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FIBRE OPTIQUE Introduction Bien avant l'invention du téléphone par Graham Bell

FIBRE OPTIQUE Introduction Bien avant l'invention du téléphone par Graham Bell (1876), les télécommunications existaient déjà à travers le télégraphe aérien (ou optique, 1792) puis le télégraphe électrique (1838). Puis, grâce à la découverte des ondes électromagnétiques (Maxwell 1895 puis Hertz), les informations ont emprunté la voie des airs (TSF). Par la suite, le développement, au cours des années 1970, du principe de la fibre optique (figure 1) a révolutionné les télécommunications optiques. Figure 1 : Fibres optiques La première application de la fibre optique fut en 1950 par Van Heel et Hopkins qui inventèrent le fibroscope flexible (figure 2) qui permettait la transmission d’image le long de fibres en verre. Il fut particulièrement utilisé en endoscopie, pour observer l'intérieur du corps humain et pour inspecter des soudures dans des réacteurs d’avions. Figure 2 : fibroscope flexible Mais à cette période, à cause de la mauvaise qualité des fibres utilisées, la transmission ne pouvait se faire sur une grande distance. L’invention du laser en 1960 a permis de transmettre un signal avec assez de puissance sur une grande distance. La fabrication de fibres optiques à base de verre de silice, qui constituait un milieu à pertes assez faibles, a permis la transmission de fréquences optiques de la région du proche infrarouge et leur utilisation dans un système de télécommunications optiques à longue distance. Ainsi, les premières techniques de la fibre optique sont apparues dans les années 1960 à 1970 et grâce à la progression de ses performances, le développement industriel a réellement commencé vers 1998. En raison de son débit et de sa portée bien supérieure aux autres types de câbles, la fibre optique est principalement utilisée dans les réseaux numériques de communication longues distances, internationaux et nationaux, terrestres, sous-marins ou aériens. En outre, elle trouve son intérêt dans plusieurs domaines ; Elle est utilisée dans les liaisons informatiques de courtes distances ainsi que dans l’instrumentation optique de mesure et de visualisation industrielles dans les domaines nucléaire, chimique ou alimentaire. Dans le domaine médical, la fibre optique est utilisée comme outil de diagnostic et comme capteur, sa première utilisation étant l’endoscopie. La transmission par fibre optique fonctionnelle Le schéma d’une chaine de transmission d’un signal par fibres optiques est illustré sur la figure 3 suivante. Figure 3 : Chaine de transmission par fibres optiques L'utilisation de la fibre optique, pour le transport du signal, impose une double transformation (figure 4). Au départ le signal électrique est converti en un signal lumineux à l’aide d’un composant photoémetteur. Les deux catégories de sources les plus adaptées à ce genre de transmission sont les diodes électroluminescentes et les diodes laser. Figure 4: Eléments optoélectroniques de la chaine de transmission. A l'arrivée, le signal optique est converti en un signal électrique à l’aide d’un composant photorécepteur. Sont, surtout, utilisées dans ce genre de transmission les photodiodes PIN et les photodiodes à avalanche (PDA).  Dans ce système de transmission, l’information est transportée en utilisant la lumière comme support et les fibres optiques sont les guides de propagation dont le principe est le confinement de la lumière dans un diélectrique qui assure sa conduction avec une faible atténuation, tout en assurant une insensibilité presque parfaite, de l’information, par rapport aux parasites électromagnétiques.  Les systèmes de télécommunications optiques à longues distances sont basés sur la transmission de fréquences optiques de la région du proche IR, soit pour des longueurs d’onde comprises entre 850 nm et1700 nm ce qui correspond à un domaine fréquentiel compris entre 1.76 1014 et 3.53 1014 Hz (figure 5), la relation entre la longueur d’onde  et la fréquence  étant : = c/ (Avec c = 3 105 Km/s, la vitesse de la lumière dans le vide). Figure 5: Spectre électromagnétique Les avantages de la transmission par fibre optique La fibre optique est très bien adaptée aux transmissions numériques en haut débit. Les avantages principaux de la fibre optique sont :  Une grande capacité de transmission (Débit très élevé) ;  Une importante largeur de la bande passante ;  Une très faible atténuation du signal ;  Un faible poids avec un encombrement réduit ;  Une insensibilité quasi totale aux interférences électromagnétiques ;  Une protection des intrusions (Secret de la transmission)  Une sécurité vis-à-vis des dangers d'explosion ou d'incendie (Matériaux diélectriques) ;  Une pose plus facile que celle des câbles métalliques qui peut être effectuée en souterrain, au fond des mers (fibres sous-marine) et en aérien ; Cependant, la fibre optique doit être protégée contre les rayonnements nucléaires (risque d’opacification) et ses performances sont assujetties au respect des rayons de courbure critiques lors de sa pose. Avec l’évolution de la technologie, la liaison par fibre optique a vu ses performances s’améliorer avec le temps ; ainsi :  L’atténuation du signal était de l’ordre de 1000 dB/km, en 1960 et n’étaient donc pas compétitives par rapport aux câbles coaxiaux en basse fréquence (5 à 10 dB/km) ;  Elle est descendue à 20 dB/km en 1970 pour = 633 nm (longueur d’onde du laser He- Ne), puis à 0,2 dB/km en 1982 (pour des longueurs d'onde proches de 1550 nm), ce qui correspond à une réduction du signal de 50% après propagation sur une distance de 15 km ;  Ensuite, une atténuation de 0,27 dB/km, dans la fenêtre II à 130nm et de 0,16 dB/km dans la fenêtre III à 1550 nm a été obtenue sur une fibre de silice pure en 1982 ;  Puis, l’amplification du signal optique à l’aide de fibres dopées EDFA est apparue en 1989 pour =1550 nm ;  Le record d’affaiblissement est de 0,1484 dB/Km à =1570 nm, depuis 2002 Par ailleurs, si on la compare au câble de cuivre, la fibre optique permet d'atteindre des débits de transmission très élevés pouvant atteindre plusieurs Gbit/s alors qu’un câble de cuivre permet de transmettre une seule communication téléphonique analogique par paire de conducteurs.  En effet, en 1978 le débit de transmission était compris entre 50 et 100 Mbit/s, pour la longueur d'onde de 0,8 m. Puis dans les années 1980, des débits supérieurs à 1 Gbit/s et 2 Gbit/s ont été obtenus avec des fibres monomodes et des diodes laser à 1,3 m et 1.55 m respectivement ;  Avec l’avènement du multiplexage en longueurs d'onde (le WDM puis le DWDM), à partir de 1998, la capacité de transmission est passée à plus de 40 Gbits/s par paire de fibres ;  En fin il faut savoir qu’un débit de 10 Gbit/s permet de transmettre plus de 600000 communications téléphoniques analogiques sur une seule fibre. La fibre optique La fibre optique est un guide d’onde cylindrique dans lequel, la lumière convenablement injectée à une extrémité, reste confinée au cours de sa propagation durant une transmission sur de longues distances (jusqu’à des milliers de kilomètres). Elle permet la transmission d’une grande quantité d'informations avec de très forts débits par codage du signal lumineux en variant son intensité. Les longueurs d’ondes utilisées dans les communications à l’aide de ces fibres optiques sont du domaine de l’infrarouge, elles sont comprises entre 800 et 1600 nm. La fibre optique, illustrée sur la figure 1, est formée de deux milieux transparents : le cœur, cylindrique, d'indice nc constant ou variable, entouré par la gaine, d'indice ng plus petit. L'ensemble est entouré d'un premier revêtement de 250 m qui Assure une protection mécanique de la fibre. Un second revêtement est appliqué directement sur le revêtement primaire pour renforcer la protection de la fibre pendant sa manipulation. Figure 6: Eléments constituant la fibre optique Le cœur et la gaine sont des matériaux transparents. Les matériaux les plus utilisés sont la silice et le verre. Dans certaines applications (circuits optiques à films minces) on emploie d’autres matériaux comme : le verre dopé ; les matières plastiques ; les substances organiques et les cristaux optiques. Typiquement, pour une fibre de silice l’indice de réfraction de la région de cœur est de l’ordre de 1,48 et celui de la gaine est de l’ordre de 1,46. Le diamètre du cœur et de la gaine varient selon le type d’utilisation. Le diamètre de cœur d’une fibre optique varie habituellement de quelques microns à quelques dizaines de m. Son diamètre de gaine est de 100 à 200 m. La fibre nue est mécaniquement très fragile et sujette aux attaques chimiques ; c’est pourquoi elle reçoit normalement un premier revêtement en plastique puis un second revêtement qui vient renforcer la protection de la fibre pendant son maniement. Un câble à fibres optiques peut contenir une, deux ou plusieurs fibres optiques avec leurs revêtements. Plusieurs techniques de câblage existent. Le profil d’indice de réfraction L’allure de l’indice de réfraction nc du cœur joue un rôle important dans la propagation de la lumière dans la fibre. On distingue trois types de profils d’indice de réfraction nc (figure 7) :  La fibre monomode à saut d’indice (a)  La fibre multimodale à saut d’indice (b)  La fibre multimodale à gradient d’indice uploads/Management/ fibre-optiques-master1.pdf