Fonctionnement de la fibre optique

Fonctionnement de la fibre optique

Pour guider la lumière, celle-ci comprend un cœur, où l’énergie lumineuse est confinée, et une gaine, dotée d’un indice de réfraction plus faible. Le cœur est constitué d’une silice très pure comportant un minimum d’ions hydroxyles (OH-). La gaine optique est réalisée avec une silice de moindre qualité. Des substances sont incorporées aux deux éléments afin d’en modifier les propriétés : du germanium et du phosphore dans le cœur pour augmenter son indice de réfraction, du bore et du fluor dans la gaine pour le réduire [5].

Les type de fibre optique On distingue deux type de fibre optique sont :
• Fibre optique monomode.
• Fibre optique multimode.

Fibre optique monomode C’est le faible diamètre du cœur 8 à 10 μm, du même ordre de grandeur que la longueur d’onde du signal, qui les différencie des précédentes. De ce fait, le trajet du rayon lumineux ne change pas, pour ainsi dire. Peu de rebonds, donc peu de pertes. C’est pour cette raison que ce type de fibre est le plus souvent réservé aux transmissions sur de très longues distances [6].

Fibre optique multimode Une fibre optique est un guide d’onde diélectrique circulaire qui sera très probablement multimode si le cœur : c’est-à-dire la partie centrale où se propage la lumière, a un diamètre grand devant la longueur d’onde. Ce diamètre est de l’ordre de 50 à 200 µm pour les fibres de silice, et de 0.5 à 1 mm pour les fibres plastiques. On verra qu’un mode se caractérise par sa trajectoire et par larépartition du champ électromagnétique autour de celle-ci. Insistons sur le fait que dans un guide multimode, les différents modes sont à la même longueur d’onde [7].

-Fibre optique multimode à gradient d’indice :Les fibres optiques multimode à gradient d’indice ont été spécialement conçus pour les télécommunications, afin de minimiser cet effet de dispersion intermodale sans trop réduire l’ouverture numérique, donc la puissance couplée, l’indice de leur cœur diminue suivant avec une loi d’allure parabolique depuis l’axe jusqu’à l’interface cœur-gaine. De la sorte, les rayons suivent une trajectoire d’allure sinusoïdal, et ceux ayant le trajet le plus long passant par les milieux d’indice plus faible. ce qui augment leur vitesse et permet d’égaliser approximativement les temps de propagation [8]. La fibre optique multimode à gradient d’indice a 50 à 62.5 µm de diamètre pour le cœur, 125 µm de diamètre pour le gain et sa bande passante de 100 à 1000 MHZ. On l’utilisepour liaison de long distance ou à grand débit [7] .

-Fibre optique multimode à saut d’indice :Les fibres multimodes sont à saut d’indice lorsque le rayon lumineux change de parcours brutalement [6]. La fibre optique multimode à saut d’indice a 1mm de diamètre pour le cœur, 2.2 mm de diamètre pour le gain et 25 MHZ comme bande passante. On l’utilise pour liaison jusqu’à 150 m [7] .

La dispersion dans la fibre optique Lorsqu’un signal lumineux se propage dans un milieu, il subit un élargissement dans letemps que l’on appelle la dispersion temporelle. Cet élargissement limite le débit dansun système de communication optique, car il force à augmenter le délai entre deux impulsions. Ilexiste plusieurs causes d’élargissement temporel d’une impulsion qui se propage dans un milieu dispersif. Une première cause vient du fait que pour une longueur d’onde donnée (lorsque nous considérons la propagation dans une fibre multimode), les vitesses de groupe des différents modes ne sont pas égales les unes aux autres, nous analyserons cet effet, nommé dispersion modale.

Une seconde cause de la dispersion temporelle vient du fait que l’indice  de réfraction d’un milieu dépend de la longueur d’onde et que les sources utilisées pour transmettre le signal ne sont pas purement monochromatiques (on parle alors de dispersion chromatique ou de dispersion matériau). Les différentes composantes spectrales d’une  source ont donc des temps de propagation différents, ce qui provoque l’élargissement d’une impulsion (peu importe le fait qu’elle soit guidée ou non) [9].

La dispersion chromatique La dispersion chromatique est due aux vitesses différent des diverses longueurs d’ondes présentes. En effet, aucun émetteur n’est capable de fournir un signal lumineux pur, chacun ayant une largeur de bande centrée autour de la longueur d’onde nominale. Pour deslongueur d’onde très proches, on peut considérer qu’elles forment un groupe ayant la mêmes vitesse de propagation dans le milieu d’indice n, ce qui permet d’introduire la notion d’indice de groupe, désigné par N et défini par la relation : N = n − λ dn dλ [1.1] Dans de la silice pure, on sait que n varie d’environ 0.5 % entre une longueur d’onde de 600 nm une longueur d’onde de 1000 nm. Pour un trajet d’un kilomètre, la lumière émise à 1000 nm aura donc une « avance » sur celle émise à 600 nm de 27 ns [10].

La dispersion intermodale La dispersion intermodale est uniquement dans la fibre multimode, cette dispersion est due aux écarts entre les temps de propagation de groupe entre les différents rayons compris dans l’ouverture numérique : ces rayons effectuent des chemins optiques de longueurs différentes et contribuent à l’élargissement des impulsions [11].Lorsqu’une impulsion est envoyée dans la fibre, elle se décompose selon les différents modes. Certaines composantes (modes) arrivent donc avant d’autres et l’impulsion s’étale. Dans le cas d’une fibre multi-mode à saut d’indice, seule la longueur du trajet de chaque mode varie, la vitesse de chacun des modes reste identique. Les fibres multi-mode à gradient d’indice ont précisément été développées pour répondre au problème de la dispersion modale.Puisque l’indice de réfraction n’est pas constant, la longueur du trajet et de la vitesse de propagation de chaque mode va varier. Les modes d’ordre élevé empruntent des trajets plus longs (assez éloignés de l’axe optique) où l’indice de réfraction est plus faible qu’au voisinage de l’axe optique mais avec une vitesse plus importante que les modes d’ordre moins élevés qui se propagent au voisinage de l’axe optique, donc sur des trajets plus courts mais pluslentement. La dispersion modale d’une fibre à gradient d’indice est comparativement plus faible que celle d’une fibre à saut d’indice.Dans le cas d’une fibre monomode, la dispersion modale n’existe pas (en pratique, elle est quasiment nulle). Le mode de propagation étant unique (une ligne droite), il n’y a pas de dispersion du au fait qu’un signal peut prendre plusieurs chemins différents [12].

Les avantages des fibres optiques

Les avantages de la fibre optique sont :
• La très large band passant, le multiplexage possible (en longueur d’onde) de nombreux signaux et de nombreux utilisateur sur la même fibre, permettent des système de portée (plus de 100 km entre l’émetteur et le récepteur) et de capacité (des débits de plusieurs T bit/s sont possible sur une même fibre) [13].
• Très faible atténuation, qui permet d’envisager un espacement important des points de régénération des signaux transmis. Le pas de régénération est supérieur à 10 km, par contre au câble coaxial est de 2 à 3 Km [14].
• Le faible poids, la très petite taille, la grand souplesse des fibres, appréciable aussi bien en télécommunication que pour le câblage en aéronautique, informatique, médecine, production, industrielle, domotique, etc [13].
• la sécurité électrique (isolation totale entre terminaux, utilisation possible en ambiance explosif, sous sensible aux parasites et n’en crée pas elle-même) [13].
• Résistance à conditions environnementales adverses. Moins d’influence des liquides corrosifs, gaz et variations de température [14].
• Transmission Sécurisée : La fibre ne perd pas de lumière, donc la transmission est également sécurisée et ne peut pas être perturbée [15].
• Taille : En comparaison du cuivre, un câble de fibres optique a presque 4.5 fois plus petit que le câble coaxial [16].
• Flexibilité : Une fibre optique a la force de tension plus grande que les fibres de cuivre ou d’acier du même diamètre. Il est plus flexible, Il peut être tordu plus facilement et résiste à la plupart des éléments corrosifs que le câble de cuivre ne peut pas y résister [16].

Les inconvénients des fibres optiques

Les inconvénients de la fibre optique sont:
• Prix : Même si la matière première pour fabriquer des fibres optiques est abondante et pas chère, les fibres optiques sont encore plus chères par mètre que le cuivre. Une fibre peut transporter beaucoup plus de signaux qu’un seul câble en cuivre et la transmission à large distance signifie que moins de répéteurs coûteux sont requis [15].
• Fragilité : les câbles à fibre optique sont plus fragiles que les fils électriques.
• Transmission : La transmission du signal dans les câbles de fibre optique doit se répéter au long d’une certaine distance grâce a des appareils amplificateurs mais demande beaucoup moins de répétitions que les câbles de cuivre [16].
• Protection : Les Fibres Optiques exigent plus de protection autour du câble comparé au cuivre [16].

Multiplexage DWDM (Dense WDM)

Le multiplexage par répartition en longueur d’onde (Dense WDM) augmente la capacité de la fibre incorporée en affectant d’abord les signaux optiques entrants à une longueur d’onde spécifique dans une bande de fréquence désignée, puis les signaux résultants seront multiplexés sur une seule fibre [40]. DWDM prend en charge jusqu’à 80 canaux de longueur d’onde simultanés, chacun des canaux étant distant de seulement 0,8 nm [41], cette technique est fortement utilisée dans les cœurs de réseau, et appeler dense lorsque le nombre de longueur d’onde devient très grand [42], et aussi lorsque l’espacement utilisé est égal ou inférieur à 100 GHz c’est-à-dire un espacement de 0.8 nm (ou plus de 16 canaux sont utilisés) [43]. Tant que les systèmes à 50 GHz (0,4 nm) et à 25 GHz (0,2 nm) permettent d’obtenir respectivement 80 et 160 canaux optiques. Actuellement on utilise des canaux espacés de 100 GHz (0,8 nm), ce qui permet de compter environ 40 longueurs d’onde dans la bande C. Ce système se caractérise par sa fiabilité de performance et permet une augmentation facile du réseau, car il suffit d’ajouter une nouvelle longueur d’onde en connectant un nouveau transmetteur et récepteur aux extrémités de la liaison [36].

Applications de technique DWDM

Deux applications évidentes sont déjà utilisées : les câbles sous-marins et l’allongement de la durée de vie des câbles là où toutes les fibres sont utilisées. Pour les câbles sous-marins, DWDM améliore la capacité sans ajouter de fibres, ce qui crée des câbles plus gros et des répétiteurs plus encombrants et plus compliqués. L’ajout de service dans les zones où les câbles sont maintenant pleins est une autre bonne application. Mais cette technologie peut aussi réduire le coût de toutes les liaisons de communications interurbaines terrestres et les nouvelles technologies peuvent conduire à de nouvelles architectures de réseaux [44].

Multiplexage CWDM

Le multiplexage par répartition en longueur d’onde grossière (Coarse WDM) est une technologie de multiplexage en longueur d’onde pour les réseaux urbains et d’accès [47]. La transmission est réalisée en utilisant 18 canaux avec des longueurs d’onde comprises entre 1270 nm et 1610 nm, et 8 canaux pour des longueurs d’onde allant de 1470 à 1610 nm [39].Les longueur d’onde possèdent un espacement de 20 nm, et par conséquent ne peuvent pas se chevaucher les uns avec les autres [48], cet espacement spectral représente une des solutions bas coût envisagée pour les réseaux d’accès optiques [49]. La largeur du canal lui-même est de 13 nm, les 7 nm restants sont conçus pour sécuriser l’espace au prochain canal [47]. Cette technologie permet d’utiliser des lasers non refroidis et beaucoup moins précis ainsi que des AWG (American Wire Gauge) également non contrôlés en température [49], comme elle offre une solution pratique et économique pour des distances inférieures à 70 kilomètres, et pour les distances entre 40 et 70 kilomètres, CWDM a tendance à se limiter à supporter huit canaux [41] .

Composants des systèmes de multiplexage en optique

Multiplexeur/Démultiplexeur Le multiplexeur combine plusieurs longueurs d’onde, coté TX, pour une transmission sur une seule fibre optique de tous les signaux, le démultiplexeur opère la fonction inverse, coté RX. Leur première utilisation a été d’augmenter la capacité de transmission sur une fibre optique. Ils servent de point d’entrée sur le réseau optique et incluront des fonctions «add/drop» de longueurs d’onde et des fonctions de commutation optique « optical cross connect», la fonction commutation optique est au stade du laboratoire.La possibilité de commuter une longueur d’onde est fondamentale pour optimiser la capacité et l’efficacité des réseaux optiques, on s’oriente donc vers des commutateurs optiques possédant des fonctionnalités équivalentes aux commutateurs électriques en commutant une longueur d’onde sur un certain nombre de ports physiques [31].

Amplificateurs de ligne (Optical Line Amplifier (OLA)) Il consiste à réaliser en ligne une amplification de l’ensemble du spectre optique. Toutes les longueurs d’ondes du spectre se trouvent ainsi réamplifiées sans avoir besoin de démodulation individuelle. Les gains des amplificateurs optiques varient entre 20 et 30 dB, ce qui permet de récompenser les pertes de la liaison sur des distances de l’ordre de 100 km. Le schéma suivant reproduit le fonctionnement d’un amplificateur de ligne d’un terminal A à un terminal B [51].

Un répéteur de ligne intermédiaire Il est placé environ tous les 80 – 100 km pour compenser la perte de puissance optique, tandis que le signal se déplace le long de la fibre. Le signal est amplifié par un EDFA, qui consiste généralement en plusieurs étages d’amplification [40].

Connexion croisée optique (OXC) OXC commute les signaux optiques des ports d’entrée aux ports de sortie. Ce type d’éléments est généralement considéré comme insensible à la longueur d’onde, c’est-à dire qu’il est incapable de démultiplexeur différents signaux de longueur d’onde sur une fibre d’entrée donnée. OXC est situé sur des nœuds connectant plusieurs paires de fibres et prenant en charge l’ajout et la suppression de trafic local fournissant l’interface avec la couche de service [40].

Multiplexeur d’insertion-extraction optique OADM Le multiplexeur optique add-drop (Optical Add-Drop Multiplexer(OADM)) est utilisé dans les systèmes de multiplexage par répartition en longueur d’onde pour le multiplexage et l’acheminement de différents canaux de lumière dans ou hors d’une fibre monomode. Il s’agit d’un type de nœud optique, qui est généralement utilisé pour la construction de réseaux de télécommunications optiques [52]. C’est le sous-système optique qui facilite l’évolution du réseau optique point à point à longueur d’onde unique versles réseaux multiplexés par répartition en longueur d’onde [40]. Un OADM peut être considéré comme un type spécifique d’armoire de raccordement transversal [52].

Régénérateurs électriques (REG) Un REG met en œuvre la fonction 3R (reshaping/re-timing/regenerating), c’est-à-dire remodeler, resynchroniser et régénérer, afin d’améliorer la qualité du signal et étendre la distance de transmission. Une station REG contient :
• Unité de transpondeur optique (OTU).
• Multiplexeur optique (OM)- Démultiplexeur optique (OD).
• Amplificateur optique (OA) Unité de canal de supervision optique (OSC).
• L’unité d’interface de la fibre (FIU) .

Table des matières

Remerciement
Sommaire
Listes des figures
Liste des tableaux
Introduction générale
Chapitre 1 : Étude d’une liaison par fibre optique
1.1 Introduction
1.2. Définition d’une liaison par fibre optique
1.3 Canal de transmission
1.3.1 La définition de fibre optique
1.3.2 Constitution d’une fibre optique
1.3.3 Fonctionnement de la fibre optique
1.3.4 Les type de fibre optique
1.3.4.1 Fibre optique monomode
1.3.4.2 Fibre optique multimode
1.3.4.2.1 Fibre optique multimode à gradient d’indice
1.3.4.2.2 Fibre optique multimode à saut d’indice
1.3.5 La dispersion dans la fibre optique
1.3.5.1 La dispersion chromatique
1.3.5.2 La dispersion intermodale
1.3.6 Les avantages des fibres optiques
1.3.7 Les inconvénients des fibres optiques
1.4 Emetteur
1.4.1 Source optique
1.4.2 Diode laser LD
1.4.3 Diode électroluminescente LED
1.4.4 La déférence entre la diode DL et la diode LED
1.4.5 La modulation
1.4. 5.1 La modulation directe
1.4.5.2 La modulation externe
1.4.5.3 Comparaison entre modulation directe et modulation externe
1.4.6 Format de modulation
1.4.6.1 Format RZ (Return-to-Zero)
1.4.6.2 Format NRZ (Non Return-to-Zero)
1.5 Le récepteur optique
1.5.1 Photodiode
1.5.2 Principe de fonctionnement de photodiode
1.5.3 Photodiode APD (Avalanche Photo Diode)
1.5.4 Photodiode PIN
1.6 Conclusion
Chapitre 2 : Technique de multiplexage en optique
2.1 Introduction
2.2 Définition de technique du multiplexage en optique
2.3 Fonctionnement de système dumultiplexage en optique
2.4 Sens de transmission des systèmes du multiplexage
2.4.1 Système monodirectionnel
2.4.2 Système bidirectionnel
2.5 Multiplexage en longueur d’onde WDM
2.6 L’apport du WDM
2.7 Les moteurs technologiques de l’évolution des systèmes WDM 
2.7.1 Augmentation du débit par canal
2.7.2 Augmentation du nombre de canaux
2.8 Multiplexage DWDM (Dense WDM)
2.9 Applications de technique DWDM
2.10 Multiplexage UDWDM (Ultra DWDM)
2.11 Multiplexage CWDM
2.12 Applications de technique CWDM
2.13 Comparaison entre les techniques de multiplexage
2.14 Composants des systèmes de multiplexage en optique
2.14.1 Multiplexeur/Démultiplexeur
Sommaire
2.14.2 Amplificateurs de ligne (Optical Line Amplifier (OLA))
2.14.3 Un répéteur de ligne intermédiaire
2.14.4 Connexion croisée optique (OXC)
2.14.5 Multiplexeur d’insertion-extraction optique OADM
2.14.6 Régénérateurs électriques (REG)
2.15 Conclusion
Chapitre 3 :Etude d’un système DWDM à modulation directe
3.1 Introduction
3.2 présentation du logiciel de simulation OptiSystem
3.2.1 Interface de l’OptiSystem
3.2.2 La bibliothèque
3.2.3 Editeur du layout.
3.2.4 Paramètres et caractéristiques des composants de la bibliothèque
3.3 Application d’OptiSystem
3.4 Etude d’un système DWDM à fibre optique SMF-28 à 32 canaux 
3.4.1 Performance du liaison
3.4.2 Diagramme de l’œil
3.4.3 Facteur de qualité
3.4.4 Taux d’erreurs binaires
3.5 Système DWDM à fibre optique Metro-Core à 32 canaux
3.6 Performance du liaison
3.7 Conclusion
Conclusion général
Liste des acronymes
Références bibliographiques
Résumé

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