TRANSMISSION MULTI-CANAL SUR FIBRE OPTIQUE

Dès l’apparition de sources laser, à très faible divergence, on note un regain d’intérêt pour la transmission d’informations par voie optique. Assez rapidement, les problèmes posés par la transmission d’un point à un autre en atmosphère libre conduisent à envisager le guidage de la lumière, puis à remplacer l’atmosphère libre par un milieu protégé. On n’est plus très loin des fibres optiques, fondées sur le principe des fontaines lumineuses : la lumière peut rester confinée dans un mince fil de verre constituant un guide diélectrique (appelé généralement le cœur de la fibre), le guidage étant obtenu par une gaine dont l’indice de réfraction est inférieur à celui du cœur : c’est le rôle jouer par le cœur dans une fontaine lumineuse.

Jusqu’en 1970, l’atténuation des verres les meilleurs restait supérieure à quelques centaines, pour ne pas dire des milliers, de décibels par kilomètre. La firme Corning Glass Works annonça la première 20, puis 0,5 dB/km : les applications potentielles très nombreuses permirent alors d’assister à un développement spectaculaire des recherches tant sur les matériaux et les méthodes de fibrage que dans le domaine des sources lumineuses et des photodétecteurs. Diodes électroluminescentes, diodes laser, photodiodes PIN et à avalanche, sont désormais inscrites au catalogue de nombreux fabricants, et certaines fibres ont été annoncées avec une atténuation de 0,2 dB pour un kilomètre à 1550 nm : ainsi après 15 kilomètres de parcours dans du verre, il subsiste encore la moitié de l’énergie lumineuse de départ.

La fibre optique apparait alors, aujourd’hui, comme la solution miracle pour les réseaux câblés hauts débits. A part sa très faible atténuation et sa grande bande passante elle offre aussi une vitesse de transmission relativement élevée due au fait que l’onde lumineuse se propage plus rapidement que l’onde hertzienne. Ainsi, la fibre optique, par rapport aux autres supports de transmission par câble, semble avoir toutes les qualifications techniques nécessaires pour satisfaire les besoins croissants des actuels réseaux de télécommunication et des réseaux informatiques. Néanmoins, étant le meilleur support de transmission recensé jusqu’ici, la fibre optique n’en est pas moins un support parfait. De nombreux paramètres tels que les différentes atténuations dues à la structure de la fibre, les atténuations au niveau de la ligne de transmission, ainsi que celles au niveau des connexions doivent être améliorés, et des recherches sont encore en cours dans ce sens. La dispersion chromatique qui est un des principales causes de la limitation de la capacité des fibres optiques, constitue encore actuellement, un problème important dans les transmissions par fibres. Cependant, bien que des solutions aient déjà été avancées, elles apportent parfois de nouveaux problèmes, nous poussant à rechercher en permanence d’autres solutions. Ce qui nous amène au présent travail qui s’intitule « Réduction des effets de la dispersion chromatique sur une fibre optique par une transmission multi-canal ».

GENERALITES SUR LA FIBRE OPTIQUE 

Les supports de transmission

Avant l’apparition de la fibre optique, tous les réseaux de communication utilisaient d’autres supports de transmissions tels que les fils de cuivres ou les câbles coaxiaux. Les supports de transmission sont utilisés pour transporter un signal depuis une entité émetteur jusqu’au récepteur. Lorsqu’il s’agit de transmettre des informations, plusieurs cas peuvent se présenter : Il faut, soit effectuer une liaison point à point entre un émetteur et un récepteur (téléphonie), soit diffuser l’information à partir d’un émetteur vers plusieurs récepteurs (radiodiffusion ou télédiffusion). C’est en fonction du type de liaison, des contraintes économiques et matérielles, que s’effectuent le choix du media de transmission. Le media de transmission, auquel s’ajoutent les perturbations et déformations (bruits, diaphonie, distorsions…) de l’information, est appelé « canal » .

Dans les supports limités (câble coaxial, fibre optique, paire torsadée, …) le signal est guidé par un conducteur physique tandis qu’il ne l’est pas dans les supports non limités (faisceaux hertziens, ondes radio, …).

Câble bifilaire

Le support de transmission le plus simple est la paire symétrique torsadée (UTP : Unshielded Twisted Pairs). Il s’agit de deux conducteurs métalliques entremêlés (d’où le nom de paire torsadée). Le signal transmis correspond à la tension entre les deux fils. La paire peut se présenter emprisonnée dans une gaine blindée augmentant l’immunité contre les perturbations électromagnétiques (STP : Shielded Twisted Pairs).

Les deux avantages principaux de ce type de support sont :
● sa facilité d’installation
● son coût très bas .

Par contre, les inconvénients sont assez nombreux :
● affaiblissement rapide
● sensibilité aux bruits
● faible largeur de bande
● faible débit.

En effet, sa bande passante est faible, il est en général réservé pour les transmissions à bas débit (inférieur à 2Mbit/s sur le réseau téléphonique). Pour de faibles distances, ce support est relativement utilisé dans les réseaux locaux et raccordements téléphoniques.

Câble coaxial
Le câble coaxial constitue une amélioration de la paire torsadé. Ce support constitue deux conducteurs à symétrie cylindrique de même axe, l’un central, l’autre périphérique ; séparés par un isolant.

Par rapport au câble bifilaire, il possède une bande passante plus importante, et permet de réaliser des transmissions avec un débit relativement élevé de plusieurs centaines de Mbit/s (jusqu’à 565 Mbit/s sur le réseau téléphonique). Le câble coaxial est notamment utilisé pour connecter les centraux téléphoniques entre lesquels transite un grand nombre de communications.

Fibre optique
Une fibre optique apparait aujourd’hui, grâce à sa bande passante très élevée et sa faible atténuation, comme un support très intéressant. Les fibres optiques sont de plus en plus utilisées pour :

● les réseaux terrestres à grande capacité (plusieurs Gbit/s, voire dans le futur, plusieurs dizaine de Gbit/s)
● les câbles sous-marins (où elles ont supplanté le câble coaxial)
● les réseaux de distribution (c’est-à-dire sur les liaisons entre centraux téléphoniques et abonnés).

Espace libre 

L’espace libre utilise la propagation d’une onde électromagnétique dans l’atmosphère. Ce milieu est généralement réservé aux transmissions par satellite ou par faisceau hertzien ainsi qu’aux radiocommunications avec les mobiles.

Faisceau hertzien
Les ondes sont émises d’un relais à l’autre en ligne droite. La courbure de la Terre implique une distance maximum entre les relais (tours hertziennes).

Transmission par satellite
Le problème de la courbure de la Terre est résolu avec l’utilisation des satellites de télécommunication. Selon leur altitude, on distingue trois types d’orbites :

• Low Earth Orbit (LEO) : orbite basse, jusqu’à 1 500 km
• Medium Earth Orbit (MEO) : orbite allant de 5 000 à 15 000 km et au-delà de 20000 km (les ceintures de Van Hallen, entre 1 500 et 5 000 km puis entre 15 000 et 20 000 km, rendent ces altitudes inexploitables)
• Geostationary Earth Orbit (GEO) : orbite à 35 786 km au-dessus de l’équateur. La durée d’une révolution est fonction de l’altitude et varie de 100 minutes à basse altitude pour atteindre 24 heures à 35 786 km.

Transmission par fibre optique 

Historique 

La possibilité de transporter de la lumière le long de fines fibres de verre fut exploitée au cours de la première moitié du XXe siècle. En 1927, Baird et Hansell tentèrent de mettre au point un dispositif pour le transport d’images de télévision à l’aide de fibres. Hansell put faire breveter son invention, mais elle ne fut jamais vraiment utilisée. Quelques années plus tard, soit en 1930, Heinrich Lamm réussit à transmettre l’image d’un filament de lampe grâce à un assemblage rudimentaire de fibres de quartz. Cependant, il était encore difficile à cette époque de concevoir que ces fibres de verre puissent trouver une application. La première application fructueuse de la fibre optique eut lieu au début des années 1950, lorsque le fibroscope flexible fut inventé par van Heel et Hopkins. Cet appareil permettait la transmission d’une image le long de fibres en verre. Il fut particulièrement utilisé en endoscopie, pour observer l’intérieur du corps humain, et pour inspecter des soudures dans les réacteurs d’avions. Malheureusement, la transmission ne pouvait pas être faite sur une grande distance étant donné la piètre qualité des fibres utilisées. Les télécommunications par fibre optique ne furent pas possibles avant l’invention du laser en 1960. Le laser offrit en effet une occasion de transmettre un signal avec assez de puissance sur une grande distance. Dans sa publication de 1964, Charles Kao, des Standard Telecommunications Laboratories, décrivit un système de communication à longue distance à faible perte en mettant à profit l’utilisation conjointe du laser et de la fibre optique. Peu après, soit en 1966, il démontra expérimentalement, avec la collaboration de Georges Hockman, qu’il était possible de transporter de l’information sur une grande distance sous forme de lumière grâce à la fibre optique. Cette expérience est souvent considérée comme la première transmission de données par fibre optique. Cependant, les pertes par absorption dans une fibre optique étaient telles que le signal disparaissait au bout de quelques centimètres, ce qui la rendait peu avantageuse par rapport au fil de cuivre traditionnel. Les trop grandes pertes encourues par un verre de mauvaise qualité constituaient le principal obstacle à l’utilisation courante de la fibre optique. En 1970, trois scientifiques de la compagnie Corning Glass Works de New York, Robert Maurer, Peter Schultz et Donald Keck, produisirent la première fibre optique avec des pertes suffisamment faibles pour être utilisée dans les réseaux de télécommunications (20 décibels par kilomètre; aujourd’hui la fibre conventionnelle affiche des pertes de moins de 0,25 décibel par kilomètre). Leur fibre optique était en mesure de transporter 65 000 fois plus d’information qu’un simple câble de cuivre. Le premier système de communication téléphonique optique fut installé au centre-ville de Chicago en 1977. On estime qu’aujourd’hui plus de 80 % des communications à longue distance sont transportées le long de plus de 25 millions de kilomètres de câbles à fibres optiques partout dans le monde. Bien avant l’invention du téléphone par Graham Bell (1876), les télécommunications utilisaient déjà la voie du fil électrique (télégraphe). Puis, grâce à Maxwell et Hertz, les informations ont emprunté la voie des airs. Finalement, dans les années 1970 est apparu le principe de la fibre optique : transmettre un signal lumineux à travers un milieu transparent. Le nombre de communications utilisées par les uns et par les autres faits que les supports traditionnels sont saturés. De plus, ils sont limités en fréquence pour des raisons technologiques. Il est donc été nécessaire de développer un autre support de transmission : c’est la naissance de « la fibre optique ». Nous nous intéresserons donc à la fibre optique qui a connu de nombreuses avancées depuis ses débuts et en annonce de bien plus prometteuses encore : la multiplicité des paramètres, qui jouent sur l’efficacité de la fibre, fait que l’on peut sans cesse améliorer les performances de celle-ci.  En effet, une fibre optique est un fil en verre ou en plastique très fin qui a la propriété de conduire la lumière et sert dans les transmissions terrestres et océaniques de données. Elle offre un débit d’informations nettement supérieur à celui des câbles coaxiaux et supporte un réseau « large bande » par lequel peuvent transiter aussi bien la télévision, le téléphone, la visioconférence ou les données informatiques. Entourée d’une gaine protectrice, elle 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’informations. En permettant les communications à très longue distance et à des débits jusqu’alors impossibles, les fibres optiques ont constitué l’un des éléments clef de la révolution des télécommunications optiques.

Table des matières

INTRODUCTION
CHAPITRE 1 GENERALITES SUR LA FIBRE OPTIQUE
1.1 Les supports de transmission
1.1.1 Câble bifilaire
1.1.2 Câble coaxial
1.1.3 Fibre optique
1.1.4 Espace libre
1.1.4.1 Faisceau hertzien
1.1.4.2 Transmission par satellite
1.2 Transmission par fibre optique
1.2.1 Historique
1.2.2 Avantages de la fibre optique
1.2.3 Domaines d’utilisation des fibres optiques
1.2.4 Description de la fibre optique
1.2.5 Propagation de la lumière
1.2.5.1 Spectre de la lumière
1.2.5.2 La réflexion et la réfraction
1.2.5.3 Loi de Snell-Descartes
1.2.6 Angle limite et condition de guidage
1.2.7 Propagation de la lumière dans la fibre optique
1.2.8 Angle d’acceptance et Ouverture numérique
1.2.9 Angle critique
1.2.10 Différence relative d’indice
1.2.11 Fréquence normalisée
1.3 Conclusion
CHAPITRE 2 DIFFERENTS TYPES DE FIBRES OPTIQUES
2.1 Notion de mode de propagation
2.2 Fibre multimode
2.2.1 Fibre à saut d’indice
2.2.1.1 Profil d’indice
2.2.1.2 Caractéristiques
2.2.1.3 Modes
2.2.2 Fibre à gradient d’indice
2.2.2.1 Profil d’indice
2.2.2.2 Exemples
2.2.2.3 Ouverture numérique
2.2.2.4 Caractéristiques
2.2.2.5 Modes
2.3 Du multimode au monomode
2.4 Fibre monomode
2.4.1 Conditions de monomodalité d’une fibre optique
2.4.1.1 Longueur d’onde critique ou de coupure
2.4.1.2 Profil d’indice d’une fibre monomode
2.4.2 Diamètre de mode d’une fibre monomode
2.4.2.1 Définition du diamètre de mode
2.4.2.2 Valeurs du diamètre de mode
2.4.2.3 Facteur de confinement
2.5 Bilan général des différentes fibres
2.6 Les Recommandations G 652 à G 657 de l’UIT
2.7 Conclusion
CHAPITRE 3 LA DISPERSION CHROMATIQUE
3.1 Introduction
3.2 Définition d’un milieu dispersif
3.3 Conséquence sur la vitesse de groupe
3.4 Dispersion de la lumière dans les fibres optiques
3.4.1 Dispersion temporelle
3.4.2 Dispersion modale
3.4.2.1 Cas d’une fibre à saut d’indice
3.4.2.2 Cas d’une fibre à gradient d’indice
3.4.3 Dispersion chromatique
3.5 La dispersion chromatique dans une fibre optique
3.5.1 Mesure de la dispersion chromatique
3.5.2 La conséquence directe de la dispersion chromatique : la limitation du produit capacité x distance
3.6 Les solutions pour la dispersion chromatique
3.6.1 Fibres compensatrices de dispersion
3.6.2 Les fibres à dispersion décalées
3.6.3 Réseau de Bragg
3.6.4 Les solitons
3.7 Conclusion
CHAPITRE 4 TRANSMISSION MULTI-CANAL SUR FIBRE OPTIQUE
4.1 Introduction
4.2 Paramètres de transmission des fibres optiques
4.2.1 Eléments d’un système de transmission sur fibre optique
4.2.2 Interface optique d’émission
4.2.2.1 La diode électroluminescente
4.2.2.2 Diode LASER
4.2.3 Interface optique de réception
4.2.3.1 Photodiode PIN
4.2.3.2 Photodiode à avalanche
4.2.3.3 Seuil typique de détection pour un taux d’erreur binaire de 10-9
4.2.4 Mesure de la bande passante
4.2.4.1 Bande passante en régime impulsionnel
4.2.4.2 Bande passante en régime harmonique
4.2.5 Les modulations
4.2.6 Le mélange à quatre ondes
4.3 Etude de la transmission multi-canal sur fibre optique
4.3.1 Principe
4.3.2 Schéma synoptique de la liaison
4.3.3 Description des différents blocs
4.3.3.1 Le codeur
4.3.3.2 Le commutateur
4.3.3.3 Le module émetteur
4.3.3.4 L’émetteur
4.3.3.5 La fibre optique
4.3.3.6 Le filtre
4.3.3.7 Le détecteur
4.3.3.8 Le module de réception
4.3.3.9 Le décodeur
4.3.4 Evaluation des paramètres de la transmission
4.3.4.1 Les retards
4.3.4.2 Le facteur de rallongement
4.4 Simulation d’une transmission multi-canal sur fibre optique monomode
4.4.1 Position du problème
4.4.1.1 Problématique
4.4.1.2 Solution
4.4.2 Exemple de calcul
4.4.2.1 Enoncé
4.4.2.2 Calculs
4.4.3 Description de l’outil de simulation
4.4.4 Avantages de la transmission multi-canal
4.4.5 Inconvénients
4.5 Conclusion
CONCLUSION
ANNEXES

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