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)
lc= 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
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).
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