La Fibre Optique

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CNAM

Fenêtre de transmission

• La première fenêtre (0.8-0.9 µm) :

– Atténuation élevée ( ~ 3 dB/km) – Composants très bon marché (Diodes LED) ⇒⇒⇒⇒ n’est utilisée qu’en multimode.

• La deuxième fenêtre (1.28-1.33 µm) :

– Lasers disponibles depuis longtemps et peu chers – Atténuation raisonnable (0,33 dB/km) – Dispersion chromatique nulle ⇒⇒⇒⇒ est encore largement utilisée.

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CNAM

Fenêtre de transmission

La troisième fenêtre (1.525-1.625 µm) :

- Atténuation minimale (0,2 dB/km) - Lasers et amplificateurs performants (mais assez chers) - Existence de systèmes très performants (DWDM) - Deux sous-bandes : C 1525-1565 nm, L 1565-1625 nm ⇒ C'est la applications modernes.

fenêtre de choix pour quasiment

toutes

les

On sait faire des fibres à "dispersion décalée" et même des fibres à

"dispersion plate" entre 1,3 et 1,55 µm

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15

CNAM

La fibre optique

Deux effets limitent la capacité de transmission : -Atténuation : une partie du signal, sous forme de lumière, est perdue

Atténuation Atténuation

Le signal qui se propage s'affaiblit

- Dispersion chromatique: le signal reçu est déformé par rapport au signal émis (dégradation)

Dispersion Dispersion

Le signal qui se propage s'élargit

t1

t2

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CNAM

Atténuation

Au cours de la propagation dans la fibre, la puissance décroît selon la loi :

P z(((( )))) ==== Pine−−−− ααααz

αααα est le coefficient d’atténuation en Neper/m.

On définit plutôt l’atténuation en dB/km :

La relation entre A et αααα est :

A ==== 1 L

10log

 Pin   Pout

  

AdB / km

==== 4,34.103αααα

−−−−1

m

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CNAM

Atténuation

Matière première

VERRES

ABSORPTION ABSORPTION

IMPURETES IMPURETES

en dB/km

Contenues dans le verre

BOUTEILLES

2.000.000

10kg/tonne

Bon marché

Sélection

Pures, traitées

VITRES

200.000

1kg/tonne

LUNETTES

20.000

100g/tonne

OPTIQUE

2.000

10g/tonne

Ultra-pures

VERRES SODOCALCIQUES

ou BOROSILICATES

VERRES DE SILICE

20

100mg/tonne

POUR FIBRES OPTIQUES

0,2

10mg/tonne

1% d'énergie transmise 1% d'énergie transmise (dans le proche infrarouge) (dans le proche infrarouge)

sur : sur :

1 cm

10 cm

1 m

10 m

1 km

100 km

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CNAM

Pertes par effet de courbure

• Lorsqu’on courbe la fibre, une partie de l’énergie lumineuse du mode peut

échapper au guidage, et se perdre dans la gaine.

Ce phénomène s’appelle «pertes par courbure».

•

Il est le plus sensible aux grandes longueurs d’onde.

• La mesure de sensibilité à la courbure se fait en mesurant le supplément

d’atténuation d’une fibre bobinée sur petit diamètre (75 mm 100 tours, méthode normalisée ITU)

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CNAM

Pertes par microcourbures

Les pertes par microcourbure apparaissent lors de la fabrication des câbles des contraintes mécaniques microdéformations de la fibre, entraînant des pertes de lumière. Elles sont à peu près indépendantes de la longueur d’onde.

provoquent

lorsque

des

Ces pertes dépendent aussi bien de la fibre elle-même que du

revêtement.

Elles augmentent très vite lorsque le diamètre de la fibre diminue.

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CNAM

La dispersion chromatique

La dispersion se manifeste par un élargissement des impulsions au

cours de leur propagation.

La fibre se comporte comme un filtre passe-bas.

d

∆τ

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21

CNAM

Dispersion intermodale

Une des causes de l’élargissement d’une impulsion est la dispersion intermodale. L’énergie lumineuse injectée à l’entrée de la fibre est répartie entre différents modes.

Les différents modes se propagent dans le cœur avec la vitesse :

ν

m

= c n1

sin θ

m

vm : composante suivant l’axe

de propagation de la vitesse

mode le plus lent : θθθθ = θθθθ mode le plus rapide : θθθθ = ππππ/2 alors vmax = c/n1

lim, alors vmin = c/n1.sin θθθθ

lim

après un trajet d’une distance L, le décalage est : pour une fibre à saut d’indice.

∆τ = L c

)

( − n2 n1 n1 n2

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CNAM

Dispersion chromatique

La vitesse de propagation moyenne d’une impulsion est égale à la vitesse de groupe du mode fondamental. Le problème vient de ce que le temps de propagation de groupe varie avec la longueur d'onde. Or les sources de rayonnement lumineux ne sont pas rigoureusement monochromatiques.

Il y a deux causes à prendre en compte :

– l'indice qui varie en fonction de la longueur d'onde (dispersion matériau) – la vitesse de groupe qui varie avec la longueur d'onde (dispersion guide d'onde)

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CNAM

Dispersion chromatique

Pour une largeur spectrale ∆λ∆λ∆λ∆λ et un coefficient de dispersion chromatique M(λλλλ) donnés, la valeur maximale du produit

(débit binaire x longueur de fibre)

est :

B.L(

)

max

=

1 2M(λ).∆λ

Ordre de grandeur : La fibre monomode normalisée G652, qui équipe 85% du réseau, a un coefficient de dispersion chromatique M(λλλλ)= 3,5 ps/(km.nm) dans le domaine spectral [1,288-1,359] µµµµm. Pour cette même fibre, à λλλλ = 1.55 µµµµm, M(λλλλ) passe à 17 ps/(km.nm)

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CNAM

ps/nm.km

60

40

20

0

-20

-40

-60

-80

-100

-120

Dispersion chromatique

Dispersion plate

900

1000

1100

1200

1300

1400

1500

1600

λ

nm

Dispersion décalée

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CNAM

Bande passante des fibres

Fibres monomodes

Fibres multimodes à saut d'indice

Fibres multimodes à gradient d'indice

∆λ∆λ∆λ∆λ, B0 et γγγγ sont fournis par le constructeur

B =

0,35 M(λ).∆λ.L

B = B0 Lγ

B =

1

L2γ 2 B0

+ M2(λ).∆λ2.L2 0,35 2

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Les effets non linéaires

La puissance lumineuse injectée dans la fibre est si élevée (40 mW/80 µm2 soit plus de 600 W/mm2) et les niveaux de perturbation acceptables si faibles que l’on ne peut plus négliger les effets non linéaires.

L’effet non linéaire prépondérant dans la silice qui vient affecter la propagation est l’effet Kerr : l’indice de réfraction varie avec le flux de la puissance.

Pour augmenter la distance de régénération et/ou accroître le débit, il faut réduire la dispersion des impulsions : grâce aux effets optiques non linéaires de la fibre, il est possible de générer des solitons dont la principale caractéristique est de conserver une forme constante au cours de la propagation.

L’invariance de forme du soliton résulte du fait que le chirp de fréquence créé par la dispersion de temps de groupe est très exactement compensé par celui dû à l’effet Kerr.

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CNAM

Fiabilité de la fibre optique

La silice est un matériau «fragile» : ⇒⇒⇒⇒ ce terme scientifique signifie

qu’il n’a pratiquement pas de déformation élastique.

La fibre optique silice résiste à des tractions très élevées (> 5 kg), une

résistance bien supérieure à celle de l’acier.

La présence de défauts fragilise la fibre (il suffit d'un défaut de 0.5 µm

pour qu'une traction de 1kg environ casse la fibre)

La plupart des défauts se produisent lors de la fabrication de la fibre, la

fibre est ensuite protégée par le revêtement.

Pour cette raison, la fibre est testée en totalité à 1 % d’allongement

(environ 1 kg) pour éliminer ces défauts.

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Vieillissement de la fibre optique

La corrosion par l’humidité d’une fibre de silice non protégée la rend très cassante en quelques heures. Le revêtement est donc étudié pour protéger la silice.

La résistance au vieillissement est mesurée par un facteur «n», facteur de durée de vie sur une échelle logarithmique. Il est mesuré selon des normes internationales :

– n statique, lorsque les charges appliquées sont statiques. – n dynamique, mesuré sous charge variable (croissante). – On évalue la variation de la durée de vie en fonction de la charge

appliquée et on extrapole dans le temps.

Les règles de l’art actuelles garantissent largement 25 ans de durée de vie. L’expérience montre que la plupart des ruptures effectivement rencontrées

(plus de 95%) sont dues à des travaux de Génie Civil.

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CNAM

Câblage

• La technique de câblage la plus utilisée aujourd’hui est le tube. Un

câble typique est représenté :

Fibres

Tube rempli de gelée

Elément porteur

Renforcement mécanique Matériau absorbant l’humidité

Gaine extérieure Polyéthylène

• La fibre est posée en long dans des tubes remplis d’une gelée de pétrole, qui la protège de l’humidité. De nombreux types de câbles peuvent être réalisés par assemblage de ces tubes.

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Raccordement

• La technique de base utilisée pour l’épissurage est la soudure par arc

électrique. Des connecteurs sont utilisés seulement dans les terminaux.

• De nombreux modèles commerciaux de soudeuses existent sur le marché,

elles se groupent en deux types principaux : – Les soudeuses passives : les fibres dénudées sont placées dans des «V»

de positionnement fixes. La qualité dépend alors beaucoup :

• De la précision du diamètre extérieur • De la concentricité cœur/fibre

– Les soudeuses actives, où les «V» de positionnement sont mobiles et leur position ajustée pour optimiser le positionnement du cœur (en général par injection/détection)

• Dans les deux cas, la qualité de la soudure dépend beaucoup de la coupe, de

la propreté de la fibre et de l’état de la soudeuse.

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31

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Applications :

La fibre optique

- Transmissions numériques à haut débit : données informatiques, téléphonie, télécopie, télévision, etc… - Réseaux nationaux et internationaux de télécommunications - Réseaux locaux en environnement bruité

- Applications vidéo

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32

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Avantages :

La fibre optique

– Transmission large bande, et débits binaires élevés – Affaiblissement minimisé : nombre de répéteurs très réduits

et fortement espacés (60 km) – Immunité électromagnétique – Faible sensibilité aux

facteurs extérieurs

humidité…)

– Faible encombrement et faible poids

(température,

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33

CNAM

La fibre optique

Inconvénients :

d’adaptation

– Difficultés optoélectroniques – Exigences micromécaniques alignement) – Coûts d’exploitation encore élevés et personnel spécialisé

importantes

avec

les

transducteurs

(connexions,

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34

CNAM

Transmission sur fibre optique

Avènement de la fibre optique dans les systèmes sous-marins en 1988, Fonctionnement au débit de 280 Mbit/s

(équivalent de 4000

communications téléphoniques)

Cette capacité des systèmes sous-marins a été multipliée par plus de 32 x 10 Gbit/s en 2000 (équivalent d’un peu moins

1000 en 10 ans : de 4 000 000 de communications téléphoniques)

Systèmes terrestres mis en service en 2000 : capacité de N x 2,5 Gbit/s (N = 2 à 16). Les nouveaux systèmes sont étudiés sur la base de 10 Gbit/s par fibre.

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35

CNAM

Transmission sur fibre optique

source DEL, DL, DL +mod

amplificateur R, 2R, 3R

détecteur photodiode

- La source peut être une diode électroluminescente (DEL) ou une diode laser (DL)

et peut être associée à un modulateur externe.

- Les amplificateurs placés à intervalles réguliers peuvent être de 3 types:

R : « régénération » (amplification seule) 2R : « régénération-reshaping» (amplification et remise en forme) 3R : « régénération-reshaping-retiming » (amplification et remise en forme et

synchronisation)

- Le détecteur est constitué d’une photodiode PIN ou à avalanche - La lumière est modulée en amplitude par le signal électrique : la

puissance émise est une fonction directe de l'amplitude du signal modulant.

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36

CNAM

Transmission sur fibre optique

Dans les liaisons à haut-débit récentes (plusieurs Gbits/s), une source de très faible étendue spectrale obtenue est utilisée en associant une diode laser DFB (Distributed Feed Back) à un modulateur externe.

La très faible valeur de ∆λ∆λ∆λ∆λ (quelques dixièmes de nm) permet de régénérer le signal par des « EDFA » (Erbium doped fiber amplifier) de type R. Ces amplificateurs purement optiques ont une très large bande passante dans la fenêtre située autour de 1,55 mm.

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37

CNAM

Transmission sur fibre optique

Soient f0(νννν) et f1(νννν) les densités de probabilité associées aux fluctuations de

tension autour des niveaux logiques « 0 » et « 1 », supposées gaussiennes.

νννν(((( )))) ====

f0

1 0 2ππππ

σσσσ

 exp −−−−  

νννν 2 2σσσσ 2 0

  , 

νννν(((( )))) ====

f1

1 1 2ππππ

σσσσ

  exp −−−−  

))))2

(((( νννν −−−− V1 2σσσσ

2 1

   

La position optimale de décision correspond à la condition :

−−−− S V1 σσσσ

1

==== S σσσσ

0

==== Q

Le taux d’erreur binaire TEB s’exprime de la manière suivante :  TEB ==== 1  avec erfc x(((( )))) ==== 2  ππππ 2

e−−−− t 2

erfc

∞∞∞∞∫∫∫∫

  

Q 2

x

dt ==== 1−−−− erf x(((( ))))

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CNAM

Transmission sur fibre optique

Approximations utiles :

si Q > 2 ⇒ TEB≈

1 Q 2π

 exp − Q2   2





Ordre de grandeur

Pour un TEB de 10-9, on obtient un facteur Q de 6. Dans le cas le plus simple où S = 0,5.V1, (même bruit pour les 2 niveaux), le rapport signal à bruit au niveau logique « 1 » doit être au moins égal à :

= 2Q =12

, soit 10,8 dB.

V1 σ 1

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39

CNAM

Transmission sur fibre optique

Critères de choix d’une fibre optique :

Les contraintes techniques :

débit binaire B

et les contraintes économiques :

coût et nombre de stations de régénération

fixent le produit B.L ce qui fixe :

la source (largeur spectrale ∆λ∆λ∆λ∆λ, puissance) la fibre (atténuation, coefficient de dispersion D)

La qualité souhaitée fixe le TEB et le paramètre Q , ainsi que la puissance crête nécessaire en sortie de chaque tronçon en fonction du facteur de bruit des ampli de régénérations

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40

CNAM

Transmission sur fibre optique

Performances actuelles : Les fibres monomodes qui satisfont aux spécifications de l’UIT ont un coefficient de dispersion maximum D de 3,5 ps/(km.nm), à λλλλ = 1,3 µµµµm pour la fibre G652 ou à λλλλ = 1,55 µµµµm pour la G653 (fibre à dispersion décalée).

Si la source a une largeur spectrale ∆λ∆λ∆λ∆λ de l’ordre de 0,5 nm, on obtient le

produit (débit binaire)x(longueur de fibre) :

BL( )

max

=

1 2D∆λ

≈ 570 Gbit / s

Transmission à environ 10 Gbit/s pour des distances de 50 à 100 km

entre régénérateurs

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41

CNAM

Transmission sur fibre optique

la L’amplification optique : des équipements simples qui amplifient lumière transmise dans les fibres optiques et augmentent sa puissance pour étendre la distance de transmission des systèmes à fibre optique.

Utilisés avant l’émission, à la réception ou tout au long de la ligne.

Aussi, les distances accessibles avec ces types de système ont-elles été prolongées de 150 km à 450 km à 2,5 Gbit/s et jusqu’à 300 km à 32 x 10 Gbit/s

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42

CNAM

Transmission sur fibre optique

Liaisons de type WDM (Wavelength Division Multiplexing) pour accroître

la capacité sont en cours d’installation.

DL l1

l2

lN

Régénérateurs

Mux

Demux

Une seule fibre permet de transmettre N canaux à N longueurs d’onde

différentes.

Le mux et le demux sont en techno tout optique, ainsi que les ampli.

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43

CNAM

Transmission sur fibre optique

Exemple de système WDM pour liaisons transocéaniques (Source Alcatel) :

N = 32 longueurs d’onde régulièrement espacées de 1,6 nm (Dn = 100GHz)

dans la fenêtre spectrale 1528-1568 nm.

Le débit binaire par canal est B = 2,488 Gbit/s et les régénérateurs sont

espacés de 200 km.

La puissance d’un module d’émission est d’une dizaine de mW.

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44

CNAM

Transmission sur fibre optique

Plus généralement, les systèmes WDM (Source Alcatel) offrent une

capacité potentielle de :

40 à 400 Gbit/s par paire de fibre et bientôt 680 Gbit/s, en fonction de la longueur de la liaison, en multiplexant de 8 à 40 canaux à 2,5 Gbit/s ou 10 Gbit/s chacun.

Un câble peut contenir jusqu’à 4 paires de fibres (et bientôt 8 paires),

donc la capacité totale peut atteindre 1,6 Tbit/s.

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45

CNAM

Transmission sur fibre optique

Efforts actuels de recherche et développement :

augmentation de la capacité totale des systèmes WDM,

en augmentant soit : - le nombre de canaux

- le débit de chaque canal

Des essais en laboratoire ont permis de compacter plus de cent

longueurs d’onde sur une seule fibre.

Des essais sont réalisés pour transmettre des débits de 40 Gbit/s par

longueur d’onde.

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46

CNAM

Boucle locale optique

Les technologies optiques concernent les gros débits, donc les gros

Clients (grands comptes et les zones industrielles).

Avantages : - limitation en bande passante quasi-nulle,

- technologie éprouvée et fiable, baisse du coût des

composants

Inconvénient : Coût du déploiement si le câble à fibre optique n’est

pas déjà installé.

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47

CNAM

Boucle locale optique

Desserte d’une zone urbaine sous forme d’anneau :

Boucle multi-clients, mais aussi boucle locale professionnelle pour

l’échange de données dans l’entreprise ou pour les collectivités locales

Rq : la boucle locale optique peut se combiner avec des liaisons

d’extrémités sur technologie cuivre xDSL.

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CNAM

Boucle locale optique

Métronet : le réseau métropolitain de télécommunications de

l’agglomération Grenobloise :

1- Réaliser un réseau de télécommunications à haut débit, en

fibres optiques, à l’échelle de l’agglomération.

2- Favoriser l’émergence d’une offre riche de services de

télécommunications au bénéfice des entreprises.

3- Limiter la multiplication des perturbations liées aux chantiers

de télécommunications.

Soit :

5 000 km de fibres optiques 110 points à connecter, 50 km de fourreaux

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CNAM

Dispersion de polarisation

• La fibre monomode véhicule en fait deux sous-modes propres

orthogonaux.

Etat principal de polarisation (lent)

Etat principal rapide

Délai de Groupe

• Si la fibre n’est pas parfaitement circulaire, les deux modes

•

peuvent se propager à des vitesses différentes. la dispersion qui en résulte est un phénomène aléatoire décrit statistiquement dans le temps et dans l’espace.

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CNAM

Budget de liaison optique

L km

Em

TdC

TdC

Rec

Pe = Prec = Nb de connecteurs =

dBm

dBm (min et max)

2 à 0,5 dB

Nombre d'épissures =

L/4 à 0,075 dB

Affaiblissement câble =

0,23 ou 0,35 dB/km. L

Marge de réparations =

0,015 dB/km

Marge système =

2 dB

N.B. : Il convient de vérifier que le récepteur n'est jamais saturé

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51

CNAM

Budget de liaison optique

Dispersion chromatique :

Il faut vérifier que la bande passante B de la fibre est au moins égale à 0,7 R, où R est le débit en ligne. En monomode:

B =

0,35 M(λ).∆λ.L

avec M(λλλλ) = 3,5 ou 18 ps/nm.km selon la longueur d'onde

∆λ∆λ∆λ∆λ = largeur spectrale (en nm) du laser, fournie par le constructeur

L = longueur de la fibre en km

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CNAM

Bibliographie

- Cours B7 « Optoélectronique et télécommunications optiques »

G. Hincelin, J-C. Dudek, CNAM

- Revue « Optique et Photonique », mars 2000, « Réseaux optiques : l’offre globale d’Alcatel », pp.24-27.

- Revue des télécommunications d’Alcatel, 3ème trimestre 2000, « Composants optiques pour le nouveau millénaire », pp.221-231.

- Electronique International, Dossier : «La photonique affole les réseaux télécoms» par P. Coutance et P. Arlot, 26 octobre 2000.

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