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Chapitre 1 : Fibres optiques et propagation I- Introduction aux Communications

Chapitre 1 : Fibres optiques et propagation I- Introduction aux Communications optiques SYSTEME DE TELECOMMUNICATIONS II- Longueurs d'onde utilisées : - La longueur d’onde est la longueur spécifique utilisée par la source de lumière et elle est mesurée en nanomètre. (1 nanomètre = 10-9 mètre ) - La lumière visible s'étend de 400 000 GHz à 800 000 GHz. - Trois longueurs d’onde sont utilisées en communications optiques: 800 nm, 1300 nm et 1550 nm. - Ces fenêtres sont séparées par des pics d’absorption provenant des ions OH qui proviennent de molécules d’eau intervenant lors de la fabrication de la fibre optique. III- 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 TeraHz), - 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. - La mise en œuvre : connexions, raccordements devient de moins en moins complexe et coûteuse. IV- Les fibres optiques : 1) Présentation : Une fibre optique est constituée de trois éléments concentriques comme représentée ci- dessous: - Le coeur: 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 coeur. La composition du verre utilisée est différente de celle du coeur. Lʼassociation de ces deux couches permet de confiner la lumière dans le cœur, par réflexion totale de la lumière à lʼinterface coeur-gaine. - La couche de protection: un revêtement de protection mécanique généralement en PVC. 2) 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 coeur de la fibre avec un angle suffisamment petit, elle subit une réflexion totale à la surface qui sépare le coeur de la gaine, et elle se propage en zigzag 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 - Cet angle permet de définir ce qu'on appelle l'ouverture numérique (ON) de la fibre, ouverture qui dépend bien évidemment des indices respectifs des deux couches optiques. 3) Structures des fibres optiques : Il existe deux types de fibres optiques : * La fibre multimode: Multi Mode Fiber (MMF) : - Le diamètre du coeur 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 coeur-gaine. - Problème : aucun des modes n'arrive au même moment en bout de fibre. - Fibre multimode à saut d’indice et à gradient d’indice. *La fibre monomode: Single Mode Fiber (SMF) : - Un diamètre de coeur (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 coeur est si fin que le chemin de propagation des différents modes est pratiquement direct (sans réflexion). FIBRE MULTIMODE : A) Les fibres à saut d'indice : 1- Présentation : - Le type le plus simple de fibre multimode est la fibre optique à saut d’indice (step-index fiber), directement issues des applications optiques. - Dans cette structure, le coeur, 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. 2- Propagation de la lumière :  Inconvénient: élargissement des impulsions lumineuses émises. 3- 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 coeur de la fibre, l'onde est réfractée en accord avec la loi de Snell. On a : 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. 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. 4- 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. 5- 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 Δ=n12-n22/2n12 ≈(n1-n2) /n1(l’approximation est vraie si Δ est petit)et c=3.108m/s. B) Les fibres à gradient d'indice : 1- 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 coeur est constitué de couches de verre successives à indice de réfraction de plus en plus grand. L’indice de leur coeur diminue suivant une loi d’allure parabolique depuis l’axe jusqu’à l’interface coeur-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. 2- Propagation de la lumière : 3- Dispersion intermodale : Les rayons qui s'écartent de l'axe suivent donc un chemin plus long, mais comme l'indice de réfraction diminue vers le bord du coeur, la vitesse de propagation augmente. - Par conséquent, les modes d'ordre supérieur (c.à.d. qui s'écartent davantage de l'axe) peuvent compenser le chemin plus long par une vitesse moyenne plus grande. => La dispersion intermodale diminue. - Dans le cas d'une source monochromatique, on obtient alors un élargissement donné par: - On constate donc une réduction de la dispersion modale d'un facteur 8/Δ par rapport à une fibre à saut d'indice. FIBRE MONOMODE : 1- Présentation : Lorsque le diamètre de coeur est petit (moins de 10 μm) et la différence d'indice faible (moins de 0,5 %) il est possible de sélectionner un seul mode qui se propage au voisinage de l'axe. La fibre ne propage qu'un seul mode si la fréquence normalisée vérifie la condition suivante : où a est le rayon du coeur de la fibre. - Si V >> 1, le nombre de modes est donné par : N≈V2/2 2- Propagation de la lumière : 3- Atténuation : - Les imperfections et d’autres propriétés de la fibre donnent une atténuation non linéaire en fonction de la fréquence. - Si on injecte une puissance lumineuse P0 alors sa décroissance linéique est donnée par la relation suivante : Aujourd’hui α vaut typiquement 0,1 dB/km, - Certaines plages de fréquences favorables ont une faible atténuation - Ces sont les fréquences utilisées pour les communications optiques. - Le figure ci-dessous montre que l'affaiblissement est plus uploads/Philosophie/ resume-comm-opti-que.pdf