de calculer la puissance réellement injectée dans la fibre. Celui-ci est plus important pour les DL que pour les DEL. la longueur d'onde d'émission (en général 780, 850, 1310 et 1550 nm) www.experide-consulting.com +33 (0)4 26 68 70 24 29

la largeur spectrale l'ouverture numérique ON = sin Ѳ max (avec Ѳ max demi-angle au sommet du cône de lumière) la bande passante BP (l'inverse du temps de montée mesuré en ns) Exemple de diagramme spectral d une DEL et d une DL Diode Diode Laser Electro-Luminescente Multimode Monomode P 1mW Quelques mw Quelques mw 40nm 2nm 0.2nm ON 0.5 0.1 0.1 BP 100MHz Quelques GHz Quelques GHz Comparatif des caractéristiques Typiquement, on utilise une DEL pour les transmissions sur fibre multimode à saut d'indice, une DEL ou une DL pour celles sur fibre multimode à gradient d'indice et une DL pour celles sur fibre monomode. www.experide-consulting.com +33 (0)4 26 68 70 24 30

Schéma fonctionnel d'un émetteur Circuit de commande : La plupart des LED se commandent par un simple générateur de courant alors que les DL nécessitent un circuit d'adaptation pour ne pas dépasser leur courant de seuil. Régulateur de puissance : Pour conserver une puissance de sortie stable, une boucle de régulation contrôle le courant de commande de la diode. Régulateur de température : Comme tout semi-conducteur, les caractéristiques des DEL ou des DL changent avec la température. Celles-ci doivent donc être stabilisées pour un contrôle optimum du signal. Interface optique : Elle est soit constituée d'une lentille qui permet l'injection directe dans la fibre, soit d'un pigtail connecté à la source et que l'on relie à la fibre par épissure. 2. LES RECEPTEURS Cet élément a pour rôle de collecter le signal lumineux et de le convertir en signal électrique. Les détecteurs Ce sont des composants photoniques, c'est-à-dire transformant la puissance reçue par des photons en énergie électrique (sous forme de courant ou de tension). On les caractérise par : leur sensibilité S (en A/W ou en V/W) leur temps de montée T m (en µs ou ns) leur courant d'obscurité 15 l obs (en na) 15 Courant produit de façon intrinsèque par le détecteur même sans exposition lumineuse www.experide-consulting.com +33 (0)4 26 68 70 24 31

Il existe 4 types de détecteur que nous pouvons comparer à l aide du tableau suivant : Types S T m I obs Phototransistor 18 A/W 2.5 µs 25 na Photodarlington 500 A/W 40 µs 100nA Photodiode à avalanche 75 A/W 1 ns Dépend de la tension appliquée PIN-FET 15000 V/W 10 ns Les détecteurs les plus utilisés sont les photodiodes PIN et les photodiodes à avalanche. Schéma fonctionnel d'un récepteur L'amplificateur : Il est chargé d'amplifier le signal et de le convertir sous une forme exploitable par la partie électronique en sortie du récepteur. Le démodulateur: Il reproduit le signal électrique de départ. www.experide-consulting.com +33 (0)4 26 68 70 24 32

3. LES REPETEURS ET AMPLIFICATEURS OPTIQUES Situés en milieu de liaison optique, ces composants ont pour rôle de prolonger le signal. Le répéteur Il s agit en fait d un émetteur et d un récepteur entre lesquels est traité le signal pour le régénérer. Schéma fonctionnel d'un répéteur : La synchronisation permet de rétablir le rythme du signal de départ. L amplificateur optique Aucune conversion électrique-optique ne s opère dans son fonctionnement, mais l intervention obligée du laser pour doper la fibre Erbium (pour exemple) la place parmi les composants actifs. Schéma de principe L amplification se fait grâce à l'excitation par laser de pompage des atomes d'erbium. Ceux-ci restituent ensuite www.experide-consulting.com +33 (0)4 26 68 70 24 33

leur énergie au passage des photons de transmission. 4. LES AUTRES COMPOSANTS ACTIFS Les convertisseurs Ils permettent le passage d'un protocole de communication à un autre. Exemples : convertisseur multimode-monomode si l'on souhaite étendre un réseau local à un réseau métropolitain. convertisseur de média gérant la transition entre des signaux électriques aux normes IEEE 802.5 et des signaux optiques aux normes Token Ring. Les transceivers Ils mettent en forme le signal optique pour l'obtention de signaux Ethernet, Fast Ethernet, Giga Ethernet... Les modules Voix Données Images (VDI) De nombreux modules optoélectroniques permettent la transmission VDI selon les différents standards existants : TTL, RS 232, RS 422, RS 485... pour l'informatique industrielle 70/140 MHz, 950/2250 MHz pour la réception satellite (voix, données & images) MIC, 10/30 MHz pour la voix etc. Les cartes réseaux avec interface optique pour amener la fibre jusqu au PC Les hubs et les switchs pouvant recevoir des liaisons optiques à l aide de connecteurs standards C. LES APPAREILS DE MESURE Tout comme dans le domaine électrique, les mesures permettent de s assurer de la qualité de la fibre mais également de la liaison dans sa globalité. www.experide-consulting.com +33 (0)4 26 68 70 24 34

Dans cette partie, nous allons classer les différents appareils en fonction de la caractéristique qu'ils mesurent sur la fibre. 1. L ATTENUATION Propriété la plus importante des composants passifs, elle détermine la perte due à chaque composant ou à l'ensemble de la liaison. Elle est fonction de la longueur d'onde de transmission et est mesurée en décibel (db). Deux appareils indiquent cette valeur : le photomètre (ou radiomètre) qui la mesure et le réflectomètre qui la calcule en fonction d'un nombre de points réfléchis. Le photomètre ou radiomètre Grâce au photomètre associé à une source, différentes méthodes de mesure permettent d'obtenir l'atténuation soit de l'ensemble fibre-connecteur, soit du seul connecteur (principalement les méthodes par "insertion de cordon" et "fiche à fiche"). Exemple de la méthode par insertion de cordon En général, l'affichage de l'atténuation peut se faire soit en db, soit en dbm (atténuation en db par rapport à une puissance émise de I mw). Le réflectomètre Cet appareil envoie une impulsion de lumière à intervalle régulier et analyse les signaux réfléchis. Cette réflexion repose sur deux principes physiques : la réflexion de Fresnel ou réflectance (due aux changements d'indice de réfraction lors du passage d'une jonction) et la diffusion de Rayleigh (réflexion de la lumière sur les impuretés de la fibre). La réflectance peut être elle-même l'objet de mesures spécifiques. Etant simplement une puissance correspondant à un retour de lumière, elle se mesure en décibel. www.experide-consulting.com +33 (0)4 26 68 70 24 35

Le réflectomètre permet de caractériser l'ensemble de la liaison optique (distance, atténuation, localisation des défauts...). Courbe de réflectométrie A noter que l'indice de réfraction de la fibre doit être connu pour pouvoir obtenir la distance de la fibre avec le maximum de précision. 2. DISPERSION On mesure en général la somme de la dispersion modale et de la dispersion chromatique. Pour cela, il suffit simplement de mesurer avec un oscilloscope dans le domaine temporel la dispersion d'une courte impulsion. Pour interpréter les résultats, il est important de connaître la longueur d'onde et le domaine spectral de la source, ainsi que la distribution modale de la fibre. www.experide-consulting.com +33 (0)4 26 68 70 24 36

3. LA BANDE PASSANTE Le principe de mesure de la bande passante consiste à déterminer la fréquence correspondant à l'atténuation minimum -3 db. Bande passante à 600 MHz 4. LE DIAMETRE DE CŒUR DE CHAMP DE MODE Ici, le principe de mesure consiste à observer les variations de puissance en "scannant" une extrémité de la fibre à mesurer avec une autre fibre de diamètre de cœur plus petit. On déduit ainsi la distribution spatiale de la lumière et par conséquent le diamètre de champ de mode. A noter également que ce principe s'applique pour la mesure du profil d'indice de réfraction. 5. L OUVERTURE NUMERIQUE L'ouverture numérique est déduite de la mesure de l'angle d'acceptance Ѳ max en observant tout simplement le cône d'acceptance émergeant de la fibre. 6. LES FACTEURS DE PERTE Pour conclure cette partie, les mesures mettent dans leur ensemble en évidence les pertes des liaisons optiques. Les principaux facteurs sont les suivants : www.experide-consulting.com +33 (0)4 26 68 70 24 37

La fibre même : L'affaiblissement linéique dépend de la longueur d'onde utilisée pour la transmission, mais aussi du matériau lui-même (pureté de la silice et des dopants = réflexion de Rayleigh) Les courbures : Le respect des rayons de courbure pour permettre à la lumière de ne pas sortir de son "autoroute" (cf. le phénomène de réflexion totale). Les raccordements : Les fibres doivent être alignées avec le maximum de précision pour avoir le minimum de perte (quatre grands facteurs = le désalignement et l'écartement des cœurs, la non perpendicularité et la rugosité des faces optiques). www.experide-consulting.com +33 (0)4 26 68 70 24 38

UN AVENIR EBLOUISSANT A. LES AVANCEES TECHNOLOGIQUES Si la course à la purification des fibres silices, lancée par l'étude de Charles K. Kao et George Hockham en 1966 (cf. Historique de la fibre optique), semble aujourd'hui atteindre ses limites, les possibilités des techniques optiques sont loin d'avoir été entièrement explorées et surtout développées industriellement. Dans cette partie, nous passerons en revue quelques domaines de recherche susceptibles de conduire la fibre optique vers des performances toujours plus impressionnantes. 1. L OPTIQUE INTEGREE L'optique intégrée est le passage obligé pour l'obtention de l'idéal "réseau tout optique". En analogie avec les circuits intégrés électroniques, ces composants (passifs ou actifs) miniaturisés, les guides d'onde, constituent, en association avec les fibres optiques, ce que l'on appelle l'optique guidée. La dimension typique d'un guide d'onde est de 0.5 cm 2, avec des pertes d'insertion de l'ordre de 1.5 db. Le principe de guidage repose sur des variations de l'indice de réfraction causées par des déplacements d'ions. La recherche s'oriente vers la réalisation de commutateurs de plus en plus rapide. En électronique, cette fonction élémentaire est en effet à la base de circuits aussi complexes que des microprocesseurs par exemple. On imagine alors facilement l'étendue des applications possibles d'une telle technologie : à quand le PC tout optique? www.experide-consulting.com +33 (0)4 26 68 70 24 39

2. DE NOUVELLES FIBRES L'amélioration des caractéristiques des fibres optiques passe obligatoirement par le développement de nouveaux supports de transmission. Ainsi sont apparues les fibres à verre fluoré dont l'avantage est la très faible atténuation. En théorie, celle-ci est de l'ordre de 0.01 db/km à 2600nm contre les 0.14 db/km à 1550nm d'une fibre monomode en silice. En pratique, on obtient tout de même 0.03 db/km, ce qui autorise avec 30 db de budget optique une régénération seulement tous les 1000 km (une distance 5 fois supérieure aux valeurs actuelles!). Le stade du laboratoire, ou de simple test in situ, n'a pourtant pas été dépassé puisqu'on se heurte à des difficultés de fabrication. Les fibres plastiques se révèlent également être un support d'avenir dans le domaine réseaux locaux : pour de faibles distances (inférieures à 150 m), elles ont l avantage d'être peu coûteuses et très faciles à manipuler de part leur diamètre élevé. De nombreux industriels concentrent leur effort dans ce domaine. 3. LES SOLUTIONS Comme nous l'avons vu, le problème limitant la transmission sur fibre optique monomode est la dispersion chromatique. Or le soliton est une impulsion très courte, de forme spéciale, qui a la propriété de se propager sans déformation. Cette propriété n'est conservée que si le signal garde une certaine puissance. La maîtrise de l'amplification optique alliée aux solitons garantie donc une propagation sur des milliers de kilomètres sans régénération du signal... Les solitons sont également à la base du principe de mémoire optique (dont les applications en optique guidée sont essentielles) : on "emprisonne" pendant quelques secondes les solitons dans des boucles optiques ce qui permet de gérer le routage et la commutation temporelle du signal. 4. LES DIODES LASER EN PYRAMIDES QUANTIQUES Développées en Allemagne depuis quelques années, ces nouvelles diodes laser seraient susceptibles de remplacer celles existantes. Les "pyramides quantiques" se rapportent à la forme des empilements d'atomes situés au cœur du semi-conducteur. Depuis les débuts de l'ère "fibre optique" dans les années 70, les progrès des transmissions optiques ont été liés à l'optimisation des lasers, composants à la base des émetteurs des liaisons par fibre. La méthode de fabrication relativement simple et peu onéreuse, alliée à l émission de longueurs d'onde du proche infrarouge, offrent à ces diodes laser une application dédiée au multiplexage en longueurs d'onde. www.experide-consulting.com +33 (0)4 26 68 70 24 40

B. LES POLITIQUES OPTIQUES L avenir des fibres optiques ne peut être seulement assuré par les progrès d'ordre technologique. L'ère Internet et le développement massif du multimédia engendreront de profonds changements sociologiques seulement si les nouveaux services qu'ils nous promettent sont accessibles au plus grand nombre. C est en cela que les politiques liées à la mise en place des structures appropriées aux nouvelles technologies sont capitales. Et aujourd'hui, tout le monde s'accorde à dire que la fibre optique est le support idéal des futures autoroutes de l'information. Deux politiques sont observables, toutes deux ont pour but d'amener la fibre optique au plus près de nos activités quotidiennes : 1. L ALLIANCE FIBRE-CUIVRE Bien que la fibre optique soit sans conteste le meilleur moyen de transmission longues distances, le cuivre possède lui, sur faible distance, une bande passante suffisante pour supporter des signaux à haut débit. C est l'idée de départ de la plupart des pays ayant développé une structure fibre optique comme base de leurs grands réseaux de communication. Cette base se ramifie ensuite jusqu'à plusieurs centres de brassage qui distribuent le signal sur câble cuivre vers les usagers. On profite ainsi de l'incroyable bande passante offerte par la fibre sans avoir les inconvénients d'effectuer des changements radicaux dans chaque domicile. 2. LES FIBRES A LA MAISON L idée d'amener la fibre optique dans tous les foyers datent des années 70, au tout début de son développement, avec les premières expériences effectuées au Japon en 1978. Le Japon est d'ailleurs aujourd'hui le seul pays à parier sur cette politique et à se donner réellement les moyens de la mener à bien. Le problème principal reste avant tout le prix, en particulier celui des équipements terminaux constitués de composants actifs dont la plupart des particuliers ne peuvent se permettre l'installation et la maintenance. Pourtant les avancées technologiques vers interfaces "tout optique" de toutes sortes laissent à cette politique une réelle légitimité pour l'avenir. www.experide-consulting.com +33 (0)4 26 68 70 24 41

CONCLUSION Depuis l'origine jusqu'à l'avenir prometteur de la fibre lié aux nouvelles technologies de l information, en passant par ses principes de fonctionnement et son environnement matériel, nous espérons que ce livret vous aura donné une vue d'ensemble du vaste monde de la fibre optique. Et pour vous confirmer le développement de ce média, la production mondiale de fibre optique qui en 1999 était de 60 millions de km, passera à plus de 100 millions de km en 2002. Le marché des composants de 6 milliards de $ en 1999 passera à 23 milliards de $ en 2003. Ces chiffres se passent de commentaires! www.experide-consulting.com +33 (0)4 26 68 70 24 42

GLOSSAIRE TECHNIQUE Affaiblissement ou perte ou atténuation : Elle correspond à une différence de puissance du signal lumineux entre 2 points. Expression en db. Bobine amorce (valise amorce) : pour la réflectométrie, elle permet de décaler la zone aveugle du réflectomètre, et ainsi de mesurer le premier connecteur. Bande passante : Elle correspond à la fréquence maximum de transmission en MHz pour lequel le signal transmis subit un affaiblissement de 3 db. Cœur : Il s agit de la région centrale d'une fibre optique dans laquelle la plus grande partie de l'énergie est transmise. Cordon optique (jarretière) : Il désigne une certaine longueur de câble optique d une ou deux fibres équipées de connecteurs à chaque extrémité. Décibel : Unité logarithmique (base 10) d'un rapport. Le db est l'unité utilisée pour caractériser l'atténuation optique. Longueur d'onde : Mesure de l'oscillation d'une onde = vitesse de l'onde utilisée divisée par sa fréquence. Monomode : La fibre optique monomode est celle dans laquelle un seul mode, le mode fondamental est capable de se propager à la longueur d'onde de fonctionnement (unimodale). Multimode : Il s agit de la fibre optique permettant la propagation de plusieurs modes. Ouverture numérique, ON : Propriété d'une fibre à collecter la lumière pour la propager. Définie comme le sinus du demi-angle du cône d'acceptance. Photon: Particule élémentaire, quantum d'énergie d'un champ électromagnétique. Pigtail : Terme anglo-saxon pour décrire un ensemble comprenant un connecteur et une fibre nue ou gainée de façon simple, sans protection particulière (comme des brins d'aramide). Protection d'épissure : Pièce protégeant la zone d'épissure par fusion. www.experide-consulting.com +33 (0)4 26 68 70 24 43

BIBLIOGRAPHIE Commutation de transmission Les fibres optiques Fiber optic lab manual Les fibres optiques plastiques Understanding fiber optic La fibre optique Technologies et applications Les Télécoms sur fibres optiques Les autoroutes de l information Les différentes éditions du CREDO SOTELEC FIS MASSON HECHT MASSON HERMES HERMES Edition 2008 www.experide-consulting.com +33 (0)4 26 68 70 24 44

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