Comparaison entre les trois canaux : FSO, OWC et SMF

MEMOIRE Présenté pour l’obtention du diplôme de MASTER

En : Télécommunications

Spécialité : (Réseaux et Systèmes de Télécommunications)

Technologie FSO (Free SpaceOptics)

Ces dernières années, les réseaux optiques sans fils utilisant la technologie FSO sont apparus d’une manière significative. Par opposition, cette technologie FSO, permet de répondre aux besoins des opérateurs de télécommunications. Les liaisons optiques en espace libre (FSOLs) constituent une technologie optique de communications qui fait appel à la propagation de la lumière en espace libre, à savoir de transmettre des données entre deux points distants (voir la figure II.1). En outre, elle présente un intérêt lorsqu’une connexion physique par le biais de câble ou de fibre optique est inadaptée, en particulier pour des raisons de coûts.

Principe de fonctionnement de FSO

Le principe de base de la technologie FSO consiste en une transmission laser en espace libre dans une partie du spectre lumineux visible ou infrarouge. Les systèmes FSO sont conçus pour effectuer une connexion entre deux zones ou différentes zones, en visibilité directe LOS (Line-Of-Sight) à un débit très élevé. La FSO permet la transmission de tout type de données avec un débit égal à celui de la fibre optique tout en ayant la souplesse et les avantages d’un réseau radio sans fil. En théorie, une liaison FSO nécessite un émetteur, un canal de propagation et un récepteur, comme il est illustré sur la figure II.
Une liaison FSO exploite en général une paire de dispositifs émetteurs-récepteurs optiques (la figure II.3 présente un émetteur-récepteur FSO de la société LightPointe), montés sur des toits, derrière des fenêtres ou bien encore fixés sur des poteaux chacun orienté vers l’autre [19].
C’est une interconnexion sans fil de type point à point (un seul émetteur vers un seul récepteur) qui permet de faire communiquer entre eux des réseaux numériques, téléphoniques, informatiques ou vidéo (voir la figure II. 4). Chaque élément est constitué d’un émetteur et d’un récepteur qui communiquent généralement en « Full-Duplex », la communication est bidirectionnelle et simultanée [17]. Chaque équipement comporte plusieurs modules :

Éléments d’émission

– le module d’émission optique contenant soit une diode laser ou une diode électroluminescente ;
– le filtrage et l’amplification du signal numérique électrique;
– le module de conversion électrique/optique (E/O), en cas d’interface optique;
– l’interface d’affluent: électrique ou optique pour recevoir les données numériques.

Éléments de réception

– le module de réception optique contenant une photodiode;
– le filtrage et l’amplification du signal numérique électrique ;
– le module de conversion électrique/optique (E/O), en cas d’interface optique;
– l’interface d’affluent: électrique ou optique pour transmettre les données numériques [17-19].
Ce type de communication permet de créer un réseau flexible dont la topologie peut être diverse : point-à-point, point-multipoints, anneau, maillage (voir la figure II. 5).

Caractéristique des dispositifs FSO

La longueur d’onde à laquelle fonctionne un dispositif FSO est le premier paramètre à considérer. En pratique, les lasers utilisés émettent des rayonnements infrarouges situés le plus souvent dans une gamme de longueur d’onde autour de 1550 nm, car la sensibilité des photodiodes utilisées en réception est bien meilleure à 1550 nm que dans le visible ou le proche infrarouge. De plus, les faisceaux laser présentent davantage de risques pour la sécurité oculaire dans le domaine visible que pour des longueurs d’onde de l’ordre de 1550 nm. En effet, la lumière à 1550 nm est absorbée par la cornée et le cristallin et ne focalise pas sur la rétine contrairement aux faisceaux laser dans le visible et le proche infrarouge qui peuvent engendrer des dommages irréversibles sur la rétine. C’est un facteur à ne pas négliger pour une transmission optique en espace libre où la puissance optique est élevée et où le faisceau est accessible à l’utilisateur. Le simple fait de choisir des lasers à 1550 nm permet d’assurer que le système est sans danger même si la puissance du faisceau laser est importante [17]. Le tableau II.1 ci-dessous qui présente les caractéristiques de base pour des systèmes FSOs commercialisés.

Canal de transmission FSO

Le canal de propagation constitue le milieu atmosphérique. C’est un milieu très complexe et dynamique pouvant affecter les caractéristiques du faisceau laser émis. En plus, les systèmes FSO sont soumis à un certain nombre de défis liés pour la plupart aux facteurs environnementaux et plus particulièrement aux effets de l’atmosphère sur la propagation du faisceau émis. La propagation d’une onde lumineuse dans l’atmosphère est affectée principalement par la diffusion et l’absorption du rayonnement des particules et les molécules composant le milieu. Les liaisons FSO sont ainsi soumises à des contraintes pénalisantes imposées par le milieu de propagation atmosphérique qui ne constitue pas un milieu idéal de propagation en raison de la variation spatio-temporelle de ses caractéristiques physiques et de la diversité de ses constituants. Ces contraintes entraînent une extinction du signal optique au cours de sa propagation et donc une limitation de la portée. L’extinction atmosphérique est causée par un certain nombre de phénomènes sélectifs en longueurs d’onde : l’absorption moléculaire caractérisée par une forte dépendance spectrale, la diffusion moléculaire (diffusion Rayleigh), l’extinction (absorption et diffusion) par les particules en suspension (aérosols), en précipitation (pluie, neige, etc.), et la turbulence atmosphérique due aux variations spatio-temporelles de l’indice de l’air (scintillations, fluctuation spatiale du faisceau…) [20].

Les paramètres d’une liaison FSO

Avant de déployer des liaisons optiques atmosphériques, il est important de savoir leur disponibilité et leur fiabilité [17] :
– la disponibilité détermine le pourcentage de temps de leur fonctionnement dans des conditions acceptables.
– la fiabilité assure un débit d’informations par une qualité de service donnée.
À l’instar des équipements pour une liaison FSO, il est primordial de savoir le bilan de liaison et la marge brute de la liaison donnée. La connaissance de ces paramètres permet de connaître la capacité du lien laser à transmettre des données numériques malgré les variations des conditions climatiques. Les principaux paramètres à prendre en considération pour la définition des liaisons optiques atmosphériques sont les suivants : la puissance émise, la sensibilité du récepteur, la surface de détection optique du récepteur et la divergence du faisceau émis. A partir de ces données techniques, on pourra connaître la valeur de l’affaiblissement géométrique de la liaison et sa marge brute [21].

Technologie FO (Fibre Optique)

Les supports de transmission sont nombreux. Parmi ceux-ci, on distingue : les supports métalliques, non-métalliques et immatériels. Les supports métalliques, comme les paires torsadées et les câbles coaxiaux, sont les plus anciens et les plus largement utilisés ; ils transportent des courants électriques. Les supports de verre ou de plastique, comme les fibres optiques, transmettent la lumière, tandis que les supports immatériels des communications sans fil propagent des ondes électromagnétiques et sont en plein essor.
Une fibre optique est constituée d’un fil de verre très fin. Elle comprend un coeur, dans lequel se propage la lumière émise par une diode électroluminescente ou une source laser et une gaine optique dont l’indice de réfraction garantit que le signal lumineux reste dans la fibre (voir la figure II.6) [22].
Les premières fibres optiques employées dans les télécommunications, apparues sur le marché à partir des années 1970, étaient multi-modes (à saut d’indice ou à gradient d’indice, selon que l’indice de réfraction de la lumière varie de manière brutale ou progressive entre le coeur et la gaine de la fibre). Ces fibres étaient réservées (et le sont encore) aux débits inférieurs au gigabit par seconde, sur des distances de l’ordre du kilomètre. Plusieurs longueurs d’onde bien choisies se propagent simultanément en de multiples trajets dans le coeur de la fibre. Pour des débits plus élevés et des distances plus longues, la fibre monomode, de fabrication plus récente, plus fine, assure la propagation d’une seule longueur d’onde dans son coeur (quelques micromètres de diamètre) et offre donc de meilleures performances.
Les avantages de la fibre optique sont nombreux : diamètre extérieur de l’ordre de 0,1 mm, poids de quelques grammes au kilomètre. Cette réduction de taille et de poids la rend facile à utiliser. En outre, sa très grande capacité permet la transmission simultanée de nombreux canaux de télévision, de téléphone… Les points de régénération des signaux sont plus éloignés (jusqu’à 200 km), du fait de l’atténuation moindre de la lumière. Enfin, l’insensibilité des fibres aux parasites électromagnétiques est un avantage très apprécié, puisqu’une fibre supporte sans difficulté la proximité d’émetteurs radioélectriques. On peut l’utiliser dans des environnements perturbés (avec de puissants champs électromagnétiques, par exemple). Par ailleurs, elle résiste bien aux écarts de température.
La fibre optique constitue la plupart des artères des réseaux de télécommunications et des réseaux locaux à très haut débit [22].

Atténuation

L’atténuation (voir la figure II.10) correspond à la perte de puissance du signal lumineux le long de la fibre optique. Cette perte est due à des impuretés résiduelles et à des phénomènes de dispersion. L’atténuation est mesurée en (dB/km). Contrairement à la mesure en dB (affaiblissement relatif), la mesure en dBm (décibel par milliwatt) est une mesure absolue [25].

Les Différentes Fibres Optiques (FO)

La fibre optique, fabriquée en silice, se caractérise par un coeur, une gaine et un revêtement plastique en 250μm. Il existe deux types de fibres optiques : les fibres multimodes dites multimodales et les fibres monomodes dites unimodales.

FO Multimode

La fibre optique caractérisée par un coeur dans lequel plusieurs modes peuvent se propager. Le type principale est la fibre à gradient d’indice (ex. fibre 50/125μm et 62.5/125μm). La fibre multilmode est aussi nommée fibre MM.
Les fibres multimodes à saut d’indice (voir la figure II.11), ce sont les plus nombreuses grâce à leurs multiples combinaisons coeur-gaine, leur champ d’application est vaste. Le principe de fonctionnement suit exactement la loi de la réflexion totale. 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.

FO Monomode

Fibre optique dont le diamètre du coeur est faible par rapport à la longueur d’onde guidée (voir la figure II.13). Le coeur a un diamètre d’environ 9 μm. Elle est fabriquée à base de silice. Elle est aussi nommée fibre SM. Leurs performances exceptionnelles les dédient tout naturellement aux communications très longues distances. Quant à le principe de fonctionnement, un seul mode se propage, plus de problème de dispersion modale, mais l’injection de lumière est plus délicate.

Types de fibres monomodes

L’Union Internationale des Télécommunications (UIT-T) a normalisé plusieurs types de fibres monomodes pour les télécommunications (voir la figure II.14).

Fibre standard

Sous le standard G 652 de l’UIT, la fibre standard est la plus ancienne, de diamètre de coeur de 9 μm ; sa dispersion s’annule vers 1,3 μm, qui est sa longueur d’onde d’utilisation optimale, notamment dans les réseaux locaux et métropolitains à très haut débit. Mais on peut aussi l’utiliser à 1,55 μm avec des diodes laser monochromatiques (Δλ = 0.1mm) ; en l’absence d’amplificateurs optiques, la distance est limitée par l’atténuation et cette solution est satisfaisante, au moins jusqu’à des débits de 2,5 Gbit/s.

Table des matières

Sigles et abréviation
Liste des figures
Liste des tableaux
Introduction générale
Chapitre I : Généralités sur les composants optoélectroniques
I.1 Introduction
I.2 Guide d’onde optique
I.3 Systèmes de transmission optique
I.4 Emetteurs optoélectroniques
I.4.1 Principe d’un émetteur optique
I.4.2 Les sources optiques
I.4.2.1 Diode laser (DL)
I.4.2.2 Diode DEL (électroluminescentes)
I.4.3 Les fenêtres de transmission optique
I.4.4 Modulateurs optique
I.5 Amplificateur optique
I.5.1 Les différentes configurations pour des amplificateurs optiques
I.5.2 Comparaison des amplificateurs optiques
I.6 Récepteurs optoélectroniques
I.6.1 Le module de réception
I.6.2 Photo-détecteur
I.6.1.2 Photodiode PIN
I.6.1.2 Photodiode APD
I.7 Conclusion
Chapitre II : Comparaison entre les trois canaux : FSO, OWC et SMF
II.1 Introduction
II.2 Technologie FSO (Free Space Optics)
II.2.1 Principe de fonctionnement de FSO
II.2.2 Caractéristique des dispositifs FSO
II.2.3 Les avantages et les limites de FSO
II.2.4 Les applications des FSOs
II.2.5 Canal de transmission FSO
II.2.6 Les paramètres d’une liaison FSO
II.3 Technologie FO (Fibre Optique)
II.3.1 Caractéristiques de la fibre optique
II.3.2 Les avantages et inconvénients de FO
II.3.3 Notions importantes
II.3.3.1 Réflexion Totale
II.3.3.2 Ouverture Numérique (ON)
II.3.3.3 Les Modes de Propagation
II.3.3.4 La Bande Passante
II.3.3.5 Atténuation
II.3.4 Les Différentes Fibres Optiques (FO)
II.3.4.1 FO Multimode
II.3.4.2 FO Monomode
II.3.5 Types de fibres monomodes
II.3.5.1 Fibre standard
II.3.5.2 Fibre à dispersion décalée
II.3.5.3 Fibre à dispersion décalée non nulle
II.4 Technologie OWC (Optical Wireless Communication)
II.4.1 Domaines d’applications existantes
II.4.1.1 Fibre à dispersion décalée non nulle
II.4.2 Avantages
II.4.3 Inconvénients
II.5 Conclusion
Chapitre III : Résultats et Interprétations
III.1 Introduction
III.2 Performance d’une liaison optique à haute débit
III.3 Présentation du logiciel OptiSystem
III.3.1 Optiwave : un logiciel complet pour la simulation optique
III.3.2 Les principaux avantages
III.3.3 Edition et simulation
III.4 Résultats de simulation et interprétations
III.4.1 Étude et évaluation de la performance d’un système de communication optique
en utilisant différents canaux
III.4.1.1 Premier scénario
III.4.1.2 Résultats et discussions de premier scénario
III.4.1.2.1 Variation de puissance d’émission OLT
III.4.1.2.2 Variation de débit d’une liaison optique
III.4.2 Étude et évaluation de la performance d’un système de communication optique P2P en utilisant un canal SMF-FSO-SMF
III.4.2.1 Deuxième scénario
III.4.2.2 Résultats et discussions de deuxième scénario
III.5 Conclusion
Conclusion Générale
Références Bibliographiques

Mots clés : Transmission optique, FSO, OWC, SMF, BER et facteur de Qualité.

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