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République Algérienne Démocratique et Populaire Ministère de l'enseignement Sup

République Algérienne Démocratique et Populaire Ministère de l'enseignement Supérieur et de la recherche scientifique Université Hassiba Benbouali de Chlef Faculté de Technologie Département d’électronique Polycopié de cours destiné aux étudiants Master 2 en télécommunication Matière : Communications optiques Présenté par : Dr. Hadj Ali BAKIR Année universitaire : 2018 –2019 i Sommaire Chapitre 01 : Introduction aux systèmes de communications optiques 1.1 Introduction et bref historique …………………………………………………… 01 1.1.1 Introduction ………………………………………………………………. 01 1.1.2 Bref historique ……………………………………………………………. 01 1.2 Evolution des systèmes de communications optiques ………………………....... 03 1.3 Avantages des fibres optiques …………………………………………………… 03 Chapitre 02 : Etude de la propagation dans les fibres optiques 2.1 Approche géométrique …………………………………………………………... 05 2.1.1 Principe de Fermat et loi de Snell-Descartes ……………………………. 05 2.1.2 Applications aux fibres optiques (Notion de l’ouverture numérique – Fibres multi mode et monomode) ……………………………………………... 06 2.1.3 Angle d’acceptance ………………………………………………………. 09 2.1.4 Différents types de fibres optiques ………………………………………... 12 2.1.4.1 Fibre optique multi mode à saut d'indice ……………………………… 13 2.1.4.2 Fibre optique multi mode à gradient d'indice …………………………. 14 2.1.4.3 Fibre optique monomode ……………………………………………… 15 2.2 Approche ondulatoire ……………………………………………………………. 16 2.2.1 Les modes dans des FO cylindriques ………………………………..…… 16 A) pour une FO à saut d’indice …………………………………………………. 19 B) Pour une FO à gradient d’indice …………………………………………….. 20 2.3 Les principales causes de l’atténuation dans les FO ……………………………. 23 2.4 Autres limitations des fibres optiques …………………………………………… 23 2.4.1 La dispersion ……………………………………………………………... 23 2.4.2 La dispersion modale …………………………………………………….. 24 2.4.3 La dispersion chromatique ……………………………………………… 26 Chapitre 03 : Emetteurs / Récepteurs Electro-optique 3.1 Diodes LED …………………………………………………………………….. 28 3.1.1 Les caractéristiques demandées de cette source (LED) ………………….. 28 3.1.2 Structure de base et fonctionnement ……………………………………… 29 3.1.3 Le spectre d’émission de la LED …………………………………………. 32 3.1.4 L’efficacité quantique et la puissance du LED …………………………... 34 3.2 Diode laser ………………………………………………………………………. 38 3.2.1 Concept de la diode laser …………………………………………………. 38 3.2.2 Condition d’oscillation de la diode laser …………………………………. 39 3.2.3 Des diodes laser pour les longues distances ……………………………… 46 3.3 Les récepteurs optiques ………………………………………………………….. 49 ii 3.3.1 Paramètres de performance d’un photo détecteur ………………………… 50 3.3.2 Principe générale des photodiodes ……………………………………… 53 3.3.3 Schéma équivalent de la photodiode …………………………………….. 50 3.3.4 Les types des récepteurs optiques ………………………………………… 56 3.3.4.1 La photodiode PIN ……………………………………………………. 56 3.3.4.2 Photodiode à avalanche APD …………………………………………. 58 3.3.5 Les sources de bruit dans les photos détecteurs …………………………... 61 3.3.5.1 Le bruit d’obscurité …………………………………………………… 61 3.3.5.2 Le bruit de grenaille …………………………………………………… 63 3.3.5.3 Le bruit de johnson ……………………………………………………. 63 3.3.5.4 le bruit d’excès ………………………………………………………… 63 Chapitre 04 : Système de transmission par fibres optiques 4.1 Schéma synoptique d’une chaine de transmission optique ……………………... 66 4.2 Raccordement des fibres optiques ……………………………………………….. 67 4.3 Types de connecteurs ……………………………………………………………. 67 4.4 Les différents types de liaison optique …………………………………………... 70 4.4.1 Liaison point à point ……………………………………………………… 70 4.4.2 Liaison avec amplificateurs optique EDFA ………………………………. 70 4.4.3 Liaison multiplexée à WDM ……………………………………………… 73 4.4.3.1 Des exemples de configurations d’une liaison WDM ………………… 75 4.4.3.2 Une liaison typique d’un système WDM ……………………………… 76 4.4.3.3 Comparaison entre les CWDM et DWDM …………………………… 77 4.4.3.4 Cas particulier : Multiplexeur optique a insertion et extraction (Optical Add /Drop MuX) …………………………………………………………………….. 78 4.4.4 Liaison de multiplexage à OTDM ………………………………………... 78 Chapitre 05 : Réseaux sur fibres optiques 5.1 Les réseaux optiques …………………………………………………………….. 84 5.2 Les topologies de base des réseaux PON ………………………………………... 84 5.3 Etude des éléments d'un réseau optique passif…………………………………… 86 5.3.1 OLT (Optical Link Terminal) …………………………………………….. 87 5.3.2 ONT (Optical Network Terminal) ………………………………………... 87 5.3.3 Coupleur optique (splitter) ……………………………………………….. 87 5.4 Les architectures du réseauPON ………………………………………………… 88 5.5 Les architectures du réseau d'accès optique …………………………………….. 90 5.5.1 L'architecture Point-a-Point ……………………………………………… 90 5.5.2 Point-à-Multipoint passif : PON ………………………………………… 92 5.5.3 PON avec multiplexage en longueur d'onde (WDM) …………………… 92 5.6 Types de réseaux d’accès PON et Normalisations ………………………………. 93 5.6.1 La norme APON ………………………………………………………….. 93 iii 5.6.2 La norme BPON ………………………………………………………….. 93 5.6.3 La norme EPON …………………………………………………………... 94 5.6.4 La norme GPON ………………………………………………………….. 95 5.7 Comparaison des standards d'un réseau PON …………………………………… 95 Références ……………………………………………………………………... 97 Avant propos : Ce manuscrit résulte de notes de cours communication optique dont elles sont composées essentiellement de 4 parties comprennent (les émetteurs optique, la fibre optique et la propagation de la lumière par elle-même, les récepteurs optiques, ainsi que les différents types de liaisons optiques et les réseaux optiques). Sachant que la communication optique devient une branche importante dans le domaine de télécommunication, dont on trouve la grande partie des réseaux soit de la téléphonie fixe ou de la téléphonie mobile qui se compose par des systèmes de transmission optique ou l’interconnexion de l’architecture de ces deux réseaux (fixe et mobile) est faite par la FO (Fibre Optique). Ce présent manuscrit est présenté comme suit : Le chapitre 1 présente une introduction sur les systèmes optiques dans laquelle j’ai cité les différentes phases de développement de la technologie optique et j’ai donné ainsi les différents avantages du support de la FO. Le chapitre 2 présente l’étude de la propagation de la lumière dans la FO, ce chapitre est divisé en 2 parties : la 1 ère partie étudier l’approche ondulatoire dont elle la lumière est modélisée par onde électromagnétique, puis dans la 2 ème partie on va étudier l’approche géométrique dont elle la lumière est modélisée par des rayons qui se propagent dans le cœur de la FO. Le chapitre 3 se divise en 2 parties, la 1 ère partie décrit les émetteurs optiques (LED et laser). Dans ce chapitre on explique comment la lumière est généré par la diode LED et la diode laser et certaines caractéristiques de ces sources optoélectronique seront données puisla 2ème partie de ce chapitre explique comment la photodiode PIN ou la photodiode APD sert à reconstituer l’information transmis par la FO. Le chapitre 4 donne un schéma synoptique sur une liaison optique avec un paragraphe sur les types des connecteurs utilisés pour le raccord des FO ; puisles différentes liaisons qu’on peut concevoir par la FO (comme la liaison WDM et une liaison OTDM) seront décrites dans ce chapitre. Le chapitre 5 présente les réseaux optiques et les éléments qui constituent d’un tel réseau optique, les différentes topologies utilisées pour construire un réseau optique. Et un paragraphe décrit tous les normes des réseaux optique (APON, BPON, EPON, GPON). Alors après ces notions présentées dans les chapitres de ce document ; on comprend comment se transmettre l’information dans une liaison optique(de l’émetteur ; à la FO, puisau récepteur). 1 Chapitre 01 : Introduction aux systèmes de communications optiques 1.1 Introduction et bref historique 1.1.1Introduction - Les systèmes de communication optique utilisent la lumière (Onde lumineuse) pour transmettre l’information d’un lieu à un autre en des distances de quelques kilomètres à des milliers de kilomètres pour délivrer l’information aux maisons et même l’échange entre les centraux téléphoniques des grandes villes. - La fréquence d’une onde de lumière est proche à 200 THz pour 1550 nm de longueur d’onde. Et comme plusieurs canaux des longueurs d’ondes différentes peuvent être multiplexés pour prendre la capacité totale sur cette bande spectrale et cela permettre d’atteindre des transmissions à des Tbits/sec. Ou cette partie de la bande spectrale est la fenêtre principale qui présente une atténuation faible de la fibre de silice. - Dans la première décennie du 21ème siècle, Le taux binaire d’information atteint est de quelques dizaines des Gbits/sec. Ethernet de dizaines Gbits / sec a été standardisé et l’introduction d’Ethernet de 100 Gbits/sec dans les réseaux de fibre est inévitable. Similairement, pour les taux de transmission dans SDH (synchronous digital hierarchy), OC- 192 et OC-768 pour 10 et 40 Gb/sec ont été implanté ces dix dernières années. Récemment, la possibilité de 1 Tb/sec par canal de longueur d’onde a été proposée aussi mais pas encore implanté pratiquement. - Des ondes lumineuses modulées sont guidés à travers des FO mono mode sur plusieurs kilomètres et la compensation de la lumière est assurée par l’utilisation des amplificateurs dont l’amplification des photons est atteinte. 1.1.2 Bref historique : Les systèmes des communications par fibre optique se sont avancés très vite depuis sa création en 1966. Son développement technologique a progressé dans 03 phases principales. - Ere de la fibre multi mode dans la première phase quand la fibre de silice a été fabriqué au début des années 1970. Puis à la fin des années 1970, les fibres mono mode ont été fabriquées, et les lasers de longueur d’onde de 1300 nm étaient disponibles aussi dans les 2 laboratoires de recherche. A cette longueur d’onde, la dispersion de la fibre est proche de zéro, et les systèmes de transmission sont limités par l’atténuation des ondes lumineuses. - La figure suivante montre l’évolution de la FO de 1970 à 2010. Figure 1.1 : La progression des communications optique dans 1975-2010 en terme augmentation capacité-distance avec l’année [1]. Une augmentation significative dans la capacité-distance produit après 1990 et cela est dû à l’invention des amplificateurs optique utilisant des fibres de silice dopée par l’erbium. Avant cela, une certaine amélioration dans la capacité de transmission due au changement uploads/Ingenierie_Lourd/ polycopie-final-hadj-ali-bakir-cours-dz.pdf