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École Nationale des Sciences Appliquées – Tétouan- Génie des Systèmes de Téléco

École Nationale des Sciences Appliquées – Tétouan- Génie des Systèmes de Télécommunications et Réseaux GSTR3 Module : Complément Télécoms Technologies des réseaux tout optique Pr. Mounir Arioua m.arioua@ieee.org Technologies des réseaux tout optique 1-Introduction 2- Caractéristiques Physiques Lumière Bande passante de la fibre optique Loi Descartes Description de la fibre optique 3- Les différents types de Fibres Fibre multi-mode à saut d’indice Fibre multi-mode à saut d’indice Fibre multi-mode à gradient d’indice Fibre monomode Avantages/Inconvénients / Comparaison FO et cuivre 4- Système de transmission optique Emetteur/Récepteur Répéteurs optiques Amplificateur optiques Amplificateurs semi-conducteur Amplificateur à fibre 5- Multiplexage (WDM/ DWDM/CWDM/WWDM) 6- Protocoles de communication (PDH/SDH) -Soucis majeurs: *Débits limités par les supports hérités * Affaiblissement du signal * Impossibilité d’interconnecter des sites distants à grande vitesse * Difficulté de Transmission dans des bonnes conditions Introduction * Difficulté de Transmission dans des bonnes conditions * Problème de mise à la terre * Perturbations électromagnétiques/ diaphonie * Problème de corrosion Solution: Fibre optique * Assure du très haut débit d’information * Meilleure fiabilité * Bande passante très grande * Faible atténuation * Transport sur des longues distances * Isolation électrique * Poids et dimensions réduites * Immunité contre les perturbations électromagnétiques/bruits * Pas de diaphonie Introduction * Coût de revient (au kilomètre) est beaucoup plus faible * Intégré plusieurs avancés technologiques * Résistance au températures élevées Historique: 950 et l'invention du gainage optique pour -1950 : Invention du gainage optique :Technologie des guides optiques connaisse une première application: endoscopes de diagnostic médical -1960: La FO a débuté avec l’arrivé du laser -1965 :Charles Kao (prix Nobel 2009) et Georges Hackman de la Standard Telephones and Cables avancent qu'il est possible de produire des fibres optiques possédant une atténuation de moins de 20 dB/km Introduction -1977: Premier système de communication téléphonique optique fut installé au centre- ville de Chicago -1984 à 2000: FO employée uniquement à l’interconnexion des centraux téléphoniques (énorme débit nécessaire) -L'atténuation des signaux dans des fibres optiques est plus faible que sur des câbles électriques (0,1485 dB/km en 2002) -On peut transmettre jusqu'a 100 G bits/s sur une distance de 50 km sans répétition du signal. Lumière Constitué d’ondes électromagnétiques ou par un flux de particules (photons) Caractéristique physique Fig.1: champ électrique et champ magnétique de la lumière Bande passante (Fibre optique) Caractéristique physique Fig.2: Spectre des longueurs d’ondes Tab.1:Spectre électromagnétique Bande passante (Fibre optique) Caractéristique physique Fig.3: Spectre des ondes électromagnétiques Fig.4: Spectre optique Loi de Descartes Caractéristique physique « Réflexion totale interne »-Principe physique majeure dans la FO Angle d’indice : Energie réfracté démunie & Energie réfléchie augmente Fig.5: La loi de Descartes Dans la FO: le signal lumineux touche la gaine Avec un angle >angle critique réflexion totale dans le cœur Propriété employée pour réaliser des guides de lumière: Fibre optique Loi de Descartes Caractéristique physique Indice de réfraction: v: vitesse de la lumière dans le milieu considéré Deux Lois: Loi de réfraction: v c n = Fig.5: La loi de Descartes Si Loi de réflexion: 2 2 1 1 sin sin i n i n × = × ' 1 i i = 2 1 n n > 1 2 i i > Description de la fibre optique Cœur: fil conducteur des signaux lumineux. Fibre de verre (GOF) ou Fibre de plastique (POF). Gaine: enveloppe de protection. Diamètre du cœur et de la gaine varient selon Caractéristique physique Fig.6: Fibre optique (Caoating) (Cladding) Diamètre du cœur et de la gaine varient selon le type d’utilisation. Indice de réfraction: n1(Coeur) > n2(Gaine) Réflexion totale Fig.6: Fibre optique Fig.7: Description de la fibre optique Gaine optique (n2) Coeur(n1>n2) 250 µm 125 µm Gaine plastique Les différents types de fibres La fibre Multi-mode Mono-mode Les différents types de FO Fig.8: Différents types de fibres A gradient d’indices A saut d’indices A saut d’indices Fig.9: Dimensions des fibres 3- Les différents types de fibres Les différents types de FO Fibre Multi-mode Fibre Monomode 10 µm < Rayon de cœur < 100 µm Bande passante limitée à 1GHz Fibres à saut ou gradient d’indice Rayon de cœur très faible Bande passante élevée ( > 1GHz) Fibres à saut d’indice * Deux types de fibres: *Première fibre utilisée *Réservées aux courtes distances *Composants chers *Réservées aux longues distances * Deux conditions de guidage dans la FO : n1 > n2 i > α Réflexions totales tout au long de la FO Tab.2: Différents types de fibres * Deux paramètres de guidage dans la FO : n: Indice de réfraction (n1,n2) a: Diamètre du cœur Questions: *Si on change l’indice de réfraction (Cœur et gaine), quelle est l’influence sur la bande passante de la FO? Les différents types de FO la bande passante de la FO? *Si on change le diamètre du cœur, quelle est l’influence sur la bande passante de la FO? Fibre Multi-mode à saut d’indice: Réflexion totale sur la fibre Cœur de la fibre: entre 50 et 200µm Réflexion totale sur la fibre Bande passante 20 MHz/km Fenêtre spectrale 850 nm, 1300nm τ τ τ τ Les différents types de FO Fenêtre spectrale 850 nm, 1300nm Débit limité à 50 Mb/s Affaiblissement ≈ 10db/km Fig.6: Différents types de fibres Fig.10: Fibre multi-mode à saut d’indice τ τ τ τ t t τ’ Étalement+ Atténuation Pulse émis Plusieurs modes de propagation Fibre Multi-mode à gradient d’indice: Réflexion totale sur la fibre Cœur de la fibre: entre 50 et 100 µm Forme un signal sinusoïdal Bande passante entre :600 et 3000 MHz/km Fenêtre spectrale 850 nm, 1300nm r n Les différents types de FO Fenêtre spectrale 850 nm, 1300nm Débit limité à 1 Gb/s Affaiblissement ≈ 10db/km Fig.11: Fibre multi-mode à gradient d’indice Fibre monomode: Propagation sans réflexion Cœur de la fibre: 5 à 10 µm Bande passante très large: 100 GHz Fenêtre spectrale 1300nm et 1550 nm Débit supérieur à 1 Gb/s r n Les différents types de FO Débit supérieur à 1 Gb/s Affaiblissement ≈ 0.5 db/km Fig.12: Fibre monomode Avantage: Vitesse de propagation Très large bande passante (L’ordre de 1 GHz) Très faible atténuation Très bonne qualité de transmission Immunité au bruit (Principal avantage de la FO) Utilisation particulière: dans des ateliers ou sites industriels (Environnement Les différents types de FO Utilisation particulière: dans des ateliers ou sites industriels (Environnement électromagnétique très mauvais) FO présente une bonne résistance à la chaleur et au froid FO présente une absence totale de rayonnement Inconvénient: Difficulté de raccordement: entre deux fibres+entre fibre et module d’émission/réception Phénomènes d’interférences: Divers rayons pénétrés dans la fibre vont suivre des chemins différents Comparaison Fibre optique/Cuivre: Fibre Optique Fil de cuivre Matériau diélectrique Matériau conducteur Les différents types de FO Matériau diélectrique Matériau conducteur Sensibilité nulle aux interférences électromagnétique Grande sensibilité aux interférences électromagnétique Faible atténuation du signal: 0.2 db/km Forte atténuation du signal: 20 db/km et +. Grande séparation entre les répéteurs pour les longues distances :100 km Répéteurs rapprochés : 1 km Réseau flexible et s’adaptant facilement aux nouvelles technologies Réseau rapidement désuet Grande durabilité: + de 20 ans Dégradation rapide par la corrosion Entretien facile, presque nul Nécessite beaucoup d’entretien Grande largeur de bande: Grande quantité d’information transmise simultanément Largeur de bande limitée: Quantité d’information transmise est très limitée Tab.3: Tableau comparatif Système de transmission: Un système de transmission par fibre optique implique la présence de bout en bout d’équipement spécialisé, à savoir au minimum un émetteur et un récepteur, et selon la distance à couvrir des répéteurs et/ ou amplificateurs optiques. Emetteur Récepteur Système de transmission Répéteurs optiques Amplificateur optiques Amplificateurs semi-conducteur Amplificateur à fibre Fig.13: Système de transmission optique Emetteur optique: Caractéristique physique Une diode électroluminescente (LED : Light Emitting Diode) * Rouge visible (850 nm) Les lasers (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) * Longueur d’onde de 1300 ou 1550 nm Les diodes à infra-rouge * rouge invisible (1300 nm) Emetteur optique: Caractéristique physique La puissance émise par une LED est de l’ordre de 1 mW faible pourcentage de puissance récupérée par la fibre. La puissance émise par un Laser est de l’ordre de 5 mW. Le signal généré par une LED est insuffisant pour parcourir de très longue distance. distance. LED est inadaptée pour des multiplexage WDM. Le Laser est parfaitement adapté pour le multiplexage WDM. Permet de couvrir de très longue distance sur des fibres monomodes (ordre de 200 km) à très haut débit. Mise on œuvre de multiplexage WDM sur fibre monomode requiert l’utilisation de plusieurs lasers simultanément. Récepteur optique: Caractéristique physique On distingue 2 types de récepteurs: * Les diodes PIN (Positive Intrinsic Negative) * uploads/Science et Technologie/ technologies-des-reseaux-tout-optique-mode-de-compatibilite-pdf.pdf