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IUT de Grenoble - RT tpopt12.doc - 1 16/08/12 RESEAUX & TELECOMMUNICATIONS RT2A

IUT de Grenoble - RT tpopt12.doc - 1 16/08/12 RESEAUX & TELECOMMUNICATIONS RT2A TP4b Transmission par Fibre Optique Module P2 2012-13 Le but de ce TP est l’étude d’une ligne de transmission par fibres optiques, étude sur deux types de fibre et constituée en 3 parties : • Etude à l'aide d'un réflectomètre optique • Etude de la bande passante de la fibre • Etude de l'atténuation de la fibre. 1 Rappels théoriques 1.1 Généralités sur les fibres optiques. La lumière au sens large (non restreint au domaine du visible de λ=0,4 µm à λ=0,8 µm) est une onde électromagnétique qui peut servir de support de transmission de l’information. La propagation de la lumière dans l’atmosphère étant très variable, une transmission longue distance en espace libre n’est pas envisageable. Par contre sa transmission guidée dans une fibre optique présente les avantages suivants: • Faibles pertes par propagation • Large bande passante ⇒ portée et capacité de débits très supérieurs aux câbles en cuivre • Insensibilité aux perturbations électromagnétiques (C.E.M.) • Couplage quasi nul entre fibres optiques gainées • Robustesse, faible poids et faible encombrement • Prix de revient modéré (coût global en général inférieur à la solution "cuivre") La technologie fibre optique est aujourd'hui mature grâce aux progrès faits sur la transparence des fibres, l'apparition de connecteurs et de composants optoélectroniques performants (diodes laser et photodiodes). Pour toutes les nouvelles installations de transmission à moyenne et à grande distance les fibres optiques sont désormais préférées aux câbles "cuivre". Les domaines d'applications sont les télécommunications, les liaisons et réseaux de données (transmission V.D.I. : Voix, Données, Images) ainsi que l'électronique (liaisons, capteurs et instrumentation). 1.2 Principe de la propagation guidée. Une fibre optique est un guide d’onde diélectrique circulaire formé d’un cœur entouré d’une gaine de guidage. Si le cœur a un indice de réfraction n2 supérieur à celui de la gaine n1, un rayon optique peut alors se propager dans la fibre, celui-ci subissant des réflexions totales à chaque interface. Pour le verre, n2 est de l'ordre de 1,5 . Tous les rayons lumineux pénétrant dans une fibre ne sont pas guidés. En effet la réflexion totale n'a lieu que pour les rayons peu inclinés par rapport à l'axe de la fibre c’est à dire ceux entrant dans le cône d'acceptance de demi-angle au sommet θi max . Le sinus de cet angle θ i max définit l'ouverture numérique ON . On montre que ON = sin θ i max = 2 2 1 2 n n − . Avec une différence d'indice de 1% on a ON ≈ 0,21 soit θ i max ≈ 120. IUT de Grenoble - RT tpopt12.doc - 2 16/08/12 Il existe principalement 2 types de fibres : • Les fibres multimodes à saut d’indice ou à gradient d’indice. Elles ont un diamètre de cœur d grand devant la longueur d’onde λ (de 50µm à 200 µm). Plusieurs trajectoires ou plusieurs modes sont autorisés pour se propager dans la fibre. • Dans les fibres où le diamètre de cœur d est beaucoup plus petit, les trajets sont pratiquement rectilignes : ces fibres sont dites monomode. Fibre multimode à saut d ’indice Fibre multimode à gradient d ’indice Fibre monomode t t t Profil d ’indice Etalement des impulsions ∆τ ∆τ ∆τ ∆τm ∆τ ∆τ ∆τ ∆τm t Impulsion émise ∆τ ∆τ ∆τ ∆τ 1.3 Les fibres multimodes. 1.3.1 Fibre à saut d’indice (SI) Le cœur a un indice de réfraction constant. La différence d’indice entre le cœur et la gaine est faible, en effet le coeur est légèrement dopé afin que n2 >n1 Selon l’angle d’incidence θi , la lumière se répartit sur un certain nombre de trajectoires en zig-zag autorisées appelées modes. Appliquons une brève impulsion de lumière à l'entrée de la fibre. La figure ci-dessus montre les différents trajets correspondant aux différents modes de la fibre. Leur trajectoire est différente même ils ont la même vitesse de phase (n2 constant). Leur temps de propagation sera alors différent. Le mode fondamental (trajet le plus direct) arrivera en premier tandis que le mode extrême arrivera en dernier. Du fait de la dispersion des temps de propagation, une impulsion lumineuse injectée à l’entrée de la fibre va arriver sous forme d’un grand nombre d’impulsions décalées. Il en résulte en sortie un étalement de l'impulsion : c'est la dispersion modale. Une forte ouverture numérique (θi max élevé) permet de coupler une grande quantité de lumière mais induit une forte dispersion modale. A cette dispersion modale s'ajoute la dispersion chromatique due à la variation de n2 avec λ lorsque la source n'est pas monochromatique. Elle est négligeable devant la dispersion modale. Diamètre du cœur (µm) Atténuation (dB/km) pour λ=0.85 µm Bandes passantes (MHz.km) pour λ=0.85 µm Ouverture Numérique (ON) 200 6 20 0.37 θ θ θ θimax Cône d ’acceptance Rayon réfracté Rayon guidé Gaine (n2) Coeur (n1) Axe de propagation d IUT de Grenoble - RT tpopt12.doc - 3 16/08/12 1.3.2 Fibres à gradient d'indice (GI) Elles ont été spécialement conçues pour les télécommunications afin de minimiser l'effet de la dispersion modale, sans trop réduire l’ouverture numérique et donc la puissance optique couplée. Dans ces fibres, l’indice de cœur diminue depuis l’axe jusqu'à l’interface cœur-gaine suivant une loi parabolique. Les rayons suivent alors des trajectoires quasi-sinusoïdales avec des temps de parcours sensiblement égaux. En effet aux trajets les plus longs (éloignés de l’axe) correspondent des indices de réfraction plus faibles, soit des vitesses v = c/n2 plus élevées compensant ainsi l’augmentation de la longueur du trajet. La dispersion modale est considérablement réduite comme on le voit ci-dessus. Longueur d’onde λ (µm) Diamètre du cœur (µm) Atténuation (dB/km) Bandes passantes (MHz.km) Ouverture Numérique (ON) Indice de réfraction (n) 0.85 62.5 ~ 3 ~ 200 0.275 1.496 1.3 62.5 ~ 0,6 ~ 500 0.275 1.487 1.3.3 Bande passante On mesure généralement la bande passante B qui est la réponse fréquentielle ou la transformée de Fourier de la réponse impulsionnelle. On rappelle que pour transmettre un signal, on module la puissance lumineuse. On définira alors une fréquence de coupure ou une bande passante B lorsque l’amplitude de modulation aura chutée de 3 dB. La puissance moyenne optique émise à l’entrée et à la sortie sont constantes. Si la fréquence augmente, les crêtes et les creux de modulation deviennent des "pics" qui vont subir, comme précédemment, un étalement dans le temps, suite aux décalages entre les différents temps de parcours. L’élargissement est proportionnel à la longueur de la fibre ⇒ B lui est donc inversement proportionnel et on peut dire que le produit "bande passante.longueur" est constant. Ce terme, exprimé en "MHz.km", est une caractéristique essentielle des fibres multimodes (BSI ≅ 10 à 50 MHz . km et BGI ≅ 200 MHz . km). Au cours de ce TP, on utilisera une méthode harmonique pour mesurer la bande passante des fibres décrite sur la figure ci-dessous. 1.4 Les fibres monomode Elles sont du type à saut d’indice. Lorsque le diamètre de cœur d est inférieur à 10 µm et la différence d’indice inférieure à 0,5 % , il est possible de n’avoir qu’un seul mode qui se propage au voisinage de l’axe pour une certaine plage de longueur d’onde. Pour la fibre monomode standard 9/125, on l’utilise à λ=1.3 µm et à λ=1.55 µm. L’avantage principal de ce type de fibre est sa très grande bande passante due à l’absence de dispersion modale. Seule subsiste une dispersion chromatique. En effet, l’indice n2 variant avec la longueur d’onde, il y a une variation du temps de propagation avec celle-ci. On réduit cet effet par l’emploi de diodes laser qui ont une bande spectrale beaucoup plus étroite qu’une diode électroluminescente ( B > 10 GHz . km). IUT de Grenoble - RT tpopt12.doc - 4 16/08/12 1.5 Atténuation dans les fibres optiques Parmi les causes d’atténuation de la puissance lumineuse transmise dans une liaison par fibre optique on distingue : • Les pertes intrinsèques liées au matériau utilisé. Ce sont les pertes par diffusion et par absorption • Les pertes extrinsèques dues aux facteurs extérieurs à la fibre (raccordements, pose, etc...). 1.5.1 Pertes intrinsèques dues au matériau L’atténuation de la lumière dans une fibre de longueur l se caractérise par un terme d’atténuation linéique α α α α, exprimé en dB/km: l P P i l         = 10 log 10 α où Pi est la puissance couplée à l’entrée de la fibre et Pl est la puissance à la sortie de la fibre. Cet affaiblissement est constant quel que soit la fréquence de modulation jusqu'à ce qu’intervienne la dispersion modale. La constante α dépend du matériau et de la longueur d’onde utilisée. Pour les fibres de silice la courbe α(λ) , représentée ci-dessous, fait apparaître trois phénomènes : 1.5.1.1 Pertes par diffusion dite de Rayleigh : Cette diffusion appelé diffusion de Rayleigh est due à des variations locales de l’indice de réfraction de la Silice liées à des inhomogénéités et des impuretés. On montre qu’elle uploads/Litterature/ fibre-optiq.pdf