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Chapitre 1 : Fibres optiques et propagation de la lumière Transmission optique

Chapitre 1 : Fibres optiques et propagation de la lumière Transmission optique Introduction à la transmission optique (1) SYSTEME DE TELECOMMUNICATIONS Emission Réception Signal émis Canal de transmission Signal reçu parole, image…. signal électrique modulation, codage multiplexage démultiplexage détection signal électrique parole, image... 2 Introduction à la transmission optique (2) Canaux de transmission  Espace libre Faisceaux hertziens (≈250 MHz à 22 GHz): c’un système de transmission numérique ou analogique, entre deux points fixes par ondes électromagnétiques de l'espace. Liaisons satellites (6/4GHz(C),14/11GHz(Ku), 30/20GHz(Ka)  Guides d ’ondes métalliques Lignes TEM (du MHz au GHz)  Espace libre en optique (≈3.1014 Hz soit 300 THz)  Guides d ’ondes diélectriques (fibres optiques) (≈3.1014 Hz soit 300 THz) 3 Spectre & Longueurs d'onde utilisées La longueur d’onde est la longueur spécifique utilisée par la source de lumière et elle est mesurée en nanomètre. Elle est donnée par la relation suivante: l=c/n avec c est la célérité de la lumière dans le vide et est la fréquence. La bande de fréquences térahertz THz désigne les ondes électromagnétiques s'étendant de 100 GHz à 30 THz.  La lumière visible s'étend de 400 nm (violet) à 800 nm (rouge). Trois longueurs d’onde sont utilisées en communications optiques: 800 nm, 1300 nm et 1550 nm. 4 La fibre optique: Avantages pour les télécommunications Nombreux atouts par rapport aux câbles en cuivre : Très faible atténuation ( 0.2 dB/km), Très large bande passante (25 THz), Faible poids, très petite taille (cœur de quelques microns dans une gaine de quelques centaines de microns). Sécurité électrique : isolation totale entre terminaux, utilisation en ambiance explosive insensible et non générateur de parasites, Inviolabilité : difficile d’interception d’un signal véhiculé sur une fibre optique. Avantage économique: moins cher que sur cuivre. 5 Les fibres optiques Présentation Une fibre optique est constituée de trois éléments concentriques. Le cœur: dans cette zone, constituée de verre, que la lumière est guidée et se propage le long de la fibre. La gaine: couche de verre qui entoure le cœur. La composition du verre utilisée est différente de celle du cœur. Lʼassociation de ces deux couches permet de confiner la lumière dans le cœur, par réflexion totale de la lumière à lʼinterface cœur-gaine. La couche de protection: un revêtement de protection mécanique généralement en PVC. 6 Constitution d'une fibre optique Les fibres optiques Principe du guidage de la lumière dans une fibre  Un rayon guidé va subir une réflexion totale à l'interface des deux couches optiques. Si la lumière pénètre dans le cœur de la fibre avec un angle suffisamment petit, elle subit une réflexion totale à la surface qui sépare le cœur de la gaine, et elle se propage le long de l'axe de la fibre, suite aux réflexions successives.  Un rayon peut être simplement réfracté à l'entrée dans la fibre puis à l'interface des deux couches, il passera alors dans la gaine et sera perdu. -> Il existe un angle limite d’injection n1 n2 Rayon guidé Rayon réfracté 7 Guidage de la lumière dans une fibre optique Structures des fibres optiques Il existe deux types de fibres optiques : La fibre multimode: Multi Mode Fiber (MMF) Le diamètre du cœur est grand devant la longueur d’onde. Ce diamètre est de l’ordre de 50 à 200 mm pour les fibres de silice. La propagation du rayon lumineux se fait selon des milliers de modes grâce à la réflexion totale sur la surface de séparation cœur-gaine.  Problème : aucun des modes n'arrive au même moment en bout de fibre. Fibre multimodes à saut d’indice et à gradient d’indice. La fibre monomode: Single Mode Fiber (SMF) Un diamètre de cœur (10 mm), faible par rapport au diamètre de la gaine (125 mm) et proche de l'ordre de grandeur de la longueur d'onde de la lumière injectée. Le cœur est si fin que le chemin de propagation des différents modes est pratiquement direct (sans réflexion). 8 Les fibres à saut d'indice Présentation Le type le plus simple de fibre multimode est le fibre optique à saut d’indice (step-index fiber), directement issues des applications optiques. Dans cette structure, le cœur, d’indice de réfraction n1, est entouré d’une gaine optique d’indice n2 légèrement inferieur. Ces indices sont voisins de 1.5 pour les fibres de silice. 9 t Impulsion émise  Étalement + atténuation t ’ Plusieurs modes de propagation Les fibres à saut d'indice Propagation de la lumière Tracé des rayons optiques pour la fibre multimode à saut d’indice 10  Inconvénient: élargissement des impulsions lumineuses émises. Les fibres à saut d’indice Ouverture numérique L’angle i est déterminé par l’angle d’entrée du rayon dans la fibre, α. Supposons que la surface d'entrée de la fibre est perpendiculaire à son axe de symétrie. En passant du milieu extérieur d'indice de réfraction next (généralement de l'air) dans le cœur de la fibre, l'onde est réfractée en accord avec la loi de Snell. On a : 11 Propagation à travers une fibre à saut d'indice. L'angle α doit être inférieur à une valeur maximale, telle que i reste supérieur à l'angle critique pour la réflexion totale (rayon en trait plein). Le trait interrompu représente un rayon de gaine, qui peut se propager sur une distance plus courte. next sin α = n1 sin β Les fibres à saut d’indice Ouverture numérique L'angle d’entrée dans la fibre, α, doit donc être inférieur à αmax: Cet angle maximal s'appelle l'angle d'acceptance ou l'angle d'admission de la fibre. Cet angle d’acceptance, que l’on retrouve dans de nombreux domaines en optique, est habituellement décrite par une quantité appelée l'ouverture numérique du système (O.N.) (en anglais, numerical aperture, NA). Par définition, l’ouverture numérique est donnée par Il est particulièrement intéressant d’inclure les indices n1 et n2 dans l’ouverture numérique, car, elle constitue une caractéristique du système optique, indépendante du milieu extérieur dans lequel celui-ci est placé. 12 ON = next sin α Les fibres à saut d'indice Dispersion L'information est transmise sous la forme d'une série d'impulsions de lumière. En général, les impulsions à la sortie de la fibre sont élargies par rapport aux impulsions à l'entrée. Le phénomène physique responsable de cet élargissement est la dispersion de la fibre. Si l'élargissement est trop important, il n'est plus possible de décoder correctement l'information à la sortie: il y a perte d'information suite à des erreurs de transmission. L’exemple suivant montre un train d’impulsions lumineuse à l'entrée d'une fibre optique et l’effet de la dispersion. 13 Les fibres à saut d'indice Dispersion (a) Intensité lumineuse à l'entrée d'une fibre optique. (b) Après une certaine distance, les impulsions ont été élargies par la dispersion de la fibre. (c) Lorsque cet élargissement devient trop important, il n'est plus possible de distinguer deux impulsions voisines. 14 Propagation de la lumière dans une fibre à saut d'indice Les fibres à saut d’indice Dispersion modale Dans une fibre multimode, la lumière peut se propager suivant différentes directions, correspondant à des modes différents. La distance parcourue entre les extrémités de la fibre dépend de la direction de propagation. Pour une fibre de longueur L, un mode qui se propagerait parallèlement à l'axe de la fibre doit parcourir une distance L, Un mode correspondant à un angle i doit parcourir une distance L /sin(i) . Les angles de propagation permis sont définis par le cône d'acceptance; ils sont compris entre ic et 90°. La différence de temps de propagation entre les directions extrêmes vaut donc: En remplaçant ic par sin(ic)=n2/n1, la dispersion modale s’écrit comme suit: avec ∆=(n1-n2) /n1et c=3.108m/s. 1 1 mod / / sin / n c L n c i L c    L cn n 2 1 mod    15 Les fibres à saut d’indice Bande passante Soit B la fréquence maximale des impulsions.  Pour que les impulsions puissent être distinguées à la sortie de la fibre, on exige généralement que l'élargissement soit inférieur à la séparation entre les impulsions: Soit Le produit de la fréquence maximale par la longueur est donc une caractéristique de la fibre. Il est appelé bande passante de la fibre et est exprimé en MHz.km ou GHz.km. B 1 mod   ) ( 2 1 1 2 n n c n n BL   16 Les fibres à gradient d'indice Présentation Les fibres à gradient d’indice (graded-index fibers) ont été spécialement conçues pour les télécommunications, afin de minimiser l’effet de dispersion intermodale sans trop réduire l’ouverture numérique, donc la puissance couplée. Le cœur est constitué de couches de verre successives à indice de réfraction de plus en plus grand. L’indice de leur cœur diminue suivant une loi d’allure parabolique depuis l’axe jusqu’à l’interface cœur-gaine. De la sorte, les rayons suivent une trajectoire d’allure sinusoïdale, et ceux ayant le trajet le plus long passent par des milieux d’indice plus faible, ce qui augmente leur vitesse et permet d’égaliser approximativement les temps de propagation. La gaine n’intervient pas dans le guidage lui-même, mais joue un rôle de filtrage spatial en élimant les rayons les plus inclinés. 17 Profil d’indice uploads/Management/ chapitre-1-fo.pdf