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Câble à fibre optique JUILLET 2003 REF :MND/COURS .FO- NPS Page 1 sur 20 INTROD

Câble à fibre optique JUILLET 2003 REF :MND/COURS .FO- NPS Page 1 sur 20 INTRODUCTION La fibre optique est une des plus grandes avancées technologiques en matière de câblage puisqu’elle perd tous les désavantages des câbles électriques (puissance, impédances,...). Son but est de transporter de la lumière dont la source est soit un laser, soit une DEL (diode électroluminescente, LED en anglais). L’élément principal de la fibre est le conducteur central communément appelé âme de la fibre ou cœur. Il est composé d’une fibre de verre ou de plastique hautement raffiné dans lequel les ondes optiques vont se propager. Ce conducteur est entouré d’une gaine optique d’indice de réfraction inférieur à celui du cœur afin de confiner les ondes optiques dans le cœur. Le tout sera ensuite recouvert d’un revêtement de protection pour protéger mécaniquement la fibre. Le système de câblage en fibre optique repose sur des câblage regroupant un nombre pair de fibres (une pour la transmission, une pour la réception). Ce type de câble possède un rayon de courbure maximum et s’adresse plutôt à des connexions inter réseaux de plusieurs kilomètres de distance. Un câble optique peut négocier des transferts allant jusqu’à 200 Gigabit/s. Et là on parle de distances dépassant plusieurs kilomètres, ce qu’aucun câble de cuivre ne permet de faire. Aujourd’hui, c’est la meilleure solution pour des grandes distances et des gros transferts. Relativement facile à installer, étant donné sa technologie, il permet surtout de connecter des backbones entre eux. Mais il faut des moyens et des investissements pour de telles lignes. Le gros avantage de ce type de câble est qu’il est indifférent aux perturbations électromagnétiques puisqu'il transporte de la lumière. De plus, il échappe complètement aux écoutes clandestines, puisqu’en l’occurrence il faudrait se ponter directement sur le câble ce qui couperait la connexion, c’est donc aussi une valeur sûre pour de grosses connexions sécurisées JUILLET 2003 REF :MND/COURS .FO- NPS Page 2 sur 20 Les lois physiques et les propriétés de la fibre optique Afin de comprendre le fonctionnement de la transmission au cœur de la fibre optique il nécessaire d'expliquer quelques termes et principes de base de l'optique physiques. La lumière est une onde électromagnétique qui a deux composants: un champs magnétique et un champs électrique, perpendiculaires entre eux. Les deux champs sont dirigés perpendiculairement à la direction de propagation de l'onde lumineuse. Les principes de la propagation de la lumière La réfraction Au passage d'un milieu matériel à un autre de caractéristiques physiques différentes, la lumière change la direction ainsi que la vitesse de propagation. En ce qui concerne particulièrement la propagation de la lumière dans la fibre optique, la deuxième des propriété est plus intéressante et nous essayerons d'insister sur elle. Tous les milieux physiques sont caractérisés par un indice de réfraction. L'indice de référence est celui du vide et sa valeur est de n = 1. De manière générale l'indice de réfraction de l'air est approximé à 1. Si on considère V la vitesse de propagation de la lumière dans le vide (environ 300 000 Km/s) et V' la vitesse dans un milieu quelconque d'indice de réfraction n' (n' sera toujours supérieur ou égal à n = 1), le rapport des vitesse est décrit par la relation V'/V = n/n', ce qui veut dire que plus la l'indice est grand, plus la lumière est lente dans le milieu correspondant. A titre indicatif, la vitesse de la lumière dans l'eau est d'environ 0.75*V et dans le verre il est compris entre 0.55*V et 0.60*V, en fonction du type de verre. La réflexion La réfraction est accompagné par un phénomène de réflexion : à la frontière entre deux milieux différents une partie (réflexion partielle) ou toute la lumière incidente (réflexion JUILLET 2003 REF :MND/COURS .FO- NPS Page 3 sur 20 totale) retourne dans le milieu duquel elle provient avec, bien sûr, un angle de propagation différent. Les deux phénomènes sont représentés graphiquement sur le schéma suivant : Le contenu de la fibre optique La propagation de la lumière à l'intérieur de la fibre optique se base sur les deux principes décrits précédemment. Pour être plus précis, le phénomène de propagation est dû à la réflexion interne totale au niveau de la frontière entre les deux milieux d'indices différents qui forment la fibre optique. La réflexion interne totale à lieu au passage de la lumière d'un milieu de fort indice vers un milieu de faible indice de réfraction. Ceci permet de diriger l'onde lumineuse dans la direction souhaitée, à condition que son angle d'incidence soit supérieur à " l'angle critique " - l'angle minimal d'incidence pour lequel il a lieu le phénomène de réflexion interne totale. Pour tout angle d'incidence il y a un mode de transmission, donc il est possible de transmettre en même temps un grand nombre d'ondes lumineuses différentes, transportant donc des informations différentes. Mais le thème des fibres optiques mono et multimode est traité dans une autre section. La fibre optique est construite de manière à créer les conditions nécessaires à l'apparition de la réflexion interne totale. Elle comprend ainsi deux milieux : le coeur, dans lequel l'énergie lumineuse se trouve confinée, grâce à un second milieu, la gaine, dont l'indice de réfraction est plus faible. La fabrication d'une fibre optique passe par la réalisation d'une préforme cylindrique en barreau de silice. La silice est un composé oxygéné du silicium, de formule SiO2, présent dans JUILLET 2003 REF :MND/COURS .FO- NPS Page 4 sur 20 un grand nombre de minéraux, tels que le quartz, la calcédoine et l'opale. La fibre est ensuite étirée à partir de ce barreau. Son centre, qui constitue le coeur de la fibre, nécessite une silice très pure avec un minimum d'ions hydroxyles OH- . Le coeur est entouré d'une silice de moindre qualité qui forme la gaine optique. On réalise un écart d'indice entre le coeur et la gaine en incorporant des dopants, tels que le germanium et le phosphore qui font augmenter l'indice dans le coeur ou le bore et le fluor qui le font décroître dans la gaine. A titre d'exemple, une préforme de verre d'une longueur de 1 m et d'un diamètre de 10 cm permet d'obtenir par étirement une fibre monomode d'une longueur d'environ 150 Km. Les différents types de fibre optique 1.- Les fibres multimodes Ce sont des fibres dont la partie centrale a un diamètre grand devant la longueur d'onde utilisée.(entre 50 et 200µm) - La fibre à saut d'indice est constituée d'un cœur et d'une gaine optique en verre de différents indices de réfraction. La gaine optique joue un rôle actif dans la propagation, et ne doit pas être confondue avec les revêtements de protection déposés sur la fibre. La loi de Descartes s'applique dans ce cas présent, mais, cette fibre provoque de par l'importante section du cœur, une grande dispersion des signaux la traversant, ce qui génère une déformation du signal reçu. - La fibre à gradient d'indice dont le cœur est constitué de couches de verre successives ayant un indice de réfraction proche mais décroissant depuis l'axe jusqu'à l'interface. Le guidage est cette fois dû à l'effet du gradient d'indice. Les rayons guidés suivent une trajectoire d'allure sinusoïdale. On s'approche ainsi d'une égalisation des temps de propagation, ce qui veut dire que l'on a réduit la dispersion nodale. Bande passante typique 200-1500Mhz par km. Ces fibres sont spécialement conçues pour les télécommunications à moyenne distance (ouverture JUILLET 2003 REF :MND/COURS .FO- NPS Page 5 sur 20 numérique 0,2) diamètres cœur/gaine 50/125. Il existe aussi les fibres 62,5/125 utilisées en micro-informatique et 85/125 utilisées en vidéocommunications. 2.- Les fibres monomodes. - La fibre monomode dont le cœur 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 presque infinie (> 10Ghz/km). Cette fibre est utilisée essentiellement pour les sites à distance. Le petit diamètre du cœur (10um) nécessite une grande puissance d'émission, donc des diodes au laser qui sont relativement onéreuses. Propagation de la lumière dans les trois types de fibres Propagation de la lumière Un rayon lumineux pénètre dans la fibre sous un angle faible. L’aptitude d’une fibre à recevoir de la lumière est prédéterminée par son ouverture numérique donnée par la relation : O.N. = no sin a o = (nco ² - ngo ²),5 (no = indice de réfraction de l’air, ao = angle sous lequel le rayon lumineux atteint l’interface entre le coeur et le revêtement, nc = indice de réfraction du coeur, nm = indice de réfraction du revêtement). Jusqu’à ce qu’il rencontre l’interface entre le cœur et le revêtement, le rayon se propage JUILLET 2003 REF :MND/COURS .FO- NPS Page 6 sur 20 linéairement. À l’interface, le rayon est réfléchi et suit la courbure du cœur de la fibre. Une réflexion interne se produit à l’interface car l’indice de réfraction du revêtement est supérieur à celui de l’air mais inférieur à celui du cœur (nI > 1,4).voyons la propagation de la lumière selon les divers uploads/Geographie/ cours 8 .pdf