Liaison par fibre optique – Transmission par fibre optique

1- La fibre optique

On peut définir la fibre optique comme étant un canal soit en verre soit en plastique très fin qui a la propriété de pouvoir conduire la lumière et de servir dans les transmissions terrestres et océaniques de données. Elle offre un débit d\’informations nettement supérieur à celui des câbles coaxiaux et supporte un réseau « large bande » par lequel peuvent transiter aussi bien la télévision, le téléphone, la visioconférence ou les données informatiques.

1-1 Principe de transmission

Au moyen de la lumière, on peut envoyer des informations à travers la fibre optique avec des débits considérables simplement grâce au principe de déviation de la lumière.

Le principe de transmission dans une fibre est représenté sur la figure à venir. On envoie un signal électrique alimentant un émetteur qui envoie un rayon lumineux dans la fibre. Ce rayon se propageant, est muselé à l’intérieur du cœur de la fibre, puis récupéré à l’autre bout, sous forme de signal électrique, via un récepteur.

1-2 Fabrication fibre optique

La fibre optique est obtenue à partir d’un tube et d’une barre de verre montés concentriquement.
L’ensemble est chauffé pour assurer l’homogénéité. Il suffit d’un barreau de verre d’un mètre de longueur et de 10cm de diamètre pour obtenir une fibre monomode de 150 km de longueur. Enfin, le diamètre de la fibre est d’environ 10μm. Le verre est ensuite enrobé d\’un revêtement protectif. Le câble final peut être composé d’un ou de plusieurs brins.
La plupart des fibres sont fabriquées à base de silice, matériau abondant et peu cher. Pour façonner les profils d’indice, la silice est dopée avec du dioxyde de germanium ou du pentoxyde de phosphore pour augmenter l’indice du cœur de la fibre, et avec du fluor ou du trioxyde de bore pour diminuer l’indice de la gaine optique.

1-3 Avantages et inconvénients de la fibre optique

Bien que présentant de nombreux avantages, l’utilisation de la fibre optique a aussi des inconvénients. Je les présente dans un tableau résumé ci-après.

Avantages Inconvénients
-Performances de transmission : très faible atténuation, très large bande passante, multiplexage possible de plusieurs signaux Elles permettent de concevoir des systèmes de transmission de portée et capacite très supérieures à celles des câbles conducteurs.

-Avantages de mise en œuvre : faible poids, très petite taille, grande souplesse.

– Sécurité électrique : la fibre optique a une force de tension plus grande que les fibres de cuivre ou d\’acier. Elle est plus flexible, et peut être tordue plus facilement résistant à la plupart des éléments corrosifs.

-Sécurité électromagnétique : la fibre optique n’est pas sensible aux parasites.

-Avantage économique : le cout global d’un système sur fibres optiques est moins cher que celui des réseaux cuivrés. Le système a fibre est plus facile et moins cher à fabriquer.

-La rentabilité de la fibre : le réseau à fibre optique a un cycle de vie en moyenne de 20 ans. -Coût : les câbles de fibre optique sont plus couteux à installer, mais durent plus longtemps que les câbles de cuivre.

-Transmission : la transmission du signal dans les câbles de fibres optiques doit se répéter au long d\’une certaine distance grâce à des appareils amplificateurs mais demande beaucoup moins de répétitions que les câbles de cuivre.

-Fragilité : Quand le câble est rayé ou fissuré, les fibres peuvent être cassées ou perdent la transmission. Cependant en enveloppant des fibres dans une gaine en plastique, il est difficile de plier le câble sans casser la fibre.

-Protection : Les fibres exigent plus de protection autour du câble comparé au cuivre

1-4. Les types de fibre Optique

Il existe 2 grands types de fibres :
– Multimode : dans lequel il existe différents modes de propagation de la lumière au sein du cœur de la fibre.
– Monomode : dans lequel il existe un seul mode de propagation de la lumière, le mode en ligne droite.

1-4-1 La fibre multimode

A ce stade, il est à noter qu’il existe deux sortes de fibre multimode : la multimode à gradient d’indice et celle à saut d’indice.
La fibre multimode à saut d’indice
La fibre multimode à saut d\’indice est la fibre la plus ordinaire. C\’est ce type de fibre qui est utilisé dans les réseaux locaux de type LAN. Etant donné que la fibre à saut d\’indice est multimode, il existe plusieurs modes de propagation de la lumière au sein de son cœur de silice. Il existe dans cette fibre une très grande variation entre l\’indice de réfraction du cœur et de la gaine optique. C\’est pour cela que les rayons lumineux se propagent par réflexion totale interne en \”dent de scie\”.

La fibre à saut d\’indice possède un cœur très large. L\’atténuation sur ce type de fibre est très importante comme on peut le voir sur la différence des impulsions d\’entrée et de sortie.
– Débit : environ 100 Mbit/s
– Portée maximale : environ 2 Km
– Affaiblissement : 10 dB/Km

La fibre multimode à gradient d’indice

La fibre multimode à gradient d\’indice est elle aussi utilisée dans les réseaux locaux. C\’est une fibre multimode, donc plusieurs modes de propagation coexistent. A la différence de la fibre à saut d\’indice, il n\’y a pas de grande différence d\’indice de réfraction entre cœur et gaine.
Cependant, le cœur des fibres à gradient d\’indice est constitué de plusieurs couches de matière ayant un indice de réfraction de plus en plus élevé.
Ces différentes couches de silice de densités multiples influent sur la direction des rayons lumineux, qui ont une forme elliptique.

La fibre à gradient d\’indice possède un cœur de taille intermédiaire. L\’atténuation sur ce type de fibre est moins importante que sur les fibres à saut d\’indice.
-Débit : environ 1 Gbit/s
-Portée maximale : environ 2 Km
-Affaiblissement : 10 dB/Km

1-4-2 La fibre monomode

La fibre monomode est la meilleure fibre existante à l\’heure actuelle. C\’est ce type de fibre qui est utilisé dans les cœurs de réseaux mondiaux, elle a l’avantage d’être utilisée pour les très longues distances. Un seul mode de propagation de la lumière existe : c\’est le mode en ligne droite.

La fibre monomode possède un cœur très fin, de la taille d’un cheveu !
L\’atténuation sur ce type de fibre est quasi nulle, c\’est ce qui en fait sa force.
-Débit : environ 100 Gbit/s
-Portée maximale : environ 100 Km
-Affaiblissement : 0,5 dB/Km

1-5 Matériels utilisés pour la fibre optique

Nous allons voir dans cette partie les différents éléments rattachés à la fibre optique. On commencera en parlant des connecteurs optiques puis des câbles optiques et pour finir des jarretières optiques.

1-5-1 Les connecteurs optiques

Le connecteur ST (Straight Tip) rappelle les fiches BNC ; le verrouillage s\’effectue par quart de tour de la bague externe. Proposé par tous, le connecteur ST est devenu un standard. Il répond à la norme CEI 60874-10.
Le connecteur SC (Subscrider Connector) est le plus employé actuellement. On le retrouve sur un grand nombre d\’équipements actifs quelle que soit l\’application (Ethernet, Fiberchannel…). Il présente de nombreux avantages par rapport aux connecteurs ST : dépassement moindre de l\’embout donc pas de risque de pollution, conception \”pull-proof\” donc pas de risque de déconnexion lors d\’une traction sur le câble. Il répond à la norme CEI 60874-14 et porte la dénomination SC (\”Subscriber connector\”).

Le connecteur bi-fibre LC (Lucent Connect) dispose d\’embouts céramiques 1,25 mm et corps plastique. Les fibres sont espacées de 6,25 mm. Il répond à la norme CEI 61754-20 et porte la dénomination LC.
Le connecteur MT-RJ (Mechanical Transfert Registered Jack) est réalisé autour d\’un embout rectangulaire à 2 positions en polymère chargé. C\’est un connecteur bivoie où les 2 fibres dans l\’embout sont espacées de 750 µm.Il répond à la norme CEI 61754-18.

1-5-2 Les câbles

1-5-2 Les jarretières optiques

2- Le WDM

Les besoins croissants en débit ont amené les ingénieurs à rechercher une technique pour augmenter les capacités de transmission des réseaux optiques. Mais poser une fibre a un coût non négligeable et on ne peut pas se permettre de poser plusieurs fibres pour augmenter la quantité d\’informations transportables. Il est donc nécessaire de faire en sorte d\’exploiter au maximum les fibres existantes déjà installées. D\’où l\’idée du multiplexage : transmettre plusieurs signaux simultanément dans la même fibre. Le multiplexage en longueur d’onde (WDM) permet de répondre à cette demande, tout en ayant le gros avantage d’exploiter les fibres existantes. Il consiste à injecter simultanément sur une même fibre plusieurs canaux utilisant des longueurs d’onde distinctes. L\’utilisation de deux longueurs d\’onde permet également d\’utiliser une seule fibre en émission/réception.
Avant le WDM, toute nouvelle demande d\’augmentation du débit se traduisait par l\’ajout de fibres optiques dont chacune propageait un signal ce qui entraine un coût élevé lors des opérations. Cette technique permet de multiplexer (mélanger) plusieurs signaux de différentes longueurs d\’onde, dans une même fibre. Le gain est par conséquent proportionnel au nombre de canaux que la fibre permet de véhiculer.

2-1 Principe de la WDM

Le but est de faire circuler plusieurs longueurs d\’ondes sur une même fibre optique. Chaque longueur d\’onde est représentée par une couleur. Chaque couleur est retransmis sur un canal différent. Avec un nombre de canaux exploité qui ne cesse d\’augmenter, le WDM apporte une nouvelle solution évolutive dans les télécommunications.

Principe de multiplexage en longueur d’onde

2-2 Fonctionnement de la WDM

La technologie du WDM est représenté par deux terminaux et un lien optique monomode les reliant. Le premier est un multiplexeur, le second un démultiplexeur. Le multiplexeur a pour rôle de récupérer et de changer les longueurs d\’ondes des signaux entrant et de les multiplexer sur un seul canal. Pour changer les longueurs d\’ondes entrantes, il est nécessaire d\’utiliser un transpondeur.
Lorsque des signaux arrivent au niveau du multiplexeur, il est possible qu\’ils aient la même longueur d\’onde, même si l\’émetteur est différent. Etant donné qu\’il n\’est pas possible d\’envoyer deux fois la même longueur d\’ondes sur un même lien au risque d\’erroner l\’information des deux signaux, c\’est le transpondeur qui va se charger de changer la longueur d\’onde d\’un de des deux signaux. Ainsi, chaque flux entrant va être codé sur une porteuse par modulation d’amplitude ou de phase. Ce qui permet donc de diffuser des signaux de sources différentes et ayant des longueurs d’ondes identiques sur un même canal. Arrivé au démultiplexeur, celui-ci va agir comme plusieurs filtres dans des zones de longueurs d’ondes données. Il a donc connaissance des longueurs d\’ondes qui circulent dans le lien optique. Le démultiplexeur va donc pouvoir récupérer l\’intégralité d\’un signal qui avait été multiplexé. L\’intérêt de la fibre optique est que ces signaux ne peuvent se confondre, à la réception ils seront parfaitement distingués.

2-3 Les différentes technologies du WDM

Dans le tableau suivant sont recensés les types majeurs de technologies WDM. Les différences notables se situent au niveau de l’espacement, du nombre de canaux et des débits pouvant être transmis sur ces derniers.

Fig. : Tableau récapitulatif des principales technologies WDM
La particularité du D-WDW et du U-WDM est qu\’ils utilisent des espacements de longueurs d\’ondes très court. C\’est grâce à cela qu\’il est possible d\’avoir un nombre de canaux important dans la fibre.
L\’inconvénient de cette technologie est qu\’il est nécessaire d\’avoir un laser refroidi en température. Les longueurs d\’onde d\’émission étant très proche, il est nécessaire de réguler la température du laser entre les impulsions. Un laser régulé en température représente un coût très onéreux.

2-4 Quelques composants d’un système WDM

Composants globaux d’un système WDM

Les modulateurs

Ils servent à convertir les données numériques en ondes, soit par modulation d\’intensité, soit par modulation d\’amplitude, tandis que les démodulateurs ont la charge de reconvertir les signaux optiques en données numériques.

Les multiplexeurs et les démultiplexeurs

Utilisés pour grouper ou séparer distinctement les voies de longueurs d\’onde différentes, c’est-à-dire les lambdas, les multiplexeurs/démultiplexeurs jouent un rôle primordial dans les systèmes WDM.

Multiplexage optique à insertion et extraction OADM (Optical Add Drop Mux)

Cet élément de réseau réalise le transfert ou l\’insertion-extraction d\’une ou plusieurs longueurs d\’ondes. Il se constitue d’un ensemble de multiplexeurs qui rajoutent ou enlèvent une ou plusieurs longueurs d\’ondes vers la destination appropriée sur le réseau, et toutes ces opérations sont faites sans passer par une conversion électrique du signal comme le montre la figure suivante :

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