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La fibre optique

Généralités

La transmission des informations par les ondes électromagnétiques est l’une des principales caractéristiques des systèmes de télécommunications. La lumière infrarouge et la lumière visible utilisée en transmission optique sont également des ondes électromagnétiques. Fondamentalement, il n’y a pas de différence entre la lumière, les ondes radio, les rayons X et les rayons gamma, leurs propriétés respectives dépendent de leurs différentes fréquences (longueurs d’onde).
L’onde électromagnétique la plus simple est une onde plane, polarisée de façon linéaire dans un milieu homogène et isotope. Dans un système orthogonal d’axe x, y et z, une onde électromagnétique plane se propage dans la direction de l’axe z (sens positif). Les vecteurs champ magnétique H et champ électrique E perpendiculaires l’un par rapport à l’autre et perpendiculaire à la direction de propagation z sont indépendants des axes x et y.

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En télécommunication, l’onde électromagnétique est utilisée comme pour véhiculer les informations par propagation. Cette propagation peut se faire de manière guidée fibre optique, câble, ou non guidée (espace libre).
Dans le cas de la transmission par fibre optique le guidage de l’onde électromagnétique de très haute fréquence est assuré par des fibres de verre. La gamme de fréquence utilisée pour les systèmes de communications à fibre de verre n’étend d’environ 2×1014Hz à 4×1014Hz. Ce qui correspond à la gamme de longueur de 750 à 1500nm, et une largeur de bande de 2×1014Hz.


Principe de la transmission optique

La transmission sur une liaison en fibre optique comprend trois étapes:

  • La transformation à l’extrémité émettrice du signal électrique à émettre en signal lumineux.
  • La transmission du signal lumineux dans la fibre de verre.
  • La conversion du signal lumineux en un signal électrique (côté réception)

Les composants d’émission

Leur fonction consiste à transformer les signaux électriques en signaux optiques. Ils sont constitués de semi-conducteurs ayant fait leur preuve dans l’émission des photos sous l’excitation d’un courant électrique.
Comme source lumineuse utilisée dans la transmission optique des diodes électroluminescentes (LED) et les diodes laser (light amplification by stimuled emission of radiation)
Les diodes électroluminescentes sont plus simples et plus économiques que les diodes laser, mais ces derniers sont plus performantes, les laser génèrent des signaux de 1 à 10mW contre 0,5 à 1mW pour les LED d’après l’illustration du tableau ci-dessous.

CaractéristiquesLEDLASER
Puissance optique émise0,5 à 1mW5 à 10mW
Pertes de couplage12 à 17 dB3 à 6 dB
Fréquence de modulation100 MHz> 10GHz
Largeur spectrale50 à 120 nm1 à 2 nm
Durée de vie (estimations)-100 ans-10 ans
Prix estimatif2€15€

Diode électroluminescente LED

C’est une jonction de semi-conducteurs qui émet une radiation lumineuse par émission spontanée. Cette émission spontanée est issue de l’inversion de polarisation créé par l’injection de porteur minoritaire dans une région en direct.
La quantité de la conversion du courant électrique en lumière est décrite par le rendement quantique qui désigne le rapport entre le nombre de photon émis par unité de temps et le nombre de charges transportées à travers la jonction PN de la diode semi-conductrice. Pour AsGa (composant des LED) nq appartient à [0,5; 1%].
La longueur d’onde de la lumière dégagée est un autre paramètre important.    

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La diode laser (DL)

La DL est une autre source lumineuse, elle utilise l’émission stimulée. LASER est l’abréviation de Light Amplitude by Stimulated Emission of Radiation (amplification de la lumière par une émission de rayonnement). Comme la LED, la DL émet une puissance lumineuse qui est fonction du courant reçu. Toutefois, une technologie de fabrication fondamentale différente lui confère des spécificités particulièrement.
La diode laser fournit une radiation de grande puissance et dans une bande spectrale petite, défavorisant la dispersion chromatique à l’entrée de la fibre (perte de couplage plus faible). Il en résulte une plus grande puissance caractéristique des DL.
Une DL présente donc:

  • Une petite largeur spectrale
  • Un faible temps de commutation (<1ns)
  • Une faible dispersion modale à l’entrée de la fibre, la source est donc adaptée aux longues distances et aux hauts débits de transmission.
  • Une forte puissance émise à l’entrée de la fibre.

Les composants de réception : les détecteurs optiques

Les détecteurs optiques ou photo détecteurs sont des composantes qui fournissent au circuit extérieur un courant électrique proportionnel à la puissance du signal optique incident. Cette conversion est assurée par les semi-conducteurs suivants:

  • Le silicium (850nm à 1100nm)
  • Le Germanium
  • Le composés du groupe III – IV – V (Ga, In, As, Al, Tec)

La caractéristique essentielle des photodiodes est leur sensibilité qui est par définition le courant fournit pour une puissance incidente de 1 watt. Actuellement deux photodiodes à avalanche.

La photodiode PIN

Dans les semi-conducteurs à faible cœfficient d’absorption, on augmente la zone d’absorption pour le rayonnement en intercalant une couche semi-conductrice non dopée (zone i, intrinsèque) entre les couches semi-conductrices p et n. On par le d’une diode PIN.

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Qualité de la diode PIN:

  • Technologie simple
  • Faible coût
  • Rapide (<1ns)

La photodiode à avalanche (PDA)

Si les porteurs accélèrent dans le champ électrique, atteignent des vitesses tellement grandes que des porteurs supplémentaires sont créée par collision (ionisation par choc), alors on obtient un courant photoélectrique particulièrement élevé. Ce phénomène est appelé claquage par avalanche et la photodiode est dénommée photodiode à avalanche (PDA).
Qualités:

  • Technologie plus évoluée.
  • Gain interne élevé (100 à 200)
  • Rapide
  • Coût élevé
  • Tension d’alimentation élevée

Transmission sur la fibre optique

Le signal lumineux est injecté dans la fibre qui, à l’échelle du rayon lumineux ressemble à un gros tuyau : l’intérieur du tuyau est rempli de silice et se nomme le coeur (de 10 à 50µm) et il est entouré de la gaine (quelques centième de millimètres) elle est aussi en silice.
Pendant la transmission, le rayon se réfléchit sur la paroi intérieure de la gaine, mais une partie de la lumière passe dans celle-ci : c’est une première cause d’affaiblissement du signal. Or le but de la transmission consiste à garder ce rayon prisonnier à l’intérieur du coeur. Pour cela, deux méthode ont été successivement utilisées: le saut d’indice et le gradient d’indice.

Le saut d’indice

C’est la méthode la moins performante, l’affaiblissement est important et la largeur de bande ne dépasse pas 50MHz. Elle est fondée sur la différence d’indice de réfraction du coeur et de la gaine. Lorsque le rayon frappe la gaine, il est renvoyé comme sur un miroir vers l’intérieur de la fibre du fait des performances limitées. Cette méthode a été abandonnée au profit de la méthode du gradient d’indice.

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Le gradient d’indice

Dans cette méthode, l’indice de réfraction diminue du centre de la fibre vers l’extérieur. Il en résulte que lorsque le rayon s’éloigne du coeur l’indice de réfraction de la courbe et le ramène vers l’axe de la fibre. Cette seconde technique est plus performante : l’affaiblissement est moindre et la bande atteint 1GHz.

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Répéteurs régénérateurs et fenêtre optiques

Les répéteurs régénérateurs

Malgré les performances de plus en plus élevés des fibres, le signal s’affaiblit avec la distance et il faut le régénérer régulièrement (tous les 40Km) : C’est le rôle des répéteurs optiques.
Chaque répéteur contient pour chaque sens de transmission un détecteur optique, un régénérateur et une source optique. En outre, il contient comme l’équipement terminal un circuit pouvant déconnecter la diode laser.

Les fenêtres de transmission

Lorsqu’un signal se propage, il perd de la puissance : C’est l’affaiblissement. Le signal lumineux obéit à cette loi, mais son affaiblissement est plus ou moins important selon sa longueur d’onde.
En effet des phénomènes complexes générés par la structure moléculaire du verre confère à chaque longueur d’onde, une atténuation de propagation qui lui est propre. Par exemple, la longueur d’onde 1300nm affaiblit deux fois plus que la longueur d’onde 1550nm, mais 10 fois moins que la longueur 1400nm. Les longueurs d’onde où l’affaiblissement est minimal correspondent aux fenêtres de transmission. Trois fenêtres sont généralement utilisée : 850nm, 1300nm et 1550nm.

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Affaiblissement du signal lumineux avec les fenêtres en fonction de longueur d’onde.


Etude de la fibre optique

Une fibre optique est composée de deux milieux diélectriques transparent isotropes (silice dopé, verre) d’indice de réfraction différents : le coeur et le revêtement. Le milieu (le coeur) ou sera confinée la plus grande part l’énergie lumineuse véhiculée et celui qui entouré d’un second milieu d’indice de réfraction plus faible appelé gaine où le revêtement.
La fibre est protégée par des couches concentriques de matérielle plastiques qui lui procurent une meilleure résistance mécanique. Dans une fibre optique on sert du phénomène de la réflexion totale pour guider le rayon lumineux dans la fibre.
La description du phénomène de propagation de la lumière peut être faite par trois approches différentes:

  • Géométrique : lumière =rayon lumineux
  • Electromagnétique : lumière=OEM
  • Quantique : lumière=énergie

Rappel optique géométrique

Dans un milieu homogène, la lumière se propage en ligne droite.

Lois de réfraction:

Lorsqu’un rayon lumineux vient frapper à l’angle droit l’interface entre deux milieux, il n’est pas dévié.

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Lorsqu’un rayon lumineux frappe l’interface entre deux milieux différent avec un angle d’incidence non nul, celui-ci est dérivé : C’est le phénomène de réfraction.

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Cette déviation dépend des deux milieux caractérisés par leur indice de réfraction n. La loi de réfraction est: n1Sin(i) = n2Sin(r) ou n1/n2=sin(r)/Sin(i)
Deux cas peuvent se produire:
Cas1: n1<n2 ; sin(r)<sin(i) ; r<i, donc le rayon réfracté se rapproche de la normale à l’interface.

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Cas 2: n1>n2 ; Sin(r)>Sin(i) ; r>i

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Soit ø l’angle d’indice pour lequel dans ce cas l’angle r=90° alors n1ø =n2Sin90°=n2, soit Sinø=n2/n1
Cet angle est appelé angle limite de réfraction

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Loi de réflexion totale:
Tous les rayons lumineux qui frappent l’interface avec un angle d’indice supérieur à l’angle limite, sont entièrement réfléchis.

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Tous les rayons lumineux ayant un angle d’indice i supérieur à l’angle limite, il ne sont plus réfracté, est dans le milieu le moins dense. A l’interface des deux milieux ces rayons lumineux sont réverbères dans le milieu d’ou ils viennent (réflexion totale).

La fibre optique

La fibre optique a été conçue en tenant compte des lois de la lumière.

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Le milieu d’indice n1 est appelé coeur de la fibre, le milieu d’indice est appelé la gaine de la fibre. En pratique on recouvre la fibre d’une protection mécanique appelée revêtement primaire:

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On classe la fibre en deux grandes catégories selon le diamètre du coeur. Celui des premières fibres atteignait 50µm : ce sont des fibres multi modes. Le diamètre de coeur des fibres les plus recélés, beaucoup plus performante, ne dépasse pas 5 à 10µm : Ce sont les fibres monomodes.

La fibre multimodale

En fait, la diode émettrice n’injecte pas un rayon, mais un flux de photos qui s’engouffre dans le coeur de la fibre. A l’intérieur ces photons (rayons lumineux) empruntent plusieurs trajets ou mode de propagation. On parle de propagation multimodale.
La vitesse de propagation de la lumière dans un milieu homogène étant constante, les différents rayons de l’impulsion lumineuse qui empruntent des trajets différents, (plus ou moins long selon le rayon) arriveront à la réception décelées dans le temps : c’est la dispersion intermodale.
En plus m’émission des impulsion lumineuse reprochées dans le temps peut entraîner leur chevauchement à l’extrémité réceptrice, empêchant leur identification. Pour éviter ce phénomène, il faudra augmenter l’intervalle de temps qui sépare deux impulsions juxtaposées. Ce qui aura pour effet de diminuer le nombre des impulsions dans un tempos donné : donc de diminuer la bande passante.

 Transmission multimodaleTransmission monomodale
Profile d’indiceSaut d’indiceGradient d’indice 
Coeur (µm)30<Ø<808562,250Champ de mode : 9,8µm à 1,3µm ; 11µm à 2,55µm
Gaine (µm)100<Ø<200125125125125
Revêtement primaire (µm) 250250250250
Atténuations dB/Km43,533,2 à 850 (µm)
1,2 à 1300 (µm)
à 1,3µm < 0,45
à 1,55µm < 0,3
Bade passante MHz/Km50  350 à 750> 10GHz
Débits transportés Mbits/s2  342,5Gbits/s

Le phénomène dispersion intermodale qui est une source d’affaiblissement est très marqué dans la fibre multimodale à saut d’indice. Pour limiter ce phénomène on a conçu des fibres multi mode à gradient d’indice.
La vitesse de propagation étant v=c/n (dans un milieu avec l’indice de réfraction n), pour composer la dispersion du temps de propagation de groupe dans la fibre optique à gradient d’indice, on accéléré les rayons qui parcourent les chemins les plus longs. Pour ce faire, on fait décroître graduellement l’indice de réfraction du coeur de l’axe vers la périphérie du coeur. La bande passante de la fibre à gradient d’indice est supérieure à celle de la fibre à saut d’indice.
La fibre multi mode à saut d’indice a un coeur de grand rayon, de sorte que sa manipulation est relativement facile, mais sa bande passante est faible, seulement quelques dizaines de mégahertz sur un kilomètre. La fibre multi mode, à gradient d’indice, a un coeur dont le rayon est semblable à celui de la fibre multi mode à saut d’indice et, elle peut aussi, être manipulées facilement. Cependant sa bande passante est environ cent fois plus grande.
Dans la fibre optique à gradient d’indice, il existe encore une certaine dispersion modale.

La fibre monomode

La fibre monomode est un moyen de supprimer totalement la dispersion intermodale est de parvenir à ce qu’il n’y ait qu’un seul mode de propagation dans la fibre. Ceci a été fait avec la fabrication de la fibre monomode dont le diamètre de coeur varie entre 9,5µm et 11µm.
Ici donc la propagation de la lumière est beaucoup moins perturbée, d’où les performances biens supérieures notamment la largeur de bande qui peut atteindre plusieurs dizaines de GHz.
La fabrication de la fibre monomode nécessite une grande précision et a été plus difficile à mettre au point. C’est pourquoi elle a d’abord été réservée aux applications nécessitant un débit élevé et une qualité prioritaire aux coûts des équipements (TV à haute définition par exemple).
Une fibre monomode peut présenter une très grande bande passante, mais elle n’est pas supérieure en tous points aux fibres. Les raccordements par exemple sont plus difficiles car le rayon du coeur n’est que de quelques micromètres.
L’indice de réfraction du coeur de ces fibres optiques est à peu près 1,5 et la différence d’indice relative entre coeur et gaine se situe normalement entre 1,5 et 1%.


Paramètres mesurables sur une fibre optique

Ouverture numérique

Il a été ou précédemment que l’angle limite de réflexion iC est tel que Sin(iC)=n2/n1

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La condition pour l’angle limite Sinß=n2/n1 nous montre que tous les rayons lumineux ne déviant plus de (90°-ß) de l’axe de la fibre vont être réfléchis donc guidés dans le coeur de la fibre. Pour injecter depuis l’extérieur un rayon lumineux dans le coeur, l’angle d’injection  entre le rayon lumineux et l’axe de la fibre peut être déterminé en appliquant la loi de réfraction.
Etant donné que pour la réflexion totale dans la fibre, l’angle incident entre les deux milieux a une relation avec les indices suivants:

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Cet angle d’injection maximal est appelé angle d’acceptante. Il définit dont autour de l’axe de la fibre optique un cône d’acceptante. Le sinus de l’angle d’acceptante est appelé ouverture numérique.

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Si l’indice de réfraction n2 du revêtement est inférieur à celui de n1 du coeur, une onde plane incidente du milieu d’indice 1 sur le milieu n2 subit une réflexion totale si l’angle est inférieur à la valeur donnée et de telle ondes peuvent donc rester emprisonnées dans le coeur de la fibre.
Cette vision des choses selon l’optique géométrique est cependant insuffisante, car elle suggère que les ondes emprisonnées correspondent à l’ensemble continu de valeur satisfait à la seule condition. L’optique ondulatoire et la théorie électromagnétique des guides d’onde s’accordent à la prédire que les valeurs possibles:

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Ouverture numérique

Il n’y a donc qu’un ensemble discret de valeurs possibles pour l’angle correspondant à des modes de propagations guidé par la fibre. Le nombre maximum de modes pouvant se propager est donné par:

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Les vitesse de phase des divers modes sont données par

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c est la vitesse de la lumière dans le vide.
Ces formules, bien que n’étant strictement valables que pour une structure à stratification plane, sont suffisantes pour mettre en évidence bon nombre de propriétés des fibres à section cylindrique. En premier lieu, elles permettent d’introduire la distinction entre fibre de type monomode et multi mode. Les premières sont celles qui ont un coeur suffisamment fin pour 1<m0<2, de telle sorte qu’un seul mode puisse se propager. Divers effets non considérés jusqu’à présent, constituent des limitations à l’utilisation des fibres optiques. Il s’agit de l’affaiblissement de propagation et de la dépendance de l’indice de réfraction par rapport à la fréquence. Ces effets résultent non seulement de l’interaction avec les impuretés inévitables.

L’affaiblissement

C’est la diminution de la puissance optique des signaux entre deux sections transversales d’une fibre optique. Les principales causes d’affaiblissement sont la diffusion et l’absorption de la lumière, ainsi que les pertes dues aux connecteurs et aux épissures. L’affaiblissement est exprimé par la fonction logarithmique: A(dB)=10.Log(Pin/Pout)
Où Pin: puissance lumineuse injectée dans la section transversale de la fibre.
Pout : puissance lumineuse reçue au point de mesure.
Pour une fibre le coefficient d’affaiblissement linéique exprimé en dB/km. Soit P la puissance optique guidée dans la fibre: P décroît exponentiellement avec la longueur L de la fibre. D’un bout à l’autre d’une fibre de longueur l, P en sortie s’exprimerait par:

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La bande passante

En terme de fréquence, la dispersion affecte la fonction de transfert de la fibre optique et par conséquent sa bande passante. La bande passante d’une fibre optique décroît proportionnellement de façon approximative avec la longueur.

Raccordements, connexions et câblages

Il est évidemment d’une grande importante pratique de pouvoir interconnecter les fibres optiques, mais c’est une opération en principe difficile à cause de la petite dimension du coeur. Nous allons examiner ici les méthodes de base. Il faut d’abord dire que le mot « raccordement » désigne un raccordement permanent et déconnecter très souvent.

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Méthode de raccordement : (a) Manchon, (b) Rainure en V, (c) Fusion à arc électrique, (d) Raccordement des rubans de fibres.
Il y’a plusieurs techniques de base pour raccorder les fibres, par exemple la méthode du manchon, la méthode du Vé et le joint à tube libre. Ces méthodes utilisent toutes de la résine époxy pour la fixation en position définitive des fibres; elles ne sont pas aussi difficiles à appliquer qu’on pourrait le penser. Une méthode : la plus répandue consiste à ramollir et à fondre les extrémités de la fibre dans un arc électrique à faible puissance. Dans le cas des fibres multi modes, on peut obtenir des pertes à l’épissure, de l’ordre de 0,05 à 0,2dB. Cependant à cause du faible diamètre de coeur, environ 5µm, l’épissure est beaucoup plus difficile dans les fibres monomodes, spécialement si le coeur présente des excentricités. Néanmoins avec un certain succès. Une méthode de raccordement multifibre a été en oeuvre mais les extrémités des fibres ont dû être préparées lors de la fabrication.
Les connecteurs optiques pour fibre multi mode sont maintenant disponibles commercialement. Dans certains cas, on réduit la perte par réflexion entre les extrémités des fibres en insérant une fine plaque en plastique entre elles. La perte par couplage a été ainsi réduite à 0,1 – 0,2dB.
Un exemple des nouvelles solutions est le connecteur à double excentrique, dans lequel les deux fibres à coupler sont montées légèrement décalées par rapport à l’axe. En faisant tourner les manchons maintenant les fibres; on fait tourner les cœurs sur l’intensité lumineuse sortant d’une fibre quand l’autre est excitée.

1 décembre 2021
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