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Cours MRIM: Cours MRIM: Etude Etude des supports de transmission des supports d

Cours MRIM: Cours MRIM: Etude Etude des supports de transmission des supports de transmission la fibre optique la fibre optique 1 - Généralités La lumière est une onde électromagnétique, de longueur d’onde λ, qui se propage dans un milieu transparent et isolant (diélectrique). Avec : λ = c . T ou encore: λ = c / f où c est la célérité et vaut approximativement 3.108 m/s dans le vide ou l’air; f est la fréquence en Hz. Page 2/35 Cours MRIM: La fibre optique Spectre de la lumière • La lumière visible n'est qu'une petite partie de ce qu'on appelle le spectre électromagnétique. • Dans le domaine des radiations visibles, le spectre s’étend du violet au rouge, ce qui correspond dans l’air ou dans le vide aux longueurs d’onde comprises entre 400 et 700 nm. • La communication par fibre optique utilise les longueurs d ’onde comprises entre 800 et 1600 nm, dans le domaine de l ’infrarouge. Page 3/35 Cours MRIM: La fibre optique f Hz 3.1020 3.1019 3.1018 3.1017 3.1016 3.1015 3.1014 3.1013 3.1012 3.1011 3.1010 3.109 3.108 3.107 3.106 Indice de réfraction de quelques milieux matériels Air Eau Huile Verre Crown Verre Flint Carbone Oxyde de titane 1,0002 1,333 1,5 1,517 1,655 2,417 2,76 Indice optique d’un milieu isolant et transparent: l ’indice de réfraction L’indice optique "n", ou indice de réfraction d’une substance, est donné par le rapport de la célérité de la lumière dans le vide à la célérité de la lumière dans le milieu considéré : v c n = Page 4/35 Cours MRIM: La fibre optique 2 - Caractéristiques d'une fibre optique • L ’âme ou le cœur est la région de la fibre dans laquelle se propage la lumière. Dans ce milieu, l ’indice de réfraction n1 y est le plus élevé. • La gaine optique est un milieu d ’indice n2 légèrement plus faible, qui se comporte ainsi comme un « miroir réfléchissant » pour la lumière à l ’interface cœur-gaine. • Le revêtement est une couche de plastique qui entoure la fibre optique pour la renforcer, elle aide à absorber les chocs et permet une protection complémentaire contre des courbures excessives. • L'armature en fibres permet de protéger le cœur contre les forces d'écrasement et les tensions mécaniques excessives lors de l'installation. • La gaine extérieure complète la protection mécanique du cœur, elle est généralement de couleur orange, certains types présentent des couleurs noire ou jaune. Page 5/35 Cours MRIM: La fibre optique • Une petite O.N n ’autorise que l ’injection d ’un faisceau lumineux issue d ’une source très directive (LASER) • Une grande O.N permet d ’injecter une grande quantité de lumière issue d’une source assez divergente (diode DEL). • L’ouverture numérique caractérise l’angle maximum θ0 que peut faire le faisceau pour assurer sa propagation dans la fibre optique. Ouverture numérique d’une fibre optique 0 2 2 2 1 0) sin( . n n n N O − = = θ Page 6/35 Cours MRIM: La fibre optique Au delà de cette limite, les rayons sont déviés dans la gaine et finissent par disparaître. • Paramètre de dispersion intermodale Un mode de propagation correspond à un rayon lumineux possédant une inclinaison donnée. Δt représente l’écart de temps entre le mode le plus rapide et le plus lent. soit • Vitesse de groupe de l’onde C’est la rapidité avec laquelle l’énergie lumineuse se propage d’une extrémité à l’autre du guide d’onde. 1 max n c V i g = 2 1 2 min . n n c V i g = 1 2 1 n n n − ≅ Δ 100 . % 1 2 1 n n n − ≅ Δ L c n L V L t i g 1 max min . = = 2 2 1 min max . . n c n L V L t i g = = 2 2 1 1 . ) .( . n c n n n L t − = Δ c n L t Δ = Δ . . 1 • Différence relative des indices de réfraction Δ (donnée fabricant) , pour n1 ≅n2 • Remarque: Δ s'exprime en %, soit : , en général: Δ% < 1% Page 7/35 Cours MRIM: La fibre optique – On montre que la bande passante d'une fibre s'écrit : – Soit: → t P B Δ = . 2 1 . ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ − = 1 . . . 2 . 2 1 1 n n n L c P B constante 1 . . 2 . 2 1 1 = ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ − = × n n n c L P B 0 1 Tb 0 2Tb 1 t Entrée de la fibre Tp 1 Tp+Tb 0 Tp+2Tb 1 t mode + rapide mode + lent Sortie de la fibre Cours MRIM: La fibre optique – A l’entrée de la fibre optique, on envoie une impulsion lumineuse infiniment étroite (Dirac). Cette impulsion excite tous les modes de propagation de la fibre. – A la sortie de la fibre, on constate que l’impulsion s’est élargie dans le domaine temporel: →C’est le phénomène de dispersion intermodale. Si la durée Tb séparant 2 impulsions est trop brève, les signaux se recouvrent en sortie rendant le décodage impossible. (Interférence Inter Symbole ou I.I.S.) – Il faut diminuer la fréquence du signal numérique. – Le phénomène de dispersion modale se traduit par une limitation de la bande passante du guide d’onde. Produit Bande Passante*Longueur Ce produit étant constant, l’usage veut qu’on exprime la bande passante en MHz × km. Dispersion intermodale Page 8/35 Lorsqu’on injecte, à l’entrée d’une fibre optique, une puissance Pe = P(0) sous forme d’une onde électromagnétique, cette puissance décroît avec la longueur L de la fibre optique en fonction de l'atténuation linéique αdB/km , et à la sortie, on récupère la puissance Ps = P(L). Soit : P(L) = P(0).10-α.L/10 'α' dépend du matériau (plastique, silice,...) et de la longueur d'onde λ. P(L) l P(0) L O Page 9/35 Cours MRIM: La fibre optique Atténuation linéique On montre expérimentalement que les fibres présentent une atténuation minimale pour une longueur d'onde optique de 1550nm. (cela correspond à un minimum d'absorption d'énergie par le matériau de la fibre). • En transmission optique on définit 3 fenêtres de transmission : – Les fenêtres 1 et 2 résultent d'un compromis technico-économique entre l'atténuation apportée par la fibre et les composants optoélectroniques utilisés en fonction des applications. – La fenêtre 3 correspond à l'atténuation minimale mais exige des composants optoélectroniques très performants, elle est réservée aux applications à haut débit et longues distances. Page 10/35 Cours MRIM: La fibre optique où λ représente la longueur d'onde de la lumière utilisée. ¾ Pour α < 2,4 →La fibre ne comporte qu'un mode de propagation, elle est appelée fibre monomode. ¾ Pour α >> 2,4 →La fibre est appelée multimode et se divise en deux sous- catégories : • Fibre multimode à saut d'indice • Fibre multimode à gradient d'indice 3 - Différents types de fibres optiques Suivant les dimensions du cœur et les valeurs des indices n1 et n2, on peut classer les fibres en deux catégories : Soit : 2 2 2 1 . 2 n n − = λ π α Page 11/35 Cours MRIM: La fibre optique Fibre optique multimode à saut d'indice C'est un guide d'onde dont le diamètre du cœur (quelques centaines de μm) est grand devant la longueur d'onde. L'indice de réfraction constant varie brusquement (saut) quand on passe du cœur à la gaine. Le guidage de la lumière se fait suivant des lignes brisées. Page 12/35 Cours MRIM: La fibre optique Fibre optique multimode à gradient d'indice Le cœur possède un indice de réfraction qui décroît progressivement du centre à la périphérie suivant un profil parabolique. Le faisceau lumineux suit une trajectoire d’allure curviligne. Le faisceau lumineux change de direction moins brusquement lors du rebond ce qui diminue les pertes. De plus, les différents modes ont des temps de propagation très proches. Le phénomène de dispersion modale est de ce fait considérablement réduit. Trajet plus long mais plus rapide Trajet plus court mais plus lent Résultat: ex aequo à l ’arrivée Page 13/35 Cours MRIM: La fibre optique Fibre optique monomode Le diamètre du cœur est inférieur à 10 μm de telle sorte que le parcours de la lumière devient presque longitudinal. Le diamètre de la gaine est compris entre 50 μm et 125 μm. Ce type de fibre nécessite une source de lumière quasiment monochromatique. (diode Laser) Ne laissant passer que le mode longitudinal,la dispersion modale est nulle. Page 14/35 Cours MRIM: La fibre optique 4 - Autres caractéristiques Spectre d'émission de la source de lumière Le spectre ci-dessous représente la puissance énergétique relative à la puissance énergétique maximum (Φ = Φ (λ)/ Φ max) située à la fréquence centrale d'émission = λ p. Exemple: Pour une diode Laser ==> Δ λ ≅ uploads/Geographie/ cours-fibre-optique.pdf