Structure de la fibre optique

Structure de la fibre optique

La fibre optique est composée de deux cylindres transparents :
o le cylindre intérieur s’appelle le cœur, de silice pure à haut indice de réfraction nc
o le cylindre extérieur s’appelle la gaine, de silice pure à plus faible indice de réfraction ng Ces deux cylindres sont protégés par un revêtement. Dans le domaine des télécommunications optiques, le matériau privilégié est la silice très pure car elle présente des pertes optiques très faibles. Quand l’atténuation n’est pas le principal critère de sélection, on peut également mettre en œuvre des fibres en matière plastique. NB : Lorsqu’une fibre optique n’est pas encore alimentée, on parle de fibre optique noire.

Principe de la fibre optique

La fibre optique est un guide d’onde qui exploite les propriétés réfractrices de la lumière. 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. 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 cœur et la gaine :
Δ = (nc – ng) / nc . Où nc est l’indice de réfraction du cœur, et ng celui de la gaine.
 l’ouverture numérique de la fibre, elle est mesurée par rapport à l’axe de la fibre. Elle nous renseigne sur la capacité qu’a une fibre pour propager les rayons optiques.

Compensation de la dispersion chromatique avec la DCF

Une dispersion chromatique non nulle peut se compenser optiquement, par l’intermédiaire d’une courte section de fibre de forte dispersion négative (mais en général d’atténuation élevée) dite DCF (dispersion compensating fiber). On peut aussi utiliser un dispositif compensateur de dispersion chromatique (à réseau de Bragg par exemple) jouant ce rôle, qui est de retarder les longueurs d’onde arrivées en premier. La réalisation de ces dispositifs est délicate mais leur principe est simple ; la compensation est possible car tant que l’on reste en régime linéaire, les différentes longueurs d’onde d’un même signal ne se couplent pas, contrairement aux différents modes d’une fibre multimode.Dans un système à multiplexage en longueur d’onde WDM, la compensation de dispersion s’applique en général en deux temps :

 Une compensation grossière pour tout le spectre, au niveau de chaque section, quin’est pas très précise car il est difficile d’avoir une fibre ou un dispositif dont la dispersion soit l’exact symétrique de celle de la fibre de ligne sur tout le spectre ;
 Puis une compensation fine longueur d’onde par longueur d’onde après le démultiplexage.Si LSMF et DSMF sont respectivement la longueur (en km) et la dispersion (en ps/nm/km) de la fibre standard utilisée, LDCF et DDCF respectivement celles de la fibre de compensation,on doit avoir la relation suivante:
(LSMF x DSMF) + (LDCF x DDCF) = O

Amplificateur à fibre dopée à l’erbium (EDFA)

Le principe d’amplification optique est basé sur le phénomène d’émission stimulée.L’amplificateur à fibre dopée à erbium (EDFA pour Erbium doped Fibre Amplifier) s’est imposé dans le domaine des télécommunications grâce à sa transparence au débit.L’amplificateur est en effet constitué de fibre dont le cœur est dopé aux ions terre rare, les ions Erbium. Un pompage optique par une diode laser auxiliaire conduit à l’inversion de population des ions Erbium, qui passent dans un état excité. Le pompage s’effectue autour de 980 nm (habituellement utilisée pour des équipements à faible bruit, par contre on doit utiliser des sources lasers stabilisées) ou 1480 nm (utilisée pour des amplifications de plus forte puissance).

Le signal optique qui traverse la fibre dopée, stimule le retour à l’équilibre des ions Erbium dans la fibre [11]. L’émission radiative stimulée autour de 1550 nm produit le signal amplifié.Il se compose pour l’essentiel: d’une fibre active de quelques mètres de longueur (20 m), dopée avec des ions Erbium, et connectée à la fibre de ligne, d’une pompe et d’un dispositif de couplage de la lumière de la pompe vers la fibre dopée. Dans la plupart des cas la pompe est un laser à semi-conducteur. Le couplage de la lumière de la pompe dans la fibre est obtenu à l’aide de multiplexeur. Il est habituel d’ajouter deux isolateurs (diode optique), une à l’entrée, l’autre à la sortie, qui ne laissent passer la lumière que dans un sens afin d’éviter toutes les réflexions qui pourraient : créer une cavité, faire osciller le dispositif et le transformer en laser. Le multiplexeur optique, sélectif en longueur d’onde, doit présenter une perte d’insertion faible à ces deux longueurs d’onde afin d’optimiser le rendement optique du système

Modulation externe

La modulation externe consiste à écrire les données électriques sur un signal optique continu. Elle est obtenue en modulant directement le faisceau lumineux en sortie du laser et non plus le courant d’alimentation à l’entrée du laser. Ainsi les défauts de la modulation directe qui incombent au laser ne seront plus présents sur le signal optique. La modulation est effectuée sur une onde pure et constante et par un composant indispensable : le modulateur externe, dans notre cas le modulateur Mach-Zehnder. Celui-ci est commandé par une tension externe, modulée et représentative de l’information à transmettre. Cette tension appliquée au modulateur a pour propriété de modifier le facteur de transmission en intensité en sortie. Le signal optique continu émis par le laser alimenté par un courant constant est donc peu dégradé. En traversant le modulateur, il subit les modifications du facteur de transmission et le signal de sortie se trouve modulé selon la tension externe.

Aperçu historique des télécommunications optiques

Le téléphone standard fonctionne à 64 Kbits/s, la télévision numérique à quelque 100 Mbits/s. Dans les communications numériques à haut débit, on compte maintenant en Gbit/s, soit un milliard de bits transmis par seconde sous forme d’impulsions lumineuses (pour donner une idée, 1 Gbit/s représente environ 15 000 conversations téléphoniques simultanées). Un débit supérieur n’est pas le seul avantage de la lumière. Les fibres optiques présentent des pertes bien moindres que les câbles en cuivre. Mais dans une transmission optique le signal finit par s’affaiblir après une certaine distance et se rapproche trop du bruit32 de fond des détecteurs. Au-dessous d’un certain seuil d’énergie, le récepteur devient incapable de distinguer les bits sans ambiguïté.Pour étendre la portée des liaisons sur plusieurs centaines de kilomètres sans dégrader le taux d’erreur, il suffit de maintenir le nombre de photons par bit audessus de la valeur nuisible au moyen de dispositifs qui régénèrent le signal affaibli à l’aide de répéteurs optoélectroniques. Les répéteurs optoélectroniques sont arrivés sur le marché dès les années 1980. Ils comportent une photodiode qui convertit le signal optique en signal électrique, un amplificateur, une bascule électronique qui identifie les bits, et finalement une diode laser commandée par le signal électrique résultant pour la conversion inverse [1]. C’est en 1988 que le tout premier système de ce type a été installé entre la France, l’Angleterre et les Etats-Unis.

Il est constitué d’un câble sous-marin d’une longueur de 7500 km, doté d’environ 110 répéteurs places tous les 70 km, et il opère a 0, 28 Gbits/s, soit l’équivalent de 40 000 lignes téléphoniques. Mais pour les distances transocéaniques, le débit maximal de ce type de liaisons avec répéteurs optoélectroniques étaitlimité non par la fibre elle-même, mais par la rapidité de l’électronique. En effet, à des fréquences de fonctionnement supérieures au GHz, les circuits électroniques deviennent coûteux et leur fiabilité diminue. Cet obstacle a été contourné à la fin des années 1980 grâce à l’apparition révolutionnaire des amplificateurs optiques à fibre de verre dopée à l’erbium (EDFA). Undéveloppement qui fut rapidement suivi en 1995 par leur mise en service dans le domaine des câbles sous-marins. Un amplificateur optique fonctionne au principe de l’émission stimulée comme un laser.Dans les télécommunications optiques, l’intérêt d’utiliser de tels amplificateurs optiques plutôt qu’électroniques est énorme. Tout d’abord, ils se raccordent par simple soudure aux fibres de transmission. Mais surtout, ils évitent les conversions optoélectroniques effectuées par les répéteurs.

Réseaux longue distance (WAN)

Le réseau longue distance (Long Haul) qui couvre typiquement des distances comprises entre 150 et 700 km permet de relier des villes, des régions entre elles. Les réseaux très longue distance (Very Long Haul entre 700 et 1500 km – Ultra Long Haul > 1500 km) sont, quant à eux, plus dédiés aux liaisons internationales.Les liaisons radio par satellite, pour les communications à longue distance, sont longtemps restées les plus utilisées et elles n’ont été remplacées par les câbles optiques qu’à la fin des années 1980. Mais aujourd’hui, l’essentiel des communications intercontinentales se fait par des câbles optiques sous-marins déposés sur le fond des océans. Les fibres optiques ont ainsi complètement remplacés les câbles coaxiaux [1]. Les liaisons longue et très longue distances sont en général de type ‘point à point’ où une fibre permet de relier un point à un autre par opposition à une liaison dite ‘en anneau’ où l’architecture de la liaison est plus complexe.Si les liaisons terrestres doivent être le plus flexible possible, les liaisons sous-marines sont développées pour une liaison donnée. Le type de fibre (très faibles pertes ~ 0,2 dB/km) et l’espacement entre répéteurs (30-65 km) sont alors optimisés pour une meilleure performance de chaque liaison (GAY, 2006). Dans les liaisons terrestres par contre, les maîtres mots sont la flexibilité et le coût. La fibre présente alors souvent plus de pertes et l’espacement entre répéteurs peut varier entre 80 et 120 km (GAY, 2006).

Table des matières

REMERCIEMENTS
DEDICACES
SOMMAIRE
TABLES DES ACRONYMES
TABLES DES FIGURES
Introduction Générale
Chapitre I : Généralités sur les systèmes de transmission par fibre optique
I.1 Introduction
I.2 Historique
I.3 Structure de la fibre optique
I.4 Principe de la fibre optique
I.5 Types de fibre optique
I.5.1 Fibres multimodes (MMF)
I.5.1.1 Fibre à saut d’indice
I.5.1.2 Fibre à gradient d’indice
I.5.2 Fibres monomodes (SMF)
I.6 Caractéristiques d’une fibre optique
I.6.1 Atténuation
I.6.2 Dispersions
I.6.3 Effets non linéaires
I.7 Compensation de la dispersion chromatique avec la DCF
I.8 Liaison optique point à point
I.8.1 Emetteur optique
I.8.2 Récepteur optique
I.9 Amplificateur à fibre dopée à l’erbium (EDFA)
I.10 Modulations
I.10.1 Modulation directe
I.10.2 Modulation externe
I.11 Formats de modulations
I.11.1 Format RZ (Return-to-Zero)
I.11.2 Format NRZ (Non-Return-to-Zero)
I.11.3 Format Manchester
I.12 Conclusion
Chapitre II : Réseaux de télécommunication optiques
II.1 Introduction
II.2 Aperçu historique des télécommunications optiques
II.3. Caractéristiques et application des télécommunications optiques
II.4 Réseaux optiques
II.4.1 Réseaux longue distance (WAN)
II.4.2 Réseaux métropolitains (MAN)
II.4.3 Réseaux locaux (LAN)
II.5 Principe des transmissions
II.6 Augmentation de la capacité d’une liaison
II.6.1 Multiplexage/ démultiplexage
II.6.2 Différents types de multiplexages
II.6.2.1 Multiplexage temporel (TDM)
II.6.2.2 Multiplexage en longueur d’onde (WDM)
II.7 Commutation optique
II.8 Commutateurs optiques
II.8.1 Répartiteur (F-OXC)
II.8.2 Multiplexeur à insertion/extraction (MIE)
II.8.3 Brasseur optique
II.9 Convertisseurs optiques
II.9.1 Conversion optoélectronique
II.9.2 Conversion tout-optique
II.10 Conclusion
Chapitre III : Etude de la liaison optique WDM 16 x 40 Gb/s
III.1 Introduction
III.2 Présentation du Logiciel « OptiSystem »
III.3 Présentation des composants utilisés et leurs caractéristiques
III.3.1 Partie émission
III.3.2 Composants entre les parties émission et réception
III.3.3 Partie réception
III.4 Résultats de simulation
III.4.1 Qualité de transmission d’une liaison optique
III.4.1.1 Effet de variation de la longueur de la fibre SMF dans un tronçon
III.4.1.2 Effet de variation du nombre de tronçons
III.4.1.3 Qualité de transmission des différents canaux
III.4.1.4 Effet de variation du débit par canal
III.5 Conclusion
Conclusion Générale et perspectives
Références Bibliographiques

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