Etude d’une liaison Radio sur Fibre

Diode Laser (DL)

Depuis le début des télécommunications par fibre optique, le choix des sources optiques s’est porté sur les émetteurs à semi-conducteur à cause de leurs petites dimensions en rapport avec celles du coeur des fibres optiques, de la relative facilité que l’on a à moduler directement la lumière émise en agissant sur le courant, de leur spectre optique relativement étroit et de leur faible consommation énergétique. Ainsi la diode laser est la source la mieux adaptée pour les télécommunications optiques car elle permet d’avoir la meilleure efficacité de couplage optique avec la fibre.

Le mot laser, sigle de l’expression anglaise Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, signifie amplification de lumière par émission stimulée de rayonnement. L’effet laser ne fut démontré qu’en 1960 par Mainman en utilisant un barreau de rubis. Deux notions peuvent résumer cet effet : amplification et contre-réaction.
 L’émission stimulée : Un laser est un dispositif qui émet de la lumière grâce au phénomène d’émission stimulée. En effet, dans un semi-conducteur, un électron peut passer d’un état à un autre de trois façons (Figure 1.7(b)).
 L’absorption : En absorbant un photon, l’électron peut être amené dans un état plus énergétique. Il passe de l’état lié (électron et trou combinés) à l’état ionisé (électron dans la bande de conduction et trou dans la bande de valence).
 L’émission stimulée : Frappé par un photon, l’électron peut retomber dans l’état le moins énergétique (état lié) en émettant un photon stimulé dont le rayonnement correspond à la même longueur d’onde, la même phase, le même état de polarisation et la même directivité spatiale que le photon incident. On parle alors de lumière cohérente. Avec l’émission stimulée s’introduit la notion de gain ou d’amplification du rayonnement incident puisque, à partir d’un photon, on en obtient deux.

Le phénomène d’inversion de population est une étape nécessaire dans le fonctionnement d’un laser.

Il faut donc créer une situation hors équilibre en apportant de l’énergie au système des atomes via un pompage dont l’objectif est d’amener suffisamment d’atomes sur le niveau du haut. Comme tout laser, une diode laser fonctionne à l’aide d’un milieu amplificateur (amplification dans les semi-conducteurs par émission stimulée), d’une structure résonante (cavité de Fabry-Pérot ou autre types) et d’un processus de pompage (courant électrique).

Définition d’une fibre optique

Une fibre optique est un fil en verre ou en plastique très fin qui a la propriété d’être un conducteur de lumière et sert dans la transmission de données par la lumière. Elle offre un débit d’information nettement supérieur à celui des câbles coaxiaux et peut servir de support à un réseau « large bande » par lequel transitent aussi bien la télévision, le téléphone, la visioconférence ou les données informatiques. Le principe de la fibre optique a été développé au cours des années 1970 dans les laboratoires de l’entreprise américaine Corning Glass Works (actuelle Corning Incorporated).

Entourée d’une gaine protectrice, la fibre optique peut être utilisée pour conduire de la lumière entre deux lieux distants de plusieurs centaines, voire milliers, de kilomètres. Le signal lumineux codé par une variation d’intensité est capable de transmettre une grande quantité d’information. En permettant les communications à très longue distance et à des débits jusqu’alors impossibles, les fibres optiques ont constitué l’un des éléments clés de la révolution des télécommunications. Ses propriétés sont également exploitées dans le domaine des capteurs (température, pression, etc.), dans l’imagerie et dans l’éclairage.

D’une manière générale, le câble à fibre optique a trois éléments principaux, entre autres :

Le coeur : Est un milieu dans lequel une quantité d’énergie lumineuse véhiculée au sein de la fibre sera confiné au voisinage du centre dont l’indice de réfraction est dans laquelle se propage la lumière.

La gaine : Elle est la partie qui enveloppe le coeur dont la réfraction est plus faible.

Le fourreau (revêtements) : Aussi appelé la gaine protectrice, assure à son tour la protection mécanique et chimique adéquate à la fibre optique.

Durée de vie d’un câble à fibre optique

La durée de vie d’un tel conducteur est estimée à au moins 20 ans. Le signal électrique à transmettre, est transformé en signal lumineux à l’aide d’un émetteur. L’émetteur utilise une LED (Light Emitting diode) diode électro luminescente ou un laser pour produire la lumière.

Avantages et inconvénients de la fibre optique

La fibre ne connait pas beaucoup de points négatifs. Son principal inconvénient demeure son prix. La connectique et les travaux représentent un investissement conséquent dans le cadre du déploiement de la fibre optique mais offres de nombreux avantages pour les télécommunications :
 La perte de signal sur une longue distance est très faible.
 Les débits sont très élevés et symétriques
 La fibre optique est insensible aux perturbations radioélectriques. Vous ne risquez donc pas, par exemple, de voir votre image TV brouillée par temps de pluie.
 L’entretien de la fibre est moins couteux que certains autres types de câblages.
 La rentabilité de la fibre est un autre avantage : le réseau fibre optique a un cycle de vie de 20 ans. Le seuil de rentabilité moyen est de 2 à 5 ans.

Principe de fonctionnement de la fibre optique

La fibre optique est un guide d’onde qui exploite les propriétés réfractrices de la lumière. Elle est habituellement constituée d’un coeur entouré d’une gaine. Le coeur de la fibre a un indice de réfraction légèrement plus élevé (différence de quelques millièmes) que la gaine et peut donc confiner la lumière qui se trouve entièrement réfléchie de multiples fois à l’interface entre les deux matériaux (en raison du phénomène de réflexion totale interne). L’ensemble est généralement recouvert d’une gaine plastique de protection.

Lorsqu’un rayon lumineux entre dans une fibre optique à l’une de ses extrémités avec un angle adéquat, il subit de multiples réflexions totales internes. Ce rayon se propage alors jusqu’à l’autre extrémité de la fibre optique sans perte, en empruntant un parcours en zigzag. La propagation de la lumière dans la fibre peut se faire avec très peu de pertes même lorsque la fibre est courbée.

Une fibre optique est souvent décrite selon deux paramètres :
La différence d’indice normalisé, qui donne une mesure du saut d’indice entre le coeur et la gaine : est l’indice de réfraction du coeur, et celui de la gaine.

Différents types de fibres optiques

Les fibres optiques peuvent être classées en deux catégories selon le diamètre de leur coeur et la longueur d’onde utilisée :
 Fibres optique monomode.
 Fibre optique multimode.

Fibre optique multimode

Les fibres multimodes ont été les premières sur le marché permet la propagation de plusieurs modes (plusieurs trajets ou plusieurs faisceaux). Elle autorise jusqu’à 680 modes pour λ = 850 nm. En conséquence, elles sont utilisées uniquement pour des bas débits ou de courtes distances. Il existe deux familles pour la fibre optique multimode :

Fibre optique multimode a saut d’indice

La fibre multimode à saut d’indice est la fibre la plus ordinaire. C’est ce type de fibre qui est utilisé dans les réseaux locaux de type LAN. Etant donné que la fibre à saut d’indice est multimode, il existe plusieurs modes de propagation de la lumière au sein de son coeur de silice.

Il existe dans cette fibre une très grande variation entre l’indice de réfraction du coeur et de la gaine optique.

C’est pour cela que les rayons lumineux se propagent par réflexion totale interne en « dent de scie ».

La fibre à saut d’indice possède un coeur très large.

L’atténuation sur ce type de fibre est très importante comme on peut le voir sur la différence des impulsions d’entrée et de sortie. Le débit est d’environ 100Mb/s avec une portée maximale de 2km et un affaiblissement de 10dB/km.

Fibre optique multimode a gradient d’indice

La fibre multimode à gradient d’indice est elle aussi utilisée dans les réseaux locaux. C’est une fibre multimode, donc plusieurs modes de propagation coexistent. A la différence de la fibre à saut d’indice, il n’y a pas de grande différence d’indice de réfraction entre coeur et gaine.
Cependant, le coeur des fibres à gradient d’indice est constitué de plusieurs couches de matière ayant un indice de réfraction de plus en plus élevé.
Ces différentes couches de silice de densités multiples influent sur la direction des rayons lumineux, qui ont une forme elliptique.
La fibre à gradient d’indice possède un coeur de taille intermédiaire.
L’atténuation sur ce type de fibre est moins importante que sur les fibres à saut d’indice.
Débit : environ 1 Gbit/s.
Portée maximale : environ 2 Km.
Affaiblissement : 10 dB/Km.

Fibre optique monomode

La fibre monomode est la meilleure fibre existante à l’heure actuelle. C’est ce type de fibre qui est utilisé dans les coeurs de réseaux mondiaux.
Un seul mode de propagation de la lumière existe : c’est le mode en ligne droite.
La fibre monomode possède un coeur très fin, de la taille d’un cheveu !
L’atténuation sur ce type de fibre est quasi nulle, c’est ce qui en fait sa force.
Débit : environ 100 Gbit/s.
Portée maximale : environ 100 Km.
Affaiblissement : 0,5 dB/Km.

Comparaison entre les différents types de fibres optiques

Etant donné qu’il a différentes structures de fibres, elles ont par conséquent des capacités et des caractéristiques différentes.

Amplificateurs à fibre dopée Erbium (EDFA)

En optique un amplificateur est un dispositif qui amplifie un signal lumineux sans avoir à le convertir en signal électrique, il est nécessaire de placer un amplificateur tous les 100Km, un EDFA permet de le faire.
Un EDFA fonctionne à la maniéré d’un laser, une fibre optique est dopée et est pompée optiquement afin de placer les ions dans l’état excité. Lorsqu’un signal lumineux passe par ce morceau de fibre optique il excite les ions par effet laser en produisant un autre photon en tout point identique au photon incident, le signal lumineux est donc doublé. La figure 1.16 montre un amplificateur optique dopé à l’erbium.
Le signal et la pompe sont multiplexés en longueur d’onde afin de minimiser les pertes.
Il est préférable d’ajouter deux isolateurs un à l’entrée et l’autre à la sortie d’un amplificateur dopée à l’erbium, pour que la lumière passe dans un sens afin d’éviter toutes les réflexions qui créent une cavité, osciller le dispositif et le transformer en laser.

Pour réduire encore les pertes aux raccordements avec les fibres de ligne, une section de fibres adaptatrices est utilisée, ceci permet d’augmenter la densité de puissance de l’onde pompe, donc le gain et le rendement.
On trouve à la sortie un filtre optique, destiné à éliminer les résidus de l’onde pompe et réduire l’émission spontanée amplifiée, ainsi qu’une photodiode permettant de contrôler automatiquement le gain. Un amplificateur EDFA permet d’obtenir des gains supérieurs à 28 dB avec des fortes puissances (> 20 dBm).

Les amplificateurs Raman

Avec l’accroissement des canaux dans la fibre, la bande spectrale offerte par les amplificateurs optiques a fibre dopée a l’erbium, limitée au maximum à 40nm, peut s’avérer être un facteur pénalisant. Ce constat a relancé les études sur de nouvelles méthodes permettant l’augmentation de la bande spectrale.
De nouveaux amplificateurs optiques tels que les amplificateurs Raman prennent une part non négligeable dans les systèmes de télécommunications. Ils sont basés sur le principe de la diffusion de Raman, qui est un effet non linéaire a deux photons dans lequel un photon de pompe est absorbé et un photon de plus faible énergie est émis en même temps qu’un photon.
Ce phénomène peut être spontané, s’il n’y a pas de photon signal, ou stimulé par la présence d’un photon signal. Ainsi, dans le cas de l’amplificateur Raman, l’onde incidente, dite onde de pompe, stimulée par l’onde signal, va créer une autre onde signal, et un photon.

L’amplification est alors réalisée

Comme pour les autres amplificateurs optiques, celui-ci a besoin d’une source externe, une source optique. Des lasers YAG sont les plus souvent utilisés dans ce cas, en émettant une longueur d’onde inférieure à celle du signal. L’avantage principal de ces lasers est qu’ils sont accordables sur une très grande plage de longueurs d’onde.
Le gain obtenu peut atteindre quelques dizaines de décibels, mais une saturation qui s’accompagne d’une forte dégradation du rapport signal sur bruit (l’émission spontanée continuant à être amplifiée) peut apparaitre. La limite en puissance est due à la génération d’une onde autre que l’onde signal lors de la diffusion Raman.

Table des matières

Remerciements
Table des matières
Liste des figures
Introduction générale
Chapitre 1 : Etude d’une liaison par fibre optique
1.1 Introduction
1.2. Historique de la fibre optique
1.3. Système de transmission par fibre optique
1.4 Emetteurs optique
1.4.1 Spectre électromagnétiques
1.4.2 Diodes électroluminescente (DEL)
1.4.2.1 Principe de fonctionnement
1.4.2.2 Jonction P.N
1.4.3 Diode Laser (DL)
1.5 Définition d’une fibre optique
1.5.1 Durée de vie d’un câble à fibre optique
1.5.2 Avantages et inconvénients de la fibre optique
1.5.3 Principe de fonctionnement de la fibre optique
1.5.4 L’ouverture numérique
1.5.5 Différents types de fibres optiques
1.5.5.1 Fibre optique multimode
1.5.5.1.1 Fibre optique multimode a saut d’indice
1.5.5.1.2 Fibre optique multimode a gradient d’indice
1.5.5.2 Fibre optique monomode
1.5.5.3 Comparaison entre les différents types de fibres optiques
1.6 L’atténuation
1.7 Généralités sur l’amplification optique
1.7.1 Amplificateurs à fibre dopée Erbium (EDFA)
1.7.2 Les amplificateurs Raman
1.8 La dispersion dans la fibre optique
1.8.1 Dispersion modale
1.8.2 Dispersion chromatique
1.8.3 Dispersion de polarisation
1.9 Techniques de modulation
1.9.1 La modulation directe
1.9.2 La modulation externe
1.9.3 Modulateur de Mach-Zehnder
1.9.4 Modulation de phase
1.9.5 Modulation d’amplitude
1.10 Réception optique
1.10.1 Le photodétecteur
1.10.2 Les photodiodes PIN
1.10.3 Les photodiodes à avalanche (PDA)
1.11 Conclusion
Chapitre 2 : Etude d’une liaison Radio sur Fibre
2.1 Introduction
2.2 Principe de la technologie Radio sur fibre
2.3.1 Avantages des systèmes RoF
2.3.2 Limitations des systèmes RoF
2.3.3 Applications des systèmes RoF
2.3.4. Modulation d’intensité optique-détection directe IM-DD
2.3.5. Génération photonique des signaux millimétriques
2.4 Présentation du logiciel OptiSystem
2.4.1 Principales caractéristiques du logiciel OptiSystem
2.4.2 Applications du logiciel OptiSystem
2.4.3 Avantage du logiciel OptiSystem
2.4.4 Présentation de la liaison
2.5.1 Partie émission optique
2.5.2 Partie réception optique
2.5.3 Partie émission RF
2.5.4 Partie réception RF
2.6 Critères de qualité d’une transmission
2.6.1 Le taux d’erreur binaire
2.6.2 Le facteur de qualité
2.6.3 Le diagramme de l’oeil
2.7 Résultats de simulation
2.7.1 Les signaux émis par émetteur RF
2.7.2 Les signaux reçus par récepteur RF
2.7.3 Les signaux émis par émetteur optique
2.7.4 Les signaux reçus par récepteur optique
2.7.5 Diagramme de l’oeil des récepteur RF et optique
2.8 Conclusion
Chapitre 3 : Liaison WDM Radio sur Fibre
3.1 Introduction
3.2 La technologie WDM
3.3.1 Principe de multiplexage en longueur d’onde
3.3.2 Les composants d’un réseau WDM
3.3.3 Notion de circuit optique
3.3.4 Les systèmes WDM
3.3.5 Les apports du WDM
3.4 Présentation de la liaison
3.4.1 Partie émission optique
3.4.2 Partie réception optique
3.4.3 Partie émission RF
3.4.4 Partie réception RF
3.5 Résultats de simulation
3.5.1 Les signaux émis par émetteur RF
3.5.2 Les signaux reçus par récepteur RF
3.5.3 Les signaux émis par émetteur optique
3.5.4 Les signaux reçus par récepteur optique
3.5.5 Diagramme de l’oeil
3.6 Conclusion
Conclusion générale
Liste des abréviations
Référence bibliographique

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