La Fibre Optique

la solution universelle des syst mes de

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10

CNAM

Diam tre de mode

" Diam tre de mode (2W0) :

La lumi re est guid e par le cSur. Mais, en monomode, une partie

importante de la puissance est transmise dans la gaine.

Le profil de puissance lumineuse est peu pr s "gaussien", id est

en forme de cloche I=I0exp-2r2/w0

2.

Le diam tre de mode est le diam tre de la courbe 1/e2, soit

environ mi-hauteur.

" C'est pourquoi l' paisseur de la gaine est importante dans les

fibres monomodes.

" Le diam tre de mode varie avec la longueur donde.

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11

CNAM

Longueur donde de coupure

Le guidage du mode varie avec la longueur donde :

Aux grandes longueurs donde le mode est guid .

Aux courtes longueurs donde, le mode est guid mais

des modes dordre sup rieur sont guid s aussi.

La longueur donde de coupure est celle au-dessus de laquelle la fibre

devient monomode.

a = rayon du cSur

c

=

2

2,404

a.ON

En dessous de

modes dordre sup rieur.

c le mode fondamental perd de l nergie au profit de

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12

CNAM

Att nuation / Longueur d'onde

La mesure datt nuation spectrale consiste mesurer laffaiblissement de la

fibre sur une plage de longueurs donde.

Att nuation

(dB/km)

Ultraviolet

H t rog n it

du verre

3,5

0,4

0,2

Interaction avec

des ions OH

Infrarouge

Interaction

photon atome

Typique 1970

Typique 1990

850

1300

1550

Longueur donde (nm)

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13

CNAM

Fen tre de transmission

" La premi re fen tre (0.8-0.9 m) :

Att nuation lev e ( ~ 3 dB/km)

Composants tr s bon march (Diodes LED)

nest utilis e quen multimode.

" La deuxi me fen tre (1.28-1.33 m) :

Lasers disponibles depuis longtemps et peu chers

Att nuation raisonnable (0,33 dB/km)

Dispersion chromatique nulle

est encore largement utilis e.

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14

CNAM

Fen tre de transmission

La troisi me fen tre (1.525-1.625 m) :

• Att nuation minimale (0,2 dB/km)

-

Lasers et amplificateurs performants (mais assez chers)

-

Existence de syst mes tr s performants (DWDM)

• Deux sous-bandes : C 1525-1565 nm, L 1565-1625 nm

C'est

la

applications modernes.

fen tre de choix pour quasiment

toutes

les

On sait faire des fibres "dispersion d cal e" et m me des fibres

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

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15

CNAM

La fibre optique

Deux effets limitent la capacit de transmission :

-Att nuation : une partie du signal, sous forme de lumi re, est perdue

Att nuation

Att nuation

Le signal qui se propage s'affaiblit

• Dispersion chromatique: le signal re u est d form par rapport au signal

mis (d gradation)

Dispersion

Dispersion

Le signal qui se propage s' largit

t1

t2

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16

CNAM

Att nuation

Au cours de la propagation dans la fibre,

la puissance d cro t selon la loi :

P z(((( )))) ==== Pine z

est le coefficient datt nuation en Neper/m.

On d finit plut t latt nuation en dB/km :

La relation entre A et est :

A ==== 1

L

10log

Pin

Pout

AdB / km

==== 4,34.103

1

m

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17

CNAM

Att nuation

Mati re

premi re

VERRES

ABSORPTION

ABSORPTION

IMPURETES

IMPURETES

en dB/km

Contenues

dans le verre

BOUTEILLES

2.000.000

10kg/tonne

Bon

march

S lection

Pures,

trait es

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' nergie transmise

1% d' nergie 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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18

CNAM

Pertes par effet de courbure

" Lorsquon courbe la fibre, une partie de l nergie lumineuse du mode peut

chapper au guidage, et se perdre dans la gaine.

Ce ph nom ne sappelle pertes par courbure .

"

Il est le plus sensible aux grandes longueurs donde.

" La mesure de sensibilit la courbure se fait en mesurant le suppl ment

datt nuation dune fibre bobin e sur petit diam tre

(75 mm 100 tours, m thode normalis e ITU)

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19

CNAM

Pertes par microcourbures

Les pertes par microcourbure apparaissent lors de la fabrication des

c bles

des

contraintes m caniques

microd formations de la fibre, entra nant des pertes de lumi re. Elles sont

peu pr s ind pendantes de la longueur donde.

provoquent

lorsque

des

Ces pertes d pendent aussi bien de la fibre elle-m me que du

rev tement.

Elles augmentent tr s vite lorsque le diam tre de la fibre diminue.

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20

CNAM

La dispersion chromatique

La dispersion se manifeste par un largissement des impulsions au

cours de leur propagation.

La fibre se comporte comme un filtre passe-bas.

d

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21

CNAM

Dispersion intermodale

Une des causes de l largissement dune impulsion est la dispersion

intermodale. L nergie lumineuse inject e lentr e de la fibre est r partie

entre diff rents modes.

Les diff rents modes se propagent dans le cSur avec la vitesse :

m

= c

n1

sin

m

vm : composante suivant laxe

de propagation de la vitesse

mode le plus lent : =

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

lim, alors vmin = c/n1.sin

lim

apr s un trajet dune distance L, le d calage est :

pour une fibre saut dindice.

= L

c

)

(

n2

n1 n1

n2

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22

CNAM

Dispersion chromatique

La vitesse de propagation moyenne dune impulsion est gale la vitesse

de groupe du mode fondamental. Le probl me 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 prendre en compte :

l'indice qui varie en fonction de la longueur d'onde (dispersion

mat riau)

la vitesse de groupe qui varie avec la longueur d'onde (dispersion

guide d'onde)

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23

CNAM

Dispersion chromatique

Pour une largeur spectrale et un coefficient de dispersion chromatique

M( ) donn s, la valeur maximale du produit

(d bit binaire x longueur de fibre)

est :

B.L(

)

max

=

1

2M( ).

Ordre de grandeur :

La fibre monomode normalis e G652, qui quipe 85% du r seau, a un

coefficient de dispersion chromatique M( )= 3,5 ps/(km.nm) dans le domaine

spectral [1,288-1,359] m. Pour cette m me fibre, = 1.55 m, M( ) passe

17 ps/(km.nm)

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24

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

nm

Dispersion d cal e

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25

CNAM

Bande passante des fibres

Fibres monomodes

Fibres multimodes saut d'indice

Fibres multimodes gradient d'indice

, B0 et sont fournis par le constructeur

B =

0,35

M( ). .L

B = B0

L

B =

1

L2

2

B0

+ M2( ). 2.L2

0,35 2

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26

CNAM

Les effets non lin aires

La puissance lumineuse inject e dans la fibre est si lev e (40 mW/80 m2

soit plus de 600 W/mm2) et les niveaux de perturbation acceptables si faibles

que lon ne peut plus n gliger les effets non lin aires.

Leffet non lin aire pr pond rant dans la silice qui vient affecter la

propagation est leffet Kerr : lindice de r fraction varie avec le flux de la

puissance.

Pour augmenter la distance de r g n ration et/ou accro tre le d bit, il faut

r duire la dispersion des impulsions : gr ce aux effets optiques non lin aires

de la fibre, il est possible de g n rer des solitons dont la principale

caract ristique est de conserver une forme constante au cours de la

propagation.

Linvariance de forme du soliton r sulte du fait que le chirp de fr quence

cr par la dispersion de temps de groupe est tr s exactement compens par

celui d leffet Kerr.

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27

CNAM

Fiabilit de la fibre optique

La silice est un mat riau fragile : ce terme scientifique signifie

quil na pratiquement pas de d formation lastique.

La fibre optique silice r siste des tractions tr s lev es (> 5 kg), une

r sistance bien sup rieure celle de lacier.

La pr sence de d fauts fragilise la fibre (il suffit d'un d faut de 0.5 m

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

La plupart des d fauts se produisent lors de la fabrication de la fibre, la

fibre est ensuite prot g e par le rev tement.

Pour cette raison, la fibre est test e en totalit 1 % dallongement

(environ 1 kg) pour liminer ces d fauts.

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28

CNAM

Vieillissement de la fibre optique

La corrosion par lhumidit dune fibre de silice non prot g e la rend tr s

cassante en quelques heures. Le rev tement est donc tudi pour prot ger la

silice.

La r sistance au vieillissement est mesur e par un facteur n , facteur de

dur e de vie sur une chelle logarithmique. Il est mesur selon des normes

internationales :

n statique, lorsque les charges appliqu es sont statiques.

n dynamique, mesur sous charge variable (croissante).

On value la variation de la dur e de vie en fonction de la charge

appliqu e et on extrapole dans le temps.

Les r gles de lart actuelles garantissent largement 25 ans de dur e de vie.

Lexp rience montre que la plupart des ruptures effectivement rencontr es

(plus de 95%) sont dues des travaux de G nie Civil.

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29

CNAM

C blage

" La technique de c blage la plus utilis e aujourdhui est le tube. Un

c ble typique est repr sent :

Fibres

Tube rempli de gel e

El ment porteur

Renforcement m canique

Mat riau absorbant lhumidit

Gaine ext rieure Poly thyl ne

" La fibre est pos e en long dans des tubes remplis dune gel e de

p trole, qui la prot ge de lhumidit . De nombreux types de c bles

peuvent tre r alis s par assemblage de ces tubes.

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30

CNAM

Raccordement

" La technique de base utilis e pour l pissurage est la soudure par arc

lectrique. Des connecteurs sont utilis s seulement dans les terminaux.

" De nombreux mod les commerciaux de soudeuses existent sur le march ,

elles se groupent en deux types principaux :

Les soudeuses passives : les fibres d nud es sont plac es dans des V

de positionnement fixes. La qualit d pend alors beaucoup :

" De la pr cision du diam tre ext rieur

" De la concentricit cSur/fibre

Les soudeuses actives, o les V de positionnement sont mobiles et leur

position ajust e pour optimiser le positionnement du cSur (en g n ral

par injection/d tection)

" Dans les deux cas, la qualit de la soudure d pend beaucoup de la coupe, de

la propret de la fibre et de l tat de la soudeuse.

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31

CNAM

Applications :

La fibre optique

• Transmissions num riques haut d bit : donn es informatiques,

t l phonie, t l copie, t l vision, etc&

• R seaux nationaux et internationaux de t l communications
• R seaux locaux en environnement bruit

• Applications vid o

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32

CNAM

Avantages :

La fibre optique

Transmission large bande, et d bits binaires lev s

Affaiblissement minimis : nombre de r p teurs tr s r duits

et fortement espac s (60 km)

Immunit lectromagn tique

Faible sensibilit aux

facteurs ext rieurs

humidit &)

Faible encombrement et faible poids

(temp rature,

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33

CNAM

La fibre optique

Inconv nients :

dadaptation

Difficult s

opto lectroniques

Exigences microm caniques

alignement)

Co ts dexploitation encore lev s et personnel sp cialis

importantes

avec

les

transducteurs

(connexions,

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34

CNAM

Transmission sur fibre optique

Av nement de la fibre optique dans les syst mes sous-marins en 1988,

Fonctionnement au d bit de 280 Mbit/s

( quivalent de 4000

communications t l phoniques)

Cette capacit des syst mes sous-marins a t multipli e par plus de

32 x 10 Gbit/s en 2000 ( quivalent dun peu moins

1000 en 10 ans :

de 4 000 000 de communications t l phoniques)

Syst mes terrestres mis en service en 2000 : capacit de N x 2,5 Gbit/s

(N = 2 16). Les nouveaux syst mes sont tudi s 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

d tecteur

photodiode

• La source peut tre une diode lectroluminescente (DEL) ou une diode laser (DL)

et peut tre associ e un modulateur externe.

• Les amplificateurs plac s intervalles r guliers peuvent tre de 3 types:

R : r g n ration (amplification seule)

2R : r g n ration-reshaping (amplification et remise en forme)

3R : r g n ration-reshaping-retiming (amplification et remise en forme et

synchronisation)

• Le d tecteur est constitu dune photodiode PIN ou avalanche
• La lumi re est modul e en amplitude par le signal lectrique : la

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

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36

CNAM

Transmission sur fibre optique

Dans les liaisons haut-d bit r centes (plusieurs Gbits/s), une source de

tr s faible tendue spectrale obtenue est utilis e en associant une diode laser

DFB (Distributed Feed Back) un modulateur externe.

La tr s faible valeur de (quelques dixi mes de nm) permet de

r g n rer le signal par des EDFA (Erbium doped fiber amplifier) de type R.

Ces amplificateurs purement optiques ont une tr s large bande passante

dans la fen tre situ e autour de 1,55 mm.

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37

CNAM

Transmission sur fibre optique

Soient f0( ) et f1( ) les densit s de probabilit associ es aux fluctuations de

tension autour des niveaux logiques 0 et 1 , suppos es gaussiennes.

(((( )))) ====

f0

1

0 2

exp

2

2

2

0

,

(((( )))) ====

f1

1

1 2

exp

))))2

((((

V1

2

2

1

La position optimale de d cision correspond la condition :

S

V1

1

==== S

0

==== Q

Le taux derreur binaire TEB sexprime de la mani re suivante :

TEB ==== 1

avec erfc x(((( )))) ==== 2

2

e t 2

erfc

++++

Q

2

x

dt ==== 1 erf x(((( ))))

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38

CNAM

Transmission sur fibre optique

Approximations utiles :

si Q > 2 TEBH

1

Q 2

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 o S = 0,5.V1, (m me bruit pour les 2 niveaux), le

rapport signal bruit au niveau logique 1 doit tre au moins gal :

= 2Q =12

, soit 10,8 dB.

V1

1

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39

CNAM

Transmission sur fibre optique

Crit res de choix dune fibre optique :

Les contraintes techniques :

d bit binaire B

et les contraintes conomiques :

co t et nombre de stations de r g n ration

fixent le produit B.L

ce qui fixe :

la source (largeur spectrale , puissance)

la fibre (att nuation, coefficient de dispersion D)

La qualit souhait e fixe le TEB et le param tre Q , ainsi que la puissance cr te

n cessaire en sortie de chaque tron on en fonction du facteur de bruit des ampli

de r g n rations

Cours B11 - TRANSMISSION DES TELECOMMUNICATIONS - Partie 2 - Chapitre 5

40

CNAM

Transmission sur fibre optique

Performances actuelles :

Les fibres monomodes qui satisfont aux sp cifications de lUIT ont un

coefficient de dispersion maximum D de 3,5 ps/(km.nm), = 1,3 m pour la

fibre G652 ou = 1,55 m pour la G653 (fibre dispersion d cal e).

Si la source a une largeur spectrale de lordre de 0,5 nm, on obtient le

produit (d bit binaire)x(longueur de fibre) :

BL( )

max

=

1

2D

H 570 Gbit / s

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

entre r g n rateurs

Cours B11 - TRANSMISSION DES TELECOMMUNICATIONS - Partie 2 - Chapitre 5

41

CNAM

Transmission sur fibre optique

la

Lamplification optique : des quipements simples qui amplifient

lumi re transmise dans les fibres optiques et augmentent sa puissance pour

tendre la distance de transmission des syst mes fibre optique.

Utilis s avant l mission, la r ception ou tout au long de la ligne.

Aussi, les distances accessibles avec ces types de syst me ont-elles t

prolong es de 150 km 450 km 2,5 Gbit/s et jusqu 300 km 32 x 10 Gbit/s

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42

CNAM

Transmission sur fibre optique

Liaisons de type WDM (Wavelength Division Multiplexing) pour accro tre

la capacit sont en cours dinstallation.

DL

l1

l2

lN

R g n rateurs

Mux

Demux

Une seule fibre permet de transmettre N canaux N longueurs donde

diff rentes.

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 syst me WDM pour liaisons transoc aniques (Source Alcatel) :

N = 32 longueurs donde r guli rement espac es de 1,6 nm (Dn = 100GHz)

dans la fen tre spectrale 1528-1568 nm.

Le d bit binaire par canal est B = 2,488 Gbit/s et les r g n rateurs sont

espac s de 200 km.

La puissance dun module d mission est dune dizaine de mW.

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44

CNAM

Transmission sur fibre optique

Plus g n ralement, les syst mes WDM (Source Alcatel) offrent une

capacit potentielle de :

40 400 Gbit/s par paire de fibre et bient t 680 Gbit/s, en fonction de la

longueur de la liaison, en multiplexant de 8 40 canaux 2,5 Gbit/s ou

10 Gbit/s chacun.

Un c ble peut contenir jusqu 4 paires de fibres (et bient t 8 paires),

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

Cours B11 - TRANSMISSION DES TELECOMMUNICATIONS - Partie 2 - Chapitre 5

45

CNAM

Transmission sur fibre optique

Efforts actuels de recherche et d veloppement :

augmentation de la capacit totale des syst mes WDM,

en augmentant soit : - le nombre de canaux

• le d bit de chaque canal

Des essais en laboratoire ont permis de compacter plus de cent

longueurs donde sur une seule fibre.

Des essais sont r alis s pour transmettre des d bits de 40 Gbit/s par

longueur donde.

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46

CNAM

Boucle locale optique

Les technologies optiques concernent les gros d bits, donc les gros

Clients (grands comptes et les zones industrielles).

Avantages : - limitation en bande passante quasi-nulle,

• technologie prouv e et fiable, baisse du co t des

composants

Inconv nient : Co t du d ploiement si le c ble fibre optique nest

pas d j install .

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47

CNAM

Boucle locale optique

Desserte dune zone urbaine sous forme danneau :

Boucle multi-clients, mais aussi boucle locale professionnelle pour

l change de donn es dans lentreprise ou pour les collectivit s locales

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

dextr mit s sur technologie cuivre xDSL.

Cours B11 - TRANSMISSION DES TELECOMMUNICATIONS - Partie 2 - Chapitre 5

48

CNAM

Boucle locale optique

M tronet : le r seau m tropolitain de t l communications de

lagglom ration Grenobloise :

1- R aliser un r seau de t l communications haut d bit, en

fibres optiques, l chelle de lagglom ration.

2- Favoriser l mergence dune offre riche de services de

t l communications au b n fice des entreprises.

3- Limiter la multiplication des perturbations li es aux chantiers

de t l communications.

Soit :

5 000 km de fibres optiques

110 points connecter, 50 km de fourreaux

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49

CNAM

Dispersion de polarisation

" La fibre monomode v hicule en fait deux sous-modes propres

orthogonaux.

Etat principal de polarisation (lent)

Etat principal rapide

D lai de Groupe

" Si la fibre nest pas parfaitement circulaire, les deux modes

"

peuvent se propager des vitesses diff rentes.

la dispersion qui en r sulte est un ph nom ne al atoire d crit

statistiquement dans le temps et dans lespace.

Cours B11 - TRANSMISSION DES TELECOMMUNICATIONS - Partie 2 - Chapitre 5

50

CNAM

Budget de liaison optique

L km

Em

TdC

TdC

Rec

Pe =

Prec =

Nb de connecteurs =

dBm

dBm (min et max)

2 0,5 dB

Nombre d' pissures =

L/4 0,075 dB

Affaiblissement c ble =

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

Marge de r parations =

0,015 dB/km

Marge syst me =

2 dB

N.B. : Il convient de v rifier que le r cepteur n'est jamais satur

Cours B11 - TRANSMISSION DES TELECOMMUNICATIONS - Partie 2 - Chapitre 5

51

CNAM

Budget de liaison optique

Dispersion chromatique :

Il faut v rifier que la bande passante B de la fibre est au moins gale 0,7

R, o R est le d bit en ligne. En monomode:

B =

0,35

M( ). .L

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

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

L = longueur de la fibre en km

Cours B11 - TRANSMISSION DES TELECOMMUNICATIONS - Partie 2 - Chapitre 5

52

CNAM

Bibliographie

• Cours B7 Opto lectronique et t l communications optiques

G. Hincelin, J-C. Dudek, CNAM

• Revue Optique et Photonique , mars 2000,

R seaux optiques : loffre globale dAlcatel , pp.24-27.

• Revue des t l communications dAlcatel, 3 me trimestre 2000,

Composants optiques pour le nouveau mill naire , pp.221-231.

• Electronique International, Dossier : La photonique affole les r seaux

t l coms par P. Coutance et P. Arlot, 26 octobre 2000.

Cours B11 - TRANSMISSION DES TELECOMMUNICATIONS - Partie 2 - Chapitre 5

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