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1 Fibres Optiques Chapitre 2: Année Universitaire 2008-2009 Ouertani Mourad Département Architecture des systèmes et des réseaux ISI.

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1 1 Fibres Optiques Chapitre 2: Année Universitaire Ouertani Mourad Département Architecture des systèmes et des réseaux ISI

2 2 La technologie des fibres optiques s'est considérablement développée avec l'arrivée des réseaux et d'Internet. Le développement des fibres optiques en tant qu'outil de communication découle directement de la demande croissante d'échanges de données rapides entre les différents utilisateurs et entreprises. Introduction Avantages des fibres optiques : TransmissionAtténuation faible ; grande bande passante InstallationTaille faible ; faible poids ; grande souplesse SécuritéIsolation ; absence de perturbation CoûtPlus faible que le cuivre Photo d'une fibre optique standard

3 3 Un câble est donc normalement fait de trois couches concentriques. - La première, le cœur, est une fibre de silice de près de 100 micromètres de diamètre qui permet la propagation des faisceaux. -La deuxième, la couche de confination ou gaine optique, n'est qu'une couche de verre de moindre densité que le noyau, permettant la confination des rayons dans le noyau. -La troisième couche est une enveloppe protectrice pour absorber les chocs et les dommages. Composition d'une fibre

4 Aujourdhui les applications des fibres optiques concernent essentiellement : Les télécommunications, pour la réalisation des réseaux hauts débit des opérateurs en technologie WDM, SDH, ATM.technologie WDM Laudiovisuel, pour la réalisation des réseaux câblés de télévision en association avec le câble coaxial utilisé pour le raccordement de labonné, La médecine la fibre optique est notamment utilisée en chirurgie associée à un faisceau laser qui permet de pulvériser un calcul rénal, découper une tumeur, réparer une rétine... et en endoscopie, pour éclairer lintérieur du corps et transmettre les images jusquau médecin. … Les applications

5 5 Fabrication de la fibre optique Les recherches menées depuis 1970 ont montré que le silice est un bon support pour les longueurs donde situées autour de 850 nm – 1300 nm – 1550 nm. On réalise un écart dindice entre le cœur et la gaine en incorporant des dopants tels que: - le germanium et le phosphore pour accroître lindice dans le cœur. - le bore et le fluor pour décroître lindice dans la gaine. La fabrication des fibres se déroule en trois étapes qui sont la réalisation de la préforme, le retreint le tirage.

6 La Préforme : Dans cette étape, on augmente lindice de réfraction du cœur de la fibre en la dopant avec des matériaux appropriés. La préforme est constituée dun barreau creux de silice pure dans lequel on fait passer des dopants à létat gazeux. On chauffe le tube de façon à déposer le dopant en couches successives.

7 R é treint On augmente ensuite la temp é rature pour faire fondre la silice et refermer la pr é forme; il s'agit du r é treint. La pr é forme est maintenant constitu é e. Tirage On r é alise le tirage de la fibre en pla ç ant la pr é forme dans un four à induction qui fond la silice. On fixe sur un tambour en rotation le filament de verre qui s'est é tir é par gravitation. On rajoute un revêtement en silicone qui assure une protection m é canique de la fibre. La vitesse de rotation du tambour d é finit le diam è tre de la fibre.

8 Il se pose, à l'heure actuelle dans le monde, 300 m par seconde de fibre optique. (La vitesse de pose des fibres est supérieure à la vitesse du son!). Le réseau mondial des câbles sous marins à fibres optiques

9 9 Les rayons non méridiens : Un rayon méridien est un rayon qui intercepte laxe (oz) Les rayons du coeur : On appelle rayons non méridiens des rayons qui sont dans le cœur et ne rencontrent pas laxe (o,z). Guidage de la lumière dans les fibres Les rayons méridiens :

10 10 Les rayons de la gaine : Cette énergie est en général perdue pour la propagation à grande distance. Cependant, elle peut être partiellement réfléchie sur la limite r=b, revenir vers le cœur, y pénétrer à nouveau. La propagation avec un rayon réfracté dans la gaine a lieu lorsque langle dincidence du rayon sur linterface cylindrique est inférieur à c. Dans ce cas, une partie de lénergie pénètre dans la gaine.

11 11 - Cest le type le plus utilisé. - Il est constitué dun cœur cylindrique homogène dindice n 1 entouré dune gaine extérieure homogène dindice n 2. Fibres Optiques à Saut dIndice 1.La structure de guidage :

12 2. Conditions de guidage: Pour qu'un rayon soit guidé, il faut que celui-ci soit réfléchi à l'interface coeur/gaine de la fibre ce qui impose une condition sur l'angle d'incidence du rayon sur la face d'entrée de la fibre: Définition: On appelle Ouverture Numérique (ON), la quantité: On a alors: Si l'angle d'incidence ɵ est inférieur à l'angle critique ɵ a, le rayon est guidé dans la fibre par contre si l'angle ɵ est supérieur à l'angle critique ɵ a, le rayon n'est pas guidé.

13 13 Fibres Optiques à Gradient dIndice - Le modèle de la fibre à Gradient dindice est une tige diélectrique inhomogène (cœur), entourée dun milieu extérieur homogène (gaine). - Le modèle considéré suit une distribution dindice en loi de puissance : r étant la distance à laxe (o,z)et 1.La structure de guidage :

14 14 Dans le cas particulier où g = 2, la loi de puissance est une loi parabolique. Remarques Dans le cœur, tous les points situés sur une même droite parallèle à laxe (o,z), présentent les mêmes caractéristiques physiques (indice de réfraction constant). Par contre, lindice varie en fonction de la distance r à laxe (o,z) et

15 15 Figure: Trajectoire dune fibre à gradient dindice. Donc les rayons guidés suivent une trajectoire dallure sinusoïdale dont léquation se déduit de: Rq: La gaine dindice n 2 nintervient pas directement 2. Ouverture numérique

16 16 les rayons à la limite sont tangents à linterface cœur- gaine On définit, de même louverture numérique: Remarques: Cette ouverture diminue au fur et à mesure que le point dincidence séloigne de laxe. De ce fait on injecte en général moins de puissance dans une fibre à gradient dindice que dans une fibre à saut dindice

17 17 1.a. Définition: Tout signal injecté dans une fibre otique de longueur L subit une déformation: phénomène de dispersion. En pratique la dispersion se traduit par un étalement temporel caractérisé par un temps de montée 1. Dispersion dans les fibres multimodes:

18 18 1.b. Dispersion intermodale: Dispersion intermodale pour une fibre SI: La dispersion intermodale, par unité de longueur: La cause principale de l'élargissement des impulsions dans les fibres optiques multimodes est la dispersion intermodale. Cet élargissement est provoqué par les différences des temps de parcours des rayons qui nont pas le même trajet ni la même vitesse de propagation. Le temps de propagation dun rayon incliné sur laxe de a vaut : La dispersion intermodale vaut, par unité de longueur:

19 19 Dispersion intermodale pour une fibre à GI: paramètre de dispersion de profil: Pour les rayons méridiens et, où α exposant de profil dindice. Le temps de propagation dun rayon incliné sur laxe de a vaut : Rq: la dispersion est beaucoup plus faible pour une fibre à GI que pour une fibre à SI.

20 20 La vitesse de propagation moyenne dune impulsion est égale à la vitesse de groupe du mode fondamental. Le problème vient de ce que le temps de propagation de groupe varie avec la longueur d'onde. Or les sources de rayonnement lumineux ne sont pas rigoureusement monochromatiques, ceci sexplique par: l'indice qui varie en fonction de la longueur d'onde (dispersion du matériau D M ). la vitesse de groupe qui varie avec la longueur d'onde (dispersion du guide d'onde D G ). 1.c. Dispersion chromatique

21 21 la dispersion due au matériau la dispersion due au guide Rq: La dispersion chromatique est négligeable pour les fibres multimodes sauf pour les modes proches de la coupure. dispersion chromatique: Largeur spectrale de la source 1.c. Dispersion totale:

22 22 le cœur est très fin, ce qui permet une propagation du faisceau laser presqu'en ligne droite. dispersion du signal faible peut être considérée comme nulle. Elle est très utilisée pour les liens de très grandes distances. Le petit diamètre du cœur des fibres nécessite une grande puissance d'émission qui est délivrée par des diodes laser. 2. Fibres monomodes:

23 23 2.a. Condition du régime monomode: fibre monomode à saut dindice, la condition sur la fréquence réduite V: profil du champ tracé a une allure gaussienne(expression approchée): Où 2w 0 : le diamètre du mode (ou diamètre du champs du mode). 2.b. Relations fondamentales dune fibre monomode: A partir de la condition du régime monomode, on déduit que: Longueur donde de coupure: avec:

24 24 Diamètre du mode: Le diamètre du mode 2w 0 est donné par lapproximation de Marcuse: A la coupure, le diamètre du mode est voisin de celui du cœur; mais il augmente rapidement avec la longueur donde et le mode sétale de plus en plus dans la gaine. La part de puissance contenue dans le cœur est donnée par: Rq: une fibre monomode peut se caractériser par le couple (2a, ) mais aussi par le couple ( c, w0).

25 Dispersion chromatique: La seule cause de lélargissement de limpulsion dans les fibres monomodes est la dispersion chromatique qui peut être mise sous la forme suivante: où le premier terme est la dispersion matériau et le deuxième terme est la dispersion guidée et B est la constante de propagation normalisée exprimée par: 3. Dispersion dans les fibres monomodes

26 26 2. Résolution graphique: Figure 2.a : Constantes normalisées Figure 2.b: Dispersion chromatique des fibres Monomodes à saut dindice

27 Annulation de la dispersion chromatique: Il est possible davoir compensation de la dispersion matériau par la dispersion guidée: Pour et n 1 – n 2 donné, connaissant M ( ) on peut déterminer V à partir des variations de Rq: Il faut relever V sur la partie descendante de la courbe (domaine optimal).

28 28 Atténuation dans les fibres optiques Atténuation en dB/km : Dans une fibre optique, l'énergie lumineuse entrante n'est pas récupérée en sortie. Introduction:

29 29 absorption: due aux impuretés, en effet une fibre de silice quoique très purifiée n'est pas parfaite et les atomes d'impuretés vont avoir plusieurs effets perturbateurs dont l'absorption purement et simplement du photon par un électron de l'atome avec transformation finale de l'énergie lumineuse du photon en chaleur. 1. Causes des pertes dans les fibres: on distingue généralement : 1.a. atténuations intrinsèques: Diffusion de Rayleigh: aussi parfaite quelle soit, il existe dans la fibre des discontinuités en tous points. Ceci se traduit par des fluctuations de lindice de réfraction ce qui entraîne des phénomènes de réfraction/ réflexion tout au long de la fibre.

30 30 1.b. Pertes par courbures et micro courbures: la fibre ne peut pas dans une application réelle être, sauf exception, exempte de courbures et de micro courbure. Coeur Gaine Centre diffuant Une partie de lénergie véhiculée est perdue à cause de ce phénomène.

31 31 Pertes par courbure: Lorsquon courbe la fibre, une partie de lénergie lumineuse du mode peut échapper au guidage, et séchapper dans la gaine. En pratique, leffet dune courbure locale est négligeable lorsque le rayon de courbure R est grand devant un rayon de courbure critique R c donné empiriquement par : Pour les fibres multimodes: Pour les fibres monomodes:

32 32 Les pertes par micro courbure: ils apparaissent lors de la fabrication des câbles lorsque des contraintes mécaniques provoquent des microdéformations de la fibre, ce qui entraîne des pertes de lumière. Ces pertes augmentent très vite lorsque le diamètre de la fibre diminue. C'est actuellement l'une des sources les plus importantes des pertes d'une ligne de fibre optique. En effet lors d'une connexion bout à bout on peut avoir des pertes due : 1.c. Raccordement: une séparation longitudinale un désalignement radial un désalignement angulaire Causes:

33 33 Causes de pertes de fibre Fibres différentes (dindice n 1 et n 2 resp) Erreur de positionnement Excentrement transversale e t Désalignement dangle D α (rd) Ecartement longitudinal D e Monomode Multimode (réciproque) avec (Non réciproque) Voir figure 4.1 Calcul des pertes par raccordement: - Les indices 1 et 2 se rapportent à la fibre de départ et darrivée (resp). - n 0 n 1 en cas dépissure

34 34 Figure 1 : Pertes par raccordement pour les fibres multimodes Exemple: cas dune fibre multimode:

35 35 Si on augmente Les pertes La dispersion intermodale intrinsèquesAux raccordements Par courbure Par micro- courbure Le diamètre du cœur 2a = == Louverture numérique Tab 1: Fibres multimodes 2. Optimisation dans les fibres optiques: Daprès les tableaux 1 et 2, on remarque que le diamètre du cœur et la différence dindice ont des influences contradictoires sur les différentes causes datténuation. 2.a. Fibres multimodes:

36 36 Si on augmente Les pertes La dispersion chromatique à 1.55 μm intrinsèques aux raccordeme nts Par courbure Par micro- courbure e1e1 DαDα DeDe 2a == n 1 -n 2 Tab 2 : Fibres monomodes Conclusion : Selon les conditions dutilisation, un compromis doit être fixé. 2.b. Fibres monomodes:

37 37 2.c. Fenêtre optimale:

38 38 – Atténuation élevée ( ~ 3 dB/km) – Composants très bon marché (Diodes LED) -- nest utilisée quen multimode. - Atténuation minimale (0,2 dB/km) - Lasers et amplificateurs performants (mais assez chers) - C'est la fenêtre de choix pour quasiment toutes les applications modernes. – Lasers disponibles depuis longtemps et peu chers – Atténuation raisonnable (0,33 dB/km) – Dispersion chromatique nulle -- est encore largement utilisée. Première fenêtre ( µm) : Deuxième fenêtre ( µm) : Troisième fenêtre ( µm) :


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