Problèmes rencontrés dans la transmission par fibre optique

Face à la croissance considérable des nouvelles technologies, du trafic électronique et de l’avènement de l’internet, le domaine de télécommunication d’aujourd’hui vise toujours à restituer l’information émise sans perte et sans altération et à transmettre un maximum d’information à une distance la plus grande que possible avec un débit aussi élevé. Ceci nécessite un système de communication plus performant et fiable qui répond aux besoins des utilisateurs surtout en terme qualité de service. L’optique est le domaine de la physique le plus apte à concevoir les schémas de transport d’information sur des longues distances et à débit très élevé. Ainsi la technologie actuelle s’oriente vers la communication optique. De plus, par rapport aux autres supports de transmission existants, la fibre optique présente une atténuation faible et quasiment constante sur une énorme plage de fréquences et offre ainsi l’avantage de bandes passantes gigantesques, permettant d’envisager la transmission de débits numériques très importants. Pourtant, l’augmentation de débit nécessite inévitablement l’utilisation d’impulsions lumineuses très brèves qui ne peuvent se propager de façon stable qu’en injectant de forte puissance dans la fibre. La propagation de cette impulsion ultra courte accentue l’effet linéaire et l’effet non linéaire dans la fibre optique.

GENERALITES SUR LA FIBRE OPTIQUE

Description de la fibre optique

La fibre optique est un guide d’onde optique à symétrie circulaire. Elle est constituée par deux ou plusieurs couches de matériaux diélectriques transparents. Ces couches possèdent des indices de réfraction différents, ce qui assure le confinement de rayon lumineux à son intérieur. La fibre optique comprend en général :
− la couche centrale ou le cœur. C’est dans cette couche où se propage la lumière,
− la couche périphérique ou la gaine ayant un indice de réfraction inférieur à celui du cœur
− la couche protectrice ou le revêtement plastique qui entourent les couches centrale et périphérique. Elle sert à protéger la fibre mécaniquement et à piéger la lumière qui se propage dans la gaine.

Propagation de la lumière dans la fibre optique

Spectre de la lumière

A part du fait que la lumière est une particule c’est-à-dire un photon, elle possède aussi la nature ondulatoire. La lumière est alors une onde et à chaque couleur correspond une longueur d’onde. Le spectre de la lumière visible contient toutes les radiations auxquelles l’œil humain est sensible. Les longueurs d’onde visible s’étendent de 400nm pour le violet à 750nm pour le rouge. Le rayon ultra violet, les rayons X et les rayons gamma se trouvent dans les longueurs d’ondes inférieures à 400nm tandis que celles qui sont supérieurs à 750nm correspondent aux rayons infrarouges. C’est dans ces domaines de l’infrarouge que se situent les longueurs d’onde utilisées pour les fibres optiques.

Propriété optique de l’onde lumineuse

Phénomènes de réflexion et de réfraction

La technologie des fibres optiques s’inspire au principe physique majeur appelé : « la réflexion totale interne». Ceci découle des propriétés optiques de l’onde lumineuse qui sont la réfraction et la réflexion. Lorsqu’un rayon lumineux monochromatique se propage dans un milieu transparent d’indice n1, à son arrivée sur un dioptre qui sépare le milieu incident du milieu d’indice n2, une partie de son énergie traverse le dioptre: rayons réfractés alors qu’une autre partie se réfléchit: rayons réfléchis.

Principe d’une liaison WDM/DWDM

La technologie WDM est dite dense ou DWDM (Dense WDM) lorsque la séparation des canaux entre longueurs d’onde voisines est inférieure à 2nm. La technologie WDM / DWDM multiplie la capacité de transfert d’informations d’une fibre par le nombre de longueurs d’onde qu’elle transporte. Les systèmes WDM / DWDM commercialisés actuellement comportent 4, 8, 16, 32, 80, 160 canaux optiques, ce qui permet d’atteindre des capacités de 10, 20, 40, 80, 200, 400 Gbits/s en prenant un débit nominal de 2,5 Gbits/s et de quatre fois plus avec un débit nominal de 10 Gbits/s. Elle est constituée d’un composant clé qui est l’EDFA ou Erbium Doped silica based Fibre Amplifier. Cet amplificateur est utilisé pour compenser les pertes d’insertion dues au multiplexage et au démultiplexage des longueurs d’ondes. Le DWDM introduit des phénomènes non linéaires qui ont notamment pour conséquence de limiter en pratique la distance entre amplificateurs autour de 50 et 100 km.

Liaison par fibre optique

La liaison par fibre optique doit comporter essentiellement :
• Le codeur qui adapte l’information numérique à transmettre (détection d’erreur, modulation numérique).
• Le module d’émission qui transforme les signaux logiques en impulsions de courant d’injection.
• L’émetteur qui convertit les impulsions de courant en puissance lumineuse envoyée à l’entrée de la fibre optique.
• La fibre optique qui guide l’onde lumineuse.
• Le récepteur qui reçoit la puissance lumineuse et la transforme en impulsions de courant (photodiode).
• Le module de réception qui transforme les impulsions de courant en signaux logiques et élimine les distorsions dues à la propagation.
• Le décodeur qui reconstitue l’information numérique (démodulation et détection d’erreur).

Avantages et inconvénients

Les avantages de la fibre optique sont nombreux mais l’avantage décisif n’est pas toujours le même suivant l’utilisation envisagée.
• Performances de transmission : très faible atténuation, très grande bande passante, multiplexage possible de plusieurs signaux pour plusieurs utilisateurs qui permettent aux systèmes une portée très longue, une capacité grande et un débit élevé.
• Avantages de mise en œuvre : ses caractères comme le faible poids, la très petite taille, le faible encombrement et la grande souplesse mettent la fibre optique appréciable en télécommunication.
• Sécurités électriques: il y a isolation totale entre terminaux, utilisation possible en ambiance explosive, sous fortes tensions.
• Immunité électromagnétique et faible sensibilité aux facteurs extérieurs : la fibre n’est pas sensible aux parasites, aux ondes électromagnétiques, à la température et à l’humidité.
• Avantage économique : à cause de sa mise en œuvre surtout aux niveaux de raccordement devenu moins en moins complexe, et face à sa performance, on peut dire que la fibre optique a un coût global inférieur à celui d’autres systèmes. Pourtant, elle présente des inconvénients telle que :
• Les difficultés d’adaptation avec les transducteurs optoélectroniques
• Les exigences micromécaniques importantes comme la connexion et l’alignement
• Les effets linéaires et non linéaires .

Domaines d’utilisation

La fibre optique est appliquée surtout en télécommunication mais elle connaît aussi un grand nombre d’applications industrielles et médicales :

• En télécommunication : les liaisons urbaines, les liaisons sous marines, les liaisons terrestres régionales, nationales et internationales par fibre optique connaissent un fort développement.
• Vidéocommunication : on utilise la fibre optique dans l’application vidéo
• Liaisons et réseaux de données : la fibre optique est appliquée aussi en informatique, dans des réseaux locaux, dans des sections de réseaux en anneau et elle peut constituer aussi des réseaux multiterminaux.
• Liaisons industrielles : télémesure, télécommande, surveillance vidéo et bus de terrain
• Capteurs et instrumentation : l’instrumentation et les capteurs utilisent la fibre optique
• Transport de lumière : éclairage, visualisation, endoscopie, transport de faisceaux laser pour l’industrie, la mesure et la médecine.

On a appris dans ce chapitre les caractéristiques de l’onde lumineuse et de la fibre optique ainsi que sa propagation. On a parlé aussi des types de fibre optique avec les différentes techniques d’accès et le mode de la liaison par fibre. Et on a terminé le chapitre en citant les avantages et inconvénients de la fibre optique suivi de leur domaine d’application.

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Table des matières

NOTATIONS ET ABREVIATIONS
INTRODUCTION
CHAPITRE 1 GENERALITES SUR LA FIBRE OPTIQUE
1.1 Introduction
1.2 Description de la fibre optique
1.3 Propagation de la lumière dans la fibre optique
1.3.1 Spectre de la lumière
1.3.2 Propriété optique de l’onde lumineuse
1.3.2.1 Phénomènes de réflexion et de réfraction
1.3.2.2 Loi de Snell-Descartes
1.3.2.3 Angle limite et réflexion totale
1.3.3 Propagation guidée
1.3.4 Ouverture numérique et fréquence normalisée
1.4 Types de fibre optique
1.4.1 Fibre multimode
1.4.1.1 Fibre multimode à saut d’indice
1.4.1.2 Fibre multimode à gradient d’indice
1.4.2 Fibre monomode
1.5 Techniques d’accès
1.5.1 Multiplexage temporel TDM
1.5.2 Principe de WDM
1.5.3 Principe d’une liaison WDM/DWDM
1.6 Liaison par fibre optique
1.7 Avantages et inconvénients
1.8 Domaines d’utilisation
1.9 Conclusion
CHAPITRE 2 PROBLEMES RENCONTRES DANS LA TRANSMISSION PAR FIBRE OPTIQUE
2.1 Introduction
2.2 Effets de la propagation linéaire
2.2.1 Evolution linéaire de l’enveloppe du champ électrique
2.2.2 Les pertes optiques
2.2.2.1 Atténuation intrinsèque
2.2.2.2 Pertes extrinsèques
2.2.3 Dispersion
2.2.3.1 Dispersion chromatique
2.2.3.2 Dispersion modale de polarisation
2.3 Effet de la propagation non linéaire
2.3.1 Effet Kerr
2.3.1.1 Auto-modulation de phase
2.3.1.2 Modulation de phase croisée
2.3.1.3 Mélange à quatre ondes
2.3.2 Diffusions stimulées
2.3.2.1 Diffusion Raman stimulée
2.3.2.2 Diffusion Brillouin stimulée
2.4 Conclusion
CHAPITRE 3 SOLITON, CLE DE LA TRANSMISSION PAR FIBRE OPTIQUE A LONGUE DISTANCE ET A DEBIT ELEVE
3.1 Introduction
3.2 Historiques du soliton
3.3 Conditions d’existence
3.4 Généralité sur le soliton
3.5 Phénomène physique de la formation du soliton
3.6 Modélisation mathématique du soliton
3.6.1 Equation de Schrödinger non linéaire (ESNL)
3.6.2 Modélisation de la propagation des solitons dans la fibre optique
3.6.2.1 Equation de propagation du soliton
3.6.2.2 Méthode de Split-Step Fourier
3.6.3 Expression de l’équation du soliton
3.7 Caractéristiques de soliton
3.8 Types de soliton
3.8.1.1 Soliton conventionnel de type NLS
3.8.1.2 Soliton moyen et Dispersion Managed Soliton (DMS)
3.9 Application du soliton aux systèmes de communication optique
3.9.1 Transmission d’information
3.9.2 Limites du système soliton et axes d’études
3.10 Conclusion
CHAPITRE 4 SIMULATION DE LA PROPAGATION DU SOLITON DANS LA FIBRE OPTIQUE MONOMODE
4.1 Introduction
4.2 Outils de la simulation : MATLAB 7.0 (MATrix LABoratory Version 7.0)
4.3 Effets linéaire et non linéaire dans la propagation dans la fibre optique
4.3.1 Propagation linéaire d’une impulsion courte dans la fibre
4.3.1.1 Modélisation de la propagation linéaire d’une impulsion courte
4.3.1.2 Résultats de la simulation
4.3.1.3 Interprétation
4.3.2 Propagation non linéaire d’une impulsion courte dans la fibre
4.3.2.1 Modélisation de la propagation non linéaire d’une impulsion courte
4.3.2.2 Résultats de la simulation
4.3.2.3 Interprétation
4.4 Propagation du soliton le long de la fibre optique monomode
4.4.1 Modélisation de la propagation des solitons dans une fibre optique monomode avec ou sans perte
4.4.2 Résultats de la simulation
4.4.3 Interprétation
4.4.3.1 Cas de la fibre sans perte
4.4.3.2 Cas de la fibre avec perte
4.5 Caractéristiques du soliton
4.5.1 Modélisation de la propagation non linéaire en régime soliton
4.5.2 Résultats de la simulation
4.5.3 Interprétation
4.6 Conclusion
CONCLUSION GENERALE
ANNEXES