fibreS optiqueS (suite)

Principe de fonctionnement Son principe: Transporter de l'information numérique au travers d'une fibre Utiliser une variation d'intensité lumineuse pour générer un signal binaire Les niveaux logiques bas du signal binaire seront représentés par une absence de signal lumineux, tandis que les niveaux logiques hauts seront détectés grâce à la présence d'un fort signal lumineux au sein de la fibre optique.

Principe de la réfraction La réfraction est le phénomène de changement brusque de direction d'un rayon lumineux lorsqu'il traverse la surface de séparation de deux milieux transparents. Lorsqu'un rayon lumineux traverse la surface de séparation de deux milieux (de l'air vers le verre par exemple), une partie du signal lumineux va se retrouver réfracté, tandis qu'une autre sera réfléchie.

Indice de réfraction L'indice de réfraction d'un milieu mesure la densité optique de celui-ci. Cela constitue donc une idée de la difficulté de la lumière à se propager dans ce milieu. L'expression de l'indice de réfraction s'exprime comme le rapport des vitesses de propagation de la lumière dans l'air et dans le milieu concerné : Avec : c : vitesse de la lumière c1 : vitesse de la lumière dans le milieu 1

Schéma du principe de la réfraction

On peut distinguer 3 principaux scénarios:

Cas d'un angle d'incidence normal, et par conséquent d'un angle de réfraction associé (b) Ici, l'angle d'incidence est dit critique. L'angle de réfraction est maximal, c'est à dire de 90° (c) Cas d'un angle d’incidence supérieur à l'angle critique, on a donc une réflexion totale interne

L'ouverture numérique d'une fibre Les relations de réfraction induisent des angles limites qui permettent le guidage du signal lumineux au sein d'une fibre optique. On introduit donc la notion de cône d'acceptance ou encore ouverture numérique d'une fibre. Cette formule va donc permettre de définir l'angle d'incidence limite permettant le guidage du signal lumineux.

On peut noter ici la présence de 2 angles d'incidence limite, de part et d'autre de l'axe de la fibre optique. Ces 2 angles limites représentent un cône. Les rayons lumineux arrivant à l'entrée de la fibre, vont subir différents scénarios en fonction de leur angle d'incidence. Le rayon vert arrive avec un angle supérieur à l'angle d'incidence limite (donc en dehors du cône). Ce rayon ne sera pas guidé de bout en bout à l'intérieur de la fibre, mais sera dispersé dans les premiers millimètres de la gaine de la fibre.

Ensuite, nous avons le rayon rouge, qui arrive dans la fibre avec un angle d'incidence limite. Il sera lui guidé jusqu'au bout de la fibre, mais avec une direction parallèle à l'axe de la fibre. Enfin, le rayon bleu, qui entre dans la fibre avec un angle d'incidence inférieur à l'angle limite sera guidé de façon normale, c'est à dire en suivant le principe de réflexion totale interne au sein du cœur de la fibre.

L'ouverture numérique est régie par la formule suivante : L’angle d’acceptance est défini tel que:

La longueur d'onde La lumière est une onde électromagnétique qui possède un caractère ondulatoire. Elle possède une certaine fréquence qui lui est propre. La longueur d'onde est la distance parcourue par l'onde pendant une période définie. Avec : λ : longueur d'onde en m c : vitesse de l'onde en m/s T : période en s v : fréquence en Hz

Polychromatisme/ Monochromatisme La lumière d'une ampoule ou celle du soleil est une lumière dite Polychromatique. Cela signifie qu'elle est composée de plusieurs radiations lumineuses de "couleurs" différentes. Chaque couleur visible par l'œil humain possède une fréquence précise. Pour la transmission sur fibre optique, les signaux lumineux utilisés sont de type monochromatique. On utilise une seule radiation lumineuse, possédant sa propre fréquence, donc sa propre longueur d'onde (et sa propre vitesse de propagation).

Fibre Multimode à saut d'indice C’est la fibre la plus ordinaire. C'est ce type de fibre qui est utilisé dans les réseaux locaux de type LAN. 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

Fibre Multimode à gradient d'indice Elle est aussi utilisée dans les réseaux locaux. 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. 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.

Débit: environ 1 Gbit/s Portée maximale: environ 2 Km Affaiblissement: 10 dB/Km

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. Un seul mode de propagation de la lumière existe : c'est le mode en ligne droite. La fibre monomode possède un cœur très fin. 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

Emission du signal lumineux Cela est réalisé par un composant appelé diode électroluminescente (DEL). Les photons sont émis à une certaine fréquence, donc à une certaine longueur d'onde. Le LASER (Light Amplification by Simulated Emission of Radiation) fonctionne à peu près sur le même principe que les LEDs.

Réception du signal lumineux La Photodiode: Composant capable de reproduire le signal électrique à partir du signal lumineux détecté en sortie de fibre optique. Elle est en effet en mesure de détecter le signal optique et le transformer en signal exploitable. Différentes qualités sont requises pour ce type d'équipement : Bonne sensibilité aux longueurs d'onde utilisées Rapidité de détection pour supporter des débits supérieur à 100 Gbit/s

Le multiplexage Le multiplexage permet de transmettre plus d'information sur une fibre optique. A l'aide de ce principe simple, de larges économies sont possibles grâce à la réduction des coûts d'installation et/ou d'exploitation. (moins de câbles pour faire passer la même quantité d'information). Plusieurs types de multiplexage sont possibles: le multiplexage en temps et le multiplexage en fréquence .

Le multiplexage en temps (TDM) Le TDM (Time Division Multiplexing) consiste à découper la bande passante de la fibre optique en unités de temps, que vont se partager les différentes communications. Cela permet donc à un émetteur de transmettre plusieurs canaux numériques élémentaires à faible débit sur un même support de communication à plus haut débit: TDM = Répartition du temps d'utilisation entre les communications Chaque signal est commuté à tour de rôle à grande fréquence

Schéma de principe du TDM

Le multiplexage en longueur d'onde (WDM) Le WDM (Wavelength Division Multiplexing) consiste à mélanger plusieurs signaux optiques sur une même fibre optique afin de multiplier la bande passante de celle-ci. Les signaux sont portés par des longueurs d'ondes différentes, et espacées assez largement afin de ne pas interférer les unes avec les autres. Ce procédé nécessite l'utilisation d’un: Multiplexeur (en entrée ) et un démultiplexeur (en sortie). WDM= Allouer des fractions de la bande passante à chaque communication Répartir les signaux dans un espace de fréquences (longueur d'onde)

Schéma de principe du WDM

Différents types de WDM existent : Coarse-WDM, Dense-WDM, Ultra-Dense-WDM... La différence entre les modes réside principalement dans l'espacement des canaux optiques utilisés.

Caractéristiques des modes WDM les plus répandus

Exemple:

Schéma d'un réseau optique WDM