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FIBRES OPTIQUES

1 Caractéristiques de l’optique :

1.1 Propagation

La lumière est une onde électromagnétique que l'on définit habituellement par sa longueur d'onde dans le vide.

l = c.T = c/f, dans le vide avec c = Célérité = 3.108 m/s

La lumière visible va de 0,4μm (violet) à 0,7μm (rouge). Les infrarouges sont utilisés dans les fibres optiques (0,85μ ; 1,3μ et 1,5μm principalement). La fréquence de la porteuse est donc très élevée (f=c/l) et une modulation de plusieurs GHz est donc négligeable, l’atténuation d’une fibre optique sera donc indépendante de cette modulation.

La vitesse de propagation de la lumière dans un milieu dépend de l'indice de réfraction de ce milieu.

V : vitesse de propagation de l’onde

c :célérité

N : indice de réfraction dans le milieu considéré

Quelques indices absolus :

vide : n0 = 1

air : n = 1,000293

verre : n = 1,5 à 1,8

PMMA : n = 1,50 (Polymethylmétacrylate = plastique)

eau : n = 1,33

1.2 Fréquence de coupure

Lorsque la lumière pénètre dans une fibre, il faut que la fréquence de celle-ci soit supérieure à une fréquence de coupure déterminée par le diamètre de la fibre. En pratique, le diamètre de la fibre ne doit pas être inférieur à la longueur d'onde à transmettre.

Ce qui donne

exemple : fibre de silice (d=50μm et e₂=2.25)

l_c= 1,3 50.10^-6 (2.25-1)^1/2 = 73μm

1.3 Loi de Descartes

Quand un rayon lumineux passe d'un milieu à un autre il y a réfraction tel que :

n1sin q1 = n2 sin q2

si n2 < n1 on a q2 > q1, il existe alors un angle q1 limite au-delà duquel on passe de

la réfraction à la réflexion totale.

èq2max = 90° d'où q1limite = Arc sin n2/n1

1.4 Réflexion de Fresnel

Lorsqu’un rayon doit passer d’un milieu à un autre (réfraction), une partie du rayon est réfléchie proportionnellement à la différence des indices. Cette réflexion est faible lorsque le rayon est perpendiculaire à la surface mais peut être presque totale lorsque le rayon tangente la surface. Lorsque le rayon est proche de la normale à la surface de séparation on peut calculer la perte de Fresnel induite par :

AN : n1=1 (air) et n2=1.5 (verre) on obtient Pf = 0.18dB

2 Conversion de signaux électriques en signaux optiques :

Conversion de signaux électriques en signaux optiques :

- convertir des impulsions électriques en signaux optiques véhiculés au

coeur de la fibre

- les signaux électriques seront traduits en impulsions optiques par une

LED et lus par un phototransistor ou une photodiode

- On utilise une fibre pour chaque direction de la transmission

- Les émetteurs utilisés sont de trois types:

- Les LED Light Emitting Diode qui fonctionnent dans le rouge visible

(850nm). C'est ce qui est utilisé pour le standard Ethernet

- Les diodes à infrarouge qui émettent dans l'invisible à 1300nm

- Les lasers, utilisés pour la fibre monomode, dont la longueur d'onde est

1300 ou 1550nm

3 Types de fibres :

Une fibre optique est un guide d'ondes cylindriques créé dans un matériau transparent par variation de l'indice de réfraction vers la périphérie.

Pour la transmission de données, seule la silice (forme cristalline la plus pure du verre)

est utilisée. La silice est dopée par du germanium (GeO2) ou du phosphore (P2O5) qui

augmentent l’indice du coeur ou bien du fluor ou du bore (B2O3) pour réduire l’indice de la

gaine. On obtient ainsi des fibres ayant une très faible atténuation (5..10dB/km à 0.85μm et

1..3dB/km à 1.3μm) et une ouverture numérique réduite.

D'autres matériaux à l'étude (Béryllium fluoré par exemple) permettraient une

atténuation de 0.005dB/km et autoriseraient des liaisons >2000 km sans répéteur !

Le verre est utilisé pour construire des conducteurs de lumière regroupant plusieurs

centaines de fibres et le PMMA pour construire des fibres épaisses et économiques (1..3mm).

Une fibre optique est un guide d'ondes cylindriques créé dans un matériau transparent par variation de l'indice de réfraction vers la périphérie..

- La fibre multimode à saut d'indice constituée d'un cœur et d'une gaine optique en verre de différents indices de réfraction. Cette fibre provoque de par l'importante section du coeur, une grande dispersion des signaux la traversant, ce qui génère une déformation du signal reçu.

Diamètre du coeur 50μm ou 62.5μm le plus souvent, gaine 125μm

Ouverture numérique =12° environ

Bande passante limitée : <60 MHz.km.

Atténuation faible : 3dB/km à 0.85μm.

- La fibre multimode à gradient d'indice dont le coeur est constitué de couches de

verre successives ayant un indice de réfraction proche. On s'approche

ainsi d'une égalisation des temps de propagation, ce qui veut dire que

l'on a réduit la dispersion nodale.

Ses caractéristiques sont similaires à celles de la fibre multimode à saut d'indice (sauf bande

passante), elle remplace actuellement celle-ci car les coûts sont similaires. La vitesse de propagation étant plus faible au centre de la fibre, les écarts de temps de propagation

entre les rayons sont nettement réduits et donc la bande passante augmentée.

Diamètre du coeur 50μm ou 62.5μm, gaine 125μm

Bande passante : Bande passante typique 200-1500Mhz par km.

Atténuation : 3dB/km à 0.85μm et 1.5dB/km à 1.3μm.

La fibre monomode dont le coeur est si fin que le chemin de propagation des différents mode est pratiquement direct. La dispersion nodale devient quasiment nulle. La bande passante transmise est preque infinie (> 10Ghz/km). Cette fibre est utilisée essentiellement pour les sites à distance.

Dans le cas de la fibre monomode, le petit diamètre du coeur (10um) nécessite une grande puissance d'émission et donc des diodes laser qui sont relativement onéreuses.

Les émetteurs et récepteurs disponibles sur le marché proposent essentiellement deux longueurs d'ondes : 850 ou 1300 nm.

Les systèmes à 850 nm coûtent moins chers, mais, l'atténuation est plus faible pour les systèmes à 1300 nm (ce qui permet d'envisager des réseaux plus longs sans amplificateurs).

Les fibres optiques ont été marquées par deux évolutions importantes :

• Le passage de la fibre multimode à la fibre monomode. Cette dernière pose plus de problèmes de connectiques mais offre une capacité potentielle sans rapport avec la première.

• Le passage de la fenêtre des 800 nm à celle des 1300 nm,puis des 1550 nm, présentant l’atténuation minimale, qui est la norme aujourd’hui en matière de réseaux de transport.

Pertes dans une fibre

Diffusion de Rayleigh : L’onde incidente est dispersée par des particules ou

des défauts d’une taille inférieure à la longueur d’onde. Cette diffusion sera

donc plus faible pour les longueur d’ondes élevées. L’atténuation induite est

inversement proportionnelle à ë4 .

Absorption : L’énergie d’un photon est communiquée à l’électron d’une

impureté : eau (ion OH-) ou métal (Fe, Cu, Mn, Cr…). Cette absorption peut

être élevée à certaines longueur d’ondes (pour l’eau à 0,95μm, 1,2μm et

surtout 1,4μm).

Absorption due aux résonances moléculaires du SiO2 pour l>1.7μm.

Pertes de couplage (Fresnel, planimétrie, désalignement, désadaptation).

Avantages:

Taux d'erreur très faible même en milieu perturbé,

Le poids de la fibre optique est très faible ce qui en fait un support intéressant pour les réseaux embarqués.

On peut tout à fait se servir de la gamme des longueurs d'ondes pour créer plusieurs canaux de communication, de même que dans le système large bande.

- Performances (atténuation faible, bande passante élevée) permettant des liaisons longues sans répéteurs.

- Immunité électromagnétique : insensibilité aux parasites, aux orages, aux courants telluriques ...

- Isolation galvanique : Pas de problème de terre dans le raccordement entre deux

bâtiments, pas de danger en milieu explosif ...

- Confidentialité : piratage très difficile.

- Légèreté : une fibre pèse quelques grammes /km, un câble peut peser de 20 à

100kg/km (selon nombre de fibres et protections) contre plus de 200kg/km pour un

coaxial.

Inconvénients

Le verre plus coûteux, plus fragile et plus difficile à utiliser pour les raccordements.

Liaisons multipoints sont difficiles à réaliser.

Support coûteux

Le seul inconvénient des fibres optique concerne essentiellement la difficulté et le coût

des raccordements : un cordon jarretière coûte environ 60€, une valise de raccordements (polisseur, microscope, outils...) autour de 2 000€. (prix 2004).

SUPPORT HERTZIEN

1 Généralités :

Un faisceau hertzien est une onde électromagnétique qui se propage dans l'air ou le vide. L'onde peut être polarisée : horizontale, verticale ou circulaire.

En transmission de donnée il faut souvent des débits d'information élevés, donc des

canaux assez larges et par conséquent des porteuses élevées (800MHz..40GHz). Au delà de

100MHz la propagation est linéaire et impose de placer des réémetteurs tous les 100km

environ (tours télécom).

2 Principales fréquences :

10k 160k Radiotélégraphie

160k 1.6M Radio Grandes Ondes, Petites ondes

1.6M 6M Bande marine, radiotéléphone

6M 18M Radio ondes courtes

27M Radio-commande, C.B.

30M 41M Radiotéléphone

72M Radio-commande

156M 162M VHF marine (bande A)

162M 216M VHF télévision (bande III)

216M 470M Radiotéléphone ...

470M 800M UHF télévision (bande IV)

860M 900M Faisceaux télécom

890M 960M Téléphone GSM

1.37G 1.45G Liaisons faibles débits privées

1.71G 1.88G Téléphone DCS1800

1.88G 1.9G Téléphone DECT

2.4G 2.5G Réseaux locaux (RLAN)

3.5G Boucle locale radio (télécom)

3.4G 8.4G Satellites télécom

11G 12.6G Satellites Télévision directe

23G Faisceaux privés (maxi 12km)

26G Boucle locale radio (télécom)

38G Faisceaux privés (maxi 6km)

3 Localisation

Les stations sont établies sur les points hauts, généralement pour des liaisons à vue. Pour une bonne propagation, il faut que le premier ellipsoïde de Fresnel soit dégagé.

Dégagement du premier ellipsoïde de Fresnel