Télécommunication par fibre optique

1.1. Introduction

Le concept  de communications optiques remonte loin dans l’histoire.  L’envoi des messages par la lumière est certainement aussi vieux que les signaux de feu ou de fumée et a continué dans notre ère moderne si on tient compte de l’utilisation des lampes dans les communications entre les bateaux en mer. Cependant, ces méthodes de transmission dépendent de l’état de l’atmosphère comme milieu de transmission.

Un guide d’onde fabriqué à partir d’un matériau non conducteur qui  transmet  la lumière, tel que le verre ou le plastique, pourrait être un milieu de transmission idéal, parce qu’il n’est pas sujet aux variations atmosphériques. Les recherches entreprises dans ce sens  aboutissent  aux  fibres  optiques  actuelles  avec  des  pertes  de  puissance  de  lumière relativement faibles sur de longues distances.

Nous sommes aujourd’hui dans une période où le développement des réseaux Internet est en pleine croissance et le moyen le plus rapide pour transmettre une information est bien sûr la lumière. La transmission sans perturbation d’une information d’un point A à un point B s’effectue à l’aide d’un guide de lumière, appelé fibre optique. La fibre optique est au photon ce que le câble coaxial est à l’électron !

1.2. Présentation

La fibre optique est un média puissant et l’un des plus rapides pour le transfert de données numériques : plus de 10 Térabits par seconde sur une fibre (un bit est une unité d’information minimale du langage informatique, d’une valeur binaire ne pouvant être que 1 ou 0). Les débits autorisés par la fibre optique permettent bien évidemment de couvrir facilement tous les besoins de bande passante des applications du web comme la navigation et la téléphonie. L’intérêt majeur de la fibre est donc de permettre aux internautes de bénéficier de nouveaux services. La télévision haute définition (TVHD) a besoin d’une dizaine de Mbits de bande passante pour être diffusée dans d’excellentes conditions. La fibre optique s’adapte à tous les types de réseaux : LAN (réseaux locaux), MAN (réseaux métropolitains), WAN (réseaux de télécommunications) et FTTH (fibre optique jusqu’à l’abonné).

Figure 1.1 : Constitution d’un câble optique

La lumière est guidée dans le centre de la fibre, appelé cœur (9µm pour la fibre monomode, 50µm ou 62.5µm pour la fibre multimode standard). Le cœur est constitué en majorité de dioxyde de silicium (silice : SiO₂), enrichi avec d’autres éléments. Il est entouré par la gaine optique. La gaine est également faite de silice, mais son indice de réfraction est bien inférieur à celui du cœur. Cela permet justement à la lumière de se réfléchir. La gaine optique est protégée par une enveloppe, fabriquée fréquemment en plastique (Fig. 1.1).

Le chemin fait par un rayon est aussi appelé un mode. Lorsqu’une fibre optique transmet un seul rayon, elle est appelée fibre monomode. La fibre qui transmet plusieurs rayons, elle est appelée fibre multimode (Fig. 1.2). Les fibres multimodes transportent plusieurs signaux lumineux simultanément (Fig. 1.3) alors que les monomodes n’en transportent qu’un seul. Pour transmettre plusieurs rayons, avec des chemins différents, le cœur de la fibre multimode doit être plus grand que celui de la fibre monomode.

Figure 1.2 : Constitution d’une fibre multimode

Classiquement, les fibres multimodes sont utilisées pour les réseaux informatiques : les distances ne sont pas trop importantes et les équipements actifs tels que les convertisseurs d’énergie lumineuse/électrique (ou vice-versa) et les switchs sont nombreux. Les fibres monomodes sont utilisées pour les applications de télécommunication : les distances sont longues et le nombre d’équipements actifs plus réduit.

Figure 1.3 : Propagation des rayons dans une fibre multimode

Les sources qui diffusent la lumière dans la fibre ne sont pas les même pour les fibres monomode et multimode. En effet, une fibre multimode utilise la LED (Light Emitting Diode), en français « DEL », Diode Electroluminescente, qui produit de la lumière infrarouge de longueur d’onde de 850 nm ou 1310 nm, alors qu’une fibre monomode utilise le LASER (Light Amplification by Stimulated Emission Radiation) qui produit des rayons étroits de lumière infrarouge d’une grande intensité et de longueur d’onde de 1310 nm ou 1550 nm. Ainsi, un laser émet des rayons de longueur d’onde plus longue que celle des rayons émis par une LED. De ce fait, la longueur maximale de la fibre multimode est 2000 m tandis que la longueur maximale de la fibre monomode est 3000 m. 

La plupart des équipements pour les réseaux locaux transmettent des données en forme électrique. Afin d’intégrer la fibre optique dans un tel réseau, les signaux électriques doivent être transformé en impulsions lumineuses. Pour se faire, il existe des transmetteurs qui transforment, codent et envoient les signaux de lumière. 

A l’autre bout de la fibre se trouve le récepteur. Il transforme les impulsions lumineuses en impulsions électriques qui sont ensuite transférées aux autres équipements réseaux. Les extrémités de fibre sont attachées aux connecteurs qui se branchent dans les prises des transmetteurs et récepteurs. Les connecteurs de type SC (Subscriber Connecter) sont le plus souvent utilisés pour les fibres multimode et les connecteurs de type ST (Straight Tip) les plus fréquemment utilisés pour les fibres monomode (Fig. 1.4).

Figure 1.4. : Les différents connecteurs d’une fibre optique

Une paire de connecteurs joints dans un emboîtement s’appelle un connecteur duplex. Un connecteur simplex est un connecteur simple, reliant une fibre seulement.

Les câbles optiques qui dépassent leur longueur maximale sont prolongés par des répéteurs, qui sont des équipements d’amplification de signaux de lumière.

1.3. Réflexion totale dans une fibre optique

Lors de la propagation de la lumière d’un milieu vers un autre, le bilan énergétique doit  être nul,  à savoir que l’énergie réfléchie plus l’énergie réfractée (transmise) plus l’énergie absorbée égale l’énergie incidente. (Loi de la conservation de l’énergie). Le  rapport  entre  l’énergie  réfléchie  et  l’énergie  transmise  varie  en  fonction  de  l’angle d’incidence. 

Lorsque l’angle de réfraction devient supérieur à l’angle critique, il n’y a plus de rayon réfracté dans le premier milieu et, aux pertes par absorption près, la totalité du rayon incident est réfléchie sur le dioptre (condition de guidage dans une fibre).  

L’angle de déviation entre le rayon incident et le rayon réfracté dépend de la nature du dioptre et de la longueur d’onde du rayonnement. Dans une fibre optique, Un rayon lumineux véhiculant l’information et pénétrant dans le cœur de la fibre à l’une de ses extrémités, se propage longitudinalement jusqu’à l’autre extrémité grâce aux réflexions totales qu’il subit sur l’interface entre le verre du cœur et le verre de la gaine (Fig.1.5). Des absorptions d’énergie sont les plus minimes possibles lors de la réflexion sur le dioptre. 

Figure 1.5 : Réflexion totale dans une fibre optique

Le LASER est bien intéressant parce qu’il fournit une lumière cohérente, ce qui lui donne des propriétés  particulières  suivantes :

• La lumière laser est une onde à part entière,  c’est  une émission continue.
• La lumière laser est concentrée sur un faisceau très fin et se propage non pas selon un cône, mais selon un cylindre.
• La lumière laser est parfaitement monochromatique c.-à-d. monofréquence.
• La lumière laser peut transporter beaucoup d’énergie.

1.4. Les types de fibre et le transfert de l’information

1.4.1 Fibres multimodes

1. Fibre à saut d’indice (débit <50Mb/s)

C’est la plus « ordinaire ». Le cœur a un relatif gros diamètre, par rapport à la longueur d’onde de la lumière (de l’ordre du µm dans l’infrarouge). Tous les inconvénients dus aux pertes d’énergie par réflexions multiples se manifestent ici. Observez l’allure de l’impulsion de sortie, comparée à celle de l’impulsion d’entrée

(Fig. 1.6). Ce sont bien entendu des informations non quantitatives.

Figure 1.6 : Transfert de l’impulsion par une fibre à saut d’indice

• Fibre à gradient d’indice (débit <1Gb/s)Ici, deux améliorations sont apportées :
• Le diamètre du cœur est de deux à quatre fois plus petit.
• Le cœur est constitué de couches successives, à indice de réfraction de plus en plus grand. Ainsi, un rayon lumineux qui ne suit pas l’axe central de la fibre est ramené « en douceur » dans le droit chemin (Fig.1       .7). Comme vous pouvez l’observer, les résultats sont déjà de meilleure qualité.

Figure 1.7 : Transfert de l’impulsion par une fibre à gradient d’indice

1.4.2 : Fibre monomode

C’est  le « top ». Le diamètre du cœur est  très petit,  les angles d’incidence le sont donc aussi.  Les résultats sont excellents, mais, compte tenu de la faible section de cette fibre, seule la lumière laser est ici exploitable (Fig.5.8). Il n’y a pas de miracle, c’est la solution la meilleure, mais aussi la plus onéreuse.

Figure 1.8 : Transfert de l’impulsion par une fibre monomode

1.5. Transmission du signal par fibre optique

• La source peut être une diode électroluminescente (DEL) ou une diode laser (DL) et peut être associée à un modulateur externe (Fig.5.9)

Figure 1.9. : Emission-transmission-réception d’un signal dans un réseau à fibre

• Les amplificateurs placés à intervalles réguliers peuvent être de 3 types: 

R : « régénération » (amplification seule)

2R : « régénération-reshaping» (amplification et remise en forme)

3R : « régénération-reshaping-retiming » (amplification et remise en forme et synchronisation)

– Le détecteur est constitué d’une photodiode PIN ou à avalanche

1.6. Conclusion

Par  rapport au câble en cuivre, la fibre optique aurait  même tendance à coûter  moins cher.  En revanche, ce sont la connectique et les convertisseurs d’énergie électrique/lumineuse et réciproquement, à placer aux extrémités, qui coûtent très cher, suivant les technologies mises en œuvre.

On peut faire passer plusieurs informations différentes dans la même fibre et les récupérer intactes à l’autre bout. Il y a même deux méthodes pour le faire :

• Si l’on utilise plusieurs longueurs d’ondes lumineuses. Là aussi, ça a une incidence sur la  complexité  des  équipements  aux  extrémités.  C’est  du  multiplexage  spatial,  à rapprocher de la « large bande » sur le cuivre ou la haute fréquence HF.
• On peut également faire du multiplexage temporel.

Les principaux avantages de la fibre optique sont les suivantes :

• La  fibre  optique  est  totalement  insensible  aux  rayonnements  électromagnétiques  dans lesquels nous baignons.
• L’atténuation du signal  est  inférieure  à  celle  d’un conducteur  électrique et  les  distances couvertes sans nécessité d’installer des amplificateurs sont bien plus grandes.
• La bande passante est  généralement bien supérieure à celle que l’on peut obtenir avec un câble électrique.

Les performances de la fibre optique sont les suivantes :

D’une grosse centaine de Méga bits par seconde, comparable à ce que l’on sait faire avec du cuivre, au record actuel détenu par Alcatel : 10,2 Tbit/s (10 200 Gbit/s), sur une distance de 100 kilomètres. Un autre record : 3 Tbit/s (3 000 Gbit/s), sur une distance record de 7 300 kilomètres.

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