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

Introduction Avantages des fibres optiques : 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. Photo d'une fibre optique standard Avantages des fibres optiques : Transmission Atténuation faible ; grande bande passante Installation Taille faible ; faible poids ; grande souplesse Sécurité Isolation ; absence de perturbation Coût Plus faible que le cuivre

Composition d'une fibre 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.

Les applications Aujourd’hui les applications des fibres optiques concernent essentiellement :   Les télécommunications, pour la réalisation des réseaux hauts débit des opérateurs en technologie WDM, SDH, ATM.   L’audiovisuel, pour la réalisation des réseaux câblés de télévision en association avec le câble coaxial utilisé pour le raccordement de l’abonné,   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 l’intérieur du corps et transmettre les images jusqu’au médecin.   …

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

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

Rétreint On augmente ensuite la température pour faire fondre la silice et refermer la préforme; il s'agit du rétreint. La préforme est maintenant constituée. Tirage On réalise le tirage de la fibre en plaçant la préforme dans un four à induction qui fond la silice. On fixe sur un tambour en rotation le filament de verre qui s'est étiré par gravitation. On rajoute un revêtement en silicone qui assure une protection mécanique de la fibre. La vitesse de rotation du tambour définit le diamètre de la fibre.

Le réseau mondial des câbles sous marins à fibres optiques 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!).

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

Les rayons de la gaine : La propagation avec un rayon réfracté dans la gaine a lieu lorsque l’angle d’incidence du rayon sur l’interface cylindrique est inférieur à c. Dans ce cas, une partie de l’énergie pénètre dans 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.

Fibres Optiques à Saut d’Indice La structure de guidage : - C’est le type le plus utilisé. - Il est constitué d’un cœur cylindrique homogène d’indice n1 entouré d’une gaine extérieure homogène d’indice n2.

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: Si l'angle d'incidence  ɵ est inférieur à l'angle critique ɵa , le rayon est guidé dans la fibre par contre si l'angle ɵ   est supérieur à l'angle critique ɵa , le rayon n'est pas guidé. Définition: On appelle Ouverture Numérique (ON), la quantité: On a alors:

Fibres Optiques à Gradient d’Indice La structure de guidage : - Le modèle de la fibre à Gradient d’indice est une tige diélectrique inhomogène (cœur), entourée d’un milieu extérieur homogène (gaine). - Le modèle considéré suit une distribution d’indice en loi de puissance : r étant la distance à l’axe (o,z) et

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

2. Ouverture numérique Figure: Trajectoire d’une fibre à gradient d’indice. Donc les rayons guidés suivent une trajectoire d’allure sinusoïdale dont l’équation se déduit de: Rq: La gaine d’indice n2 n’intervient pas directement

les rayons à la limite sont tangents à l’interface cœur- gaine On définit, de même l’ouverture numérique: Remarques: Cette ouverture diminue au fur et à mesure que le point d’incidence s’éloigne de l’axe. De ce fait on injecte en général moins de puissance dans une fibre à gradient d’indice que dans une fibre à saut d’indice

1. Dispersion dans les fibres multimodes: 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

Dispersion intermodale pour une fibre SI: 1.b. Dispersion intermodale: 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 n’ont pas le même trajet ni la même vitesse de propagation. La dispersion intermodale, par unité de longueur: Dispersion intermodale pour une fibre SI: Le temps de propagation d’un rayon incliné sur l’axe de a vaut : La dispersion intermodale vaut, par unité de longueur:

Dispersion intermodale pour une fibre à GI: Pour les rayons méridiens et , où α exposant de profil d’indice. Le temps de propagation d’un rayon incliné sur l’axe de a vaut : paramètre de dispersion de profil: Rq: la dispersion est beaucoup plus faible pour une fibre à GI que pour une fibre à SI.

1.c . Dispersion chromatique La vitesse de propagation moyenne d’une 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 s’explique par: l'indice qui varie en fonction de la longueur d'onde (dispersion du matériau DM). la vitesse de groupe qui varie avec la longueur d'onde (dispersion du guide d'onde DG).

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

2. Fibres monomodes: 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.a. Condition du régime monomode: fibre monomode à saut d’indice, la condition sur la fréquence réduite V: profil du champ tracé a une allure gaussienne(expression approchée): Où 2w0: le diamètre du mode (ou diamètre du champs du mode). 2.b. Relations fondamentales d’une fibre monomode: Longueur d’onde de coupure: A partir de la condition du régime monomode, on déduit que: avec:

Le diamètre du mode 2w0 est donné par l’approximation de Marcuse: A la coupure, le diamètre du mode est voisin de celui du cœur; mais il augmente rapidement avec la longueur d’onde et le mode s’étale 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).

3. Dispersion dans les fibres monomodes 3.1. Dispersion chromatique: La seule cause de l’élargissement de l’impulsion 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:

2. Résolution graphique: Figure 2.b: Dispersion chromatique des fibres Monomodes à saut d’indice Figure 2.a : Constantes normalisées

3.2. Annulation de la dispersion chromatique: Il est possible d’avoir compensation de la dispersion matériau par la dispersion guidée: Pour  et n1 – n2 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).

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

1. Causes des pertes dans les fibres: on distingue généralement : 1.a. atténuations intrinsèques: 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. Diffusion de Rayleigh: aussi parfaite qu’elle soit, il existe dans la fibre des discontinuités en tous points. Ceci se traduit par des fluctuations de l’indice de réfraction ce qui entraîne des phénomènes de réfraction/ réflexion tout au long de la fibre.

Une partie de l’énergie véhiculée est perdue à cause de ce phénomène. Coeur Gaine Centre diffuant 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.

Pertes par courbure: Lorsqu’on courbe la fibre, une partie de l’énergie lumineuse du mode peut échapper au guidage, et s’échapper dans la gaine. En pratique, l’effet d’une courbure locale est négligeable lorsque le rayon de courbure R est grand devant un rayon de courbure critique Rc donné empiriquement par : Pour les fibres multimodes: Pour les fibres monomodes:

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. 1.c. Raccordement: Causes: 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 : une séparation longitudinale un désalignement radial un désalignement angulaire

Calcul des pertes par raccordement: Causes de pertes de fibre Fibres différentes (d’indice n1 et n2 resp) Erreur de positionnement Excentrement transversale et Désalignement d’angle Dα (rd) Ecartement longitudinal De Monomode Multimode avec (réciproque) avec Voir figure 4.1 (Non réciproque) - Les indices 1 et 2 se rapportent à la fibre de départ et d’arrivée (resp). - n0 ≈ n1 en cas d’épissure

Figure 1 : Pertes par raccordement pour les fibres multimodes Exemple: cas d’une fibre multimode: Figure 1 : Pertes par raccordement pour les fibres multimodes

= ↓ ↑ 2. Optimisation dans les fibres optiques: D’après les tableaux 1 et 2, on remarque que le diamètre du cœur et la différence d’indice ont des influences contradictoires sur les différentes causes d’atténuation. 2.a. Fibres multimodes: Si on augmente Les pertes La dispersion intermodale intrinsèques Aux raccordements Par courbure Par micro-courbure Le diamètre du cœur 2a = ↓ ↑ L’ouverture numérique Tab 1: Fibres multimodes

= ↓ ↑ Les pertes 2.b. Fibres monomodes: Tab 2 : Fibres monomodes Si on augmente Les pertes La dispersion chromatique à 1.55 μm intrinsèques aux raccordements Par courbure Par micro- courbure e1 Dα De 2a = ↓ ↑ n1-n2 Tab 2 : Fibres monomodes Conclusion : Selon les conditions d’utilisation, un compromis doit être fixé.

2.c. Fenêtre optimale:

Première fenêtre (0.8-0.9 µm) : – Atténuation élevée ( ~ 3 dB/km) – Composants très bon marché (Diodes LED) -- n’est utilisée qu’en multimode. Deuxième fenêtre (1.28-1.33 µm) : – Lasers disponibles depuis longtemps et peu chers – Atténuation raisonnable (0,33 dB/km) – Dispersion chromatique nulle -- est encore largement utilisée. Troisième fenêtre (1.525-1.625 µm) : - 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.