Embed Size (px)
Citation preview
Fibre Optique
Formation
Fibre Optique
CIN ST MANDRIER
Généralités sur l'optique
Notions élémentaires sur la F.O.
DWDM
Aspect matériel
Fibre Optique
CIN ST MANDRIER
Pourquoi la fibre Optique ?
Des transmissions multiservices toujours croissantes
L'avènement du réseau "tout optique" pour remplacer les réseaux numériques déployés (PDH vers 1980 puis SDH dès 1990)
L'atout de la lumière guidée
L'immunité aux interférences externes
Objectifs
Fibre Optique
CIN ST MANDRIER
Comparaison avec les autres média
Paires torsadées
Câble coaxialFibre
optique
Coût Bas MoyenAssez élevé
Bande passante Moyenne Large Très large
Longueur maximale Moyenne Elevée Elevée
Immunité aux interférences
Basse moyenne
Moyenne élevée
Très élevée
Facilité de connexion Simple Variable Difficile
Facilité d'installation Variable Variable Difficile
Fiabilité Bonne Bonne Très bonne
Fibre Optique
CIN ST MANDRIER
Spectre disponibleLa quantité d'informations susceptible d'être transportée est proportionnelle à la fréquence de l'onde porteuse :
Lm = Cm/s / FHz avec C = 3 108 VLF ( Very Low Frequency ) de 3 à 30 kHz de 10 à 100
km
LF ( Low Frequency ) de 30 à 300 kHz de 1 à 10 km
MF ( Medium Frequency ) de 300 à 3000 kHz de 100 à 1000 m
HF ( High Frequency ) de 3 à 30 MHz de 10 à 100 m
VHF ( Very High Frequency ) de 30 à 300 MHz de 1 à 10 m
UHF ( Ultra High Frequency ) de 300 à 3000 MHz de 1 à 10 dm
SHF ( Super High Frequency ) de 3 à 30 GHz de 1 à 10 cm
EHF ( Extra High Frequency ) de 30 à 300 GHz de 1 à 10 mm
Lumière infra-rouge de 100 à 1,6 µm
Lumière visible de 1,55 à 0,8 µm
Fibre Optique
CIN ST MANDRIER
Spectre disponible100Hz
1kHz
10kHz
100kHz
1MHz
10MHz
100MHz
1GHz
10GHz
100GHz
1THz
10THz
100THz
VLF LF MF HF VHF UHF SHF EHF
km hm dam m dm cm mm µm
F.V. Infra-rouge U.V.
Fibre Optique
CIN ST MANDRIER
Spectre disponible100Hz
1kHz
10kHz
100kHz
1MHz
10MHz
100MHz
1GHz
10GHz
100GHz
1THz
10THz
100THz
VLF LF MF HF VHF UHF SHF EHF
km hm dam m dm cm mm µm
F.V. Infra-rouge
Mod
e d
e p
rop
ag
ati
on Onde de sol
Réflexion ionosphérique
Réfraction troposphérique
Dispersion troposphérique
Visibilité directe
U.V.
Fibre Optique
CIN ST MANDRIER
Spectre disponible100Hz
1kHz
10kHz
100kHz
1MHz
10MHz
100MHz
1GHz
10GHz
100GHz
1THz
10THz
100THz
VLF LF MF HF VHF UHF SHF EHF
km hm dam m dm cm mm µm
F.V. Infra-rouge
Rad
iod
iffu
sion
son
ore
Ondes longues (OL) 150 à 285 kHz
Télévision (bande I, III, IV et V)
Ondes moyennes (OM) 0,525 à 1,6 MHz
Ondes courtes (OC) 4 à 26 MHz
Ondes ultra-courtes (OUC) 87,5 à 108 MHz
Radiodiffusionvisuelle 41/68, 174/216, 470/605, 606/960 MHz
U.V.
Fibre Optique
CIN ST MANDRIER
Spectre disponible100Hz
1kHz
10kHz
100kHz
1MHz
10MHz
100MHz
1GHz
10GHz
100GHz
1THz
10THz
100THz
VLF LF MF HF VHF UHF SHF EHF
km hm dam m dm cm mm µm
F.V. Infra-rouge
Syst
èm
es
de
télé
com
mu
nic
ati
on
s
Radio communications mobiles80, 160 et 460 MHz
Faisceaux hertziens(FH) 0,25 à 22 GHz
Satellites 3 à 30 GHz
Télégraphie et téléphonie par ondes courtes1,6 à 30 MHz
U.V.
Fibre Optique
CIN ST MANDRIER
3 longueurs d’onde utilisées en communications optiques
Lumière visible
Infra-Rouge Ultra-Violet
Longueurs d'onde utilisées
800 nm 1300 nm 1550 nm
F = c /
Fibre Optique
CIN ST MANDRIER
Optique "géométrique"
Rayons lumineux rectilignes utilisés pour la description des instruments optiques classiques (lentilles, lunettes,…)
Optique "ondulatoire"
Les rayons peuvent être perçus comme des ondes électromagnétique qui se propagent.
Concepts de l'optique
Fibre Optique
CIN ST MANDRIER
Vitesse de propagation
Vitesse de propagation de la lumière dans le vide : C = 300 000 km/s (Célérité)
La vitesse de propagation de la lumière dans un milieu est :Vitesse de propagation = C / n ( n = indice de réfraction )
Les principaux indices de réfraction sont :
1 pour le vide
1,003 pour l'air
1,3 pour l'eau
1,5 pour le verre
2 pour le diamant
Fibre Optique
CIN ST MANDRIER
L'indice absolu n1 d'un milieu est le rapport entre la vitesse de la lumière dans le vide et la vitesse de la lumière dans le milieu considéré.
Indice optique d'un milieu
Vitesse de la lumière : c = 299792,5 km/sVitesse de la lumière : c = 299792,5 km/s
11
c
cn
Fibre Optique
CIN ST MANDRIER
La réflexion
La réfraction
La diffusion
L'absorption
La diffraction
Théorèmes optiques
Fibre Optique
CIN ST MANDRIER
La Réflexion
La réflexion est le renvoi de la lumière par la surface qui la reçoit :
Le rayon réfléchi est dans le plan d'incidence
L'angle de réflexion est égal à l'angle d'incidence
Nn1
n2
Rayon réfléchiRayon incident i i'
11èreère loi de Descartes loi de Descartes
Fibre Optique
CIN ST MANDRIER
La Réflexion
Fibre Optique
CIN ST MANDRIER
La Réfraction
La réfraction est la déviation subie par les rayons lumineux à la traversée de la surface séparant deux milieux transparents :
Le rayon réfracté se trouve dans le plan d'incidence
L'angle de réfraction suit la loi : n1 sin i = n2 sin r
Rayon incident
22èmeème loi de Descartes loi de Descartes
Nn1
n2 Rayon réfracté
i
r
irnn 2 1
Fibre Optique
CIN ST MANDRIER
Réflexion & Réfraction
Rayon incident
Nn1
n2
Rayon réfléchi
2
1arcsinn
n
i
n1 > n2
i = i = = angle limite de réfraction = angle limite de réfraction
i > i > ( (effet miroireffet miroir))
Rayon réfracté
Fibre Optique
CIN ST MANDRIER
Partie de l'énergie lumineuse qui est absorbée par certains éléments.
Elle est transformée en une autre forme d"énergie :
Vibrations moléculaires
Rayonnement stimulé ……
L'absorption
Fibre Optique
CIN ST MANDRIER
La diffusion est le renvoi de la lumière dans toutes les directions par le milieu qu'elle frappe.
La diffusion
R
Fibre Optique
CIN ST MANDRIER
La diffraction est l'éparpillement d'un rayon lumineux traversant une ouverture de faible diamètre sur une surface finement striée.
La diffraction
théorique
réel
Fibre Optique
CIN ST MANDRIER
Généralités sur l'optique
Notions élémentaires sur la F.O.
DWDM
Aspect matériel
Fibre Optique
CIN ST MANDRIER
Gaine mécanique
250 mGaine optique (n2)
125 m
Coeur(n1>n2)
Fibres multimode 20 à 100µm Fibres monomode < 10 mm
Structure d'une fibre optique
Fibre Optique
CIN ST MANDRIER
nn11
nn22
Rayon guidéRayon guidé
NN
Rayon réfractéRayon réfracté
Il existe un angle limite d’injectionIl existe un angle limite d’injection
Principe du guidage dans une fibre
Fibre Optique
CIN ST MANDRIER
nn11
nn22
N N
22
21sin nnON Ouverture numériqueOuverture numérique
Cône d’acceptanceCône d’acceptanceL'injection dans la fibre
Fibre Optique
CIN ST MANDRIER
Il existe deux conditions de guidage :
n1 > n2
i > réflexions totales tout au long de la fibre optique
On utilise deux types de fibre.
Conditions de guidage
10 µm < Rayon de cœur < 100 µm
Bande passante limitée à 1GHz
Fibres à saut ou gradient d’indice
Fibre multimodeFibre multimode
Rayon de cœur très faible
Bande passante > 1GHz
Fibres à saut d’indice
Fibre monomodeFibre monomode
Fibre Optique
CIN ST MANDRIER
Issue du caractère ondulatoire de la lumière, l'injection d'une onde électromagnétique dans la fibre optique entraîne une décomposition de l'énergie incidente en sous entités énergétiques ou "mode" qui se propagent différemment.
En multimode l'énergie se répartie sur plusieurs modes ou chemins possibles. Les chemins étant de longueurs différentes, les temps de propagation seront différents, ce qui limitera la bande passante.C'est la dispersion modale. Elle est négligeable en monomode
La notion de mode
Fibre Optique
CIN ST MANDRIER
Elles sont constituées:Elles sont constituées:d’un cœur d’indice nd’un cœur d’indice n11
d’une gaine d’indice nd’une gaine d’indice n22
r
n
La fibre multimode à saut d'indice
Fibre Optique
CIN ST MANDRIER
tPulse émis
Étalement + atténuation t
’
nn11
nn22
Plusieurs modes de propagationPlusieurs modes de propagation
Propagation de la lumière dans la fibre
multimode à saut d'indice
Fibre Optique
CIN ST MANDRIER
r
n
Elles limitent le phénomène d’élargissement d’impulsionElles limitent le phénomène d’élargissement d’impulsion
Fibre multimode à gradient d'indice
L'indice du cœur varie suivantL'indice du cœur varie suivantune loi parabolique fonction de rune loi parabolique fonction de r
Fibre Optique
CIN ST MANDRIER
tAtténuation
Etalement moins important
’
tPulse émis
nn11
nn22
Plusieurs modes de propagationPlusieurs modes de propagation
Propagation de la lumière dans la fibre
multimode à gradient d'indice
Fibre Optique
CIN ST MANDRIER
r
n
Le diamètre du cœurest très petit
m10 à 3
La fibre monomode
Elles sont constituées:Elles sont constituées:d’un cœur d’indice nd’un cœur d’indice n11
d’une gaine d’indice nd’une gaine d’indice n22
Fibre Optique
CIN ST MANDRIER
tPulse émis
nn11
nn22
t
Faible atténuation
Faible étalement
Propagation de la lumière dans la fibre monomode
Un seul mode de propagationUn seul mode de propagation
Fibre Optique
CIN ST MANDRIER
C’est une variable utilisée par les technologues, elle est donnée par la relation
suivante:
ON . RV .2
Si V<2,405V<2,405 alors la fibre est MONOMODEMONOMODE
Si V>2,405V>2,405 alors la fibre est MULTIMODEMULTIMODE
La fréquence normalisée (V)
Fibre Optique
CIN ST MANDRIER
Les valeurs typiques de bande passante pour une fibre de 1 km sont:
Bande passante
100 MHz100 MHz
Multimode àMultimode àsaut d'indicesaut d'indice
quelques GHzquelques GHz
Multimode à Multimode à gradient gradient d'indiced'indice
> 10 GHz> 10 GHz
MonomoMonomodede
Fibre Optique
CIN ST MANDRIER
Si on injecte une puissance lumineuse P0 alors sa décroissance linéique est donnée par la relation suivante :
Atténuation de la fibre optique
dBW)ou (W
0 ePx
xP
atténuation linéique en atténuation linéique en (dB/km)(dB/km)
PP00
x en x en kmkm
Fibre Optique
CIN ST MANDRIER
Aujourd’hui vaut typiquement 0,2dB/km0,2dB/km, ce paramètre d’atténuation traduit l’ensemble des pertes causées par différents processus physiques (absorptions atomique ou moléculaire, diffusion,…)
Typiquement en 1974 on avait =20 dB/km =20 dB/km on a donc réussi à optimiser la transmission optique dans un rapport de 100 000
Atténuation de la fibre optique
Fibre Optique
CIN ST MANDRIER
Aujourd’hui vaut typiquement 0,2 dB/km0,2 dB/km, ce paramètre d’atténuation traduit l’ensemble des pertes causées par différents processus physiques (absorptions atomique ou moléculaire, diffusion,…).
Typiquement en 1974 on avait = 20 dB/km = 20 dB/km on a donc réussi à optimiser la transmission optique dans un rapport de 100 000.
Les valeurs recommandées par la spécification G 957 de l’UIT sont :
= 1310 nm, = 0,3 – 0,4 dB/km
= 1550 nm, = 0,15 – 0,25 dB/km
Atténuation de la fibre optique
Fibre Optique
CIN ST MANDRIER
Conclusions
Systèmes à 10 Gbps sur fibres monomodes en utilisant le multiplexage temporel (TDM).
Systèmes performants puisqu'ils permettent d'atteindre 100 km sans régénération du signal voire plus pour certaines fibres.
Liaisons essentiellement point à point.
En 1998, le déploiement de systèmes à 10 Gbps a dépassé les $750 millions pour les Etats-Unis uniquement.
Fibre Optique
CIN ST MANDRIER
Généralités sur l'optique
Notions élémentaires sur la F.O.
DWDM
Aspect matériel
Fibre Optique
CIN ST MANDRIER
Multiplexage en longueur d'onde WDM
WWavelenght DDivision MMultiplexing (WDM) ou Multiplexage par longueur d'onde.
Besoin d'augmenter la capacité des liaisons sans les remplacer matériellement.
Rentabiliser l'infrastructure existante.
Optimisation de l'infrastructure déjà déployée afin de véhiculer :
La multitude de nouveaux services numériques
Les services usuels dont le débit d’informations annexes (de qualité par exemple) augmente
Fibre Optique
CIN ST MANDRIER
WDM
Fibre Optique
CIN ST MANDRIER
Sources LASER, chacune modulée par 1 débitmodulée par 1 débit
Fibre optiqueFibre optique
Débit total transmis = 6 Débit nominal
On multiplexe ainsi 6 porteuses optiques modulées, d’où l’appellation WDM-6
+ filtres optiques
Principe du WDM
Lentille defocalisatio
n
Fibre Optique
CIN ST MANDRIER
Fenêtre utilisée
Le peigne des longueurs d'onde normalisé par l'UIT-T pour le système WDM se trouve entre 1530 et 1565 nm, soit une fenêtre spectrale de 35 nm.
On partage cette fenêtre spectrale afin de pouvoir utiliser 16 ou 40 longueurs d'onde. On obtient un peigne.
C'est la recommandation G 692 (interfaces optiques pour système multi-canaux) qui normalise l'espacement en nm entre deux longueurs d'onde permises dans la fenêtre :
1,6 nm ou 200 GHz
0,8 nm ou 100 GHZ
Fibre Optique
CIN ST MANDRIER
DWDM ou Dense WDM.
Dans ce cas l'écart entre deux longueurs d'ondes voisines est plus petit ( < 100 GHz ):
0,4 nm ou 50 GHz
0,2 nm ou 25 GHz
Les systèmes d'aujourd'hui comportent 4, 8, 16, 32 voire 80 canaux optiques donc des capacités de 10 à 200 Gbps si on prend un débit de canal de 2,5 Gbps.
Recommandation pour le DWDM
Fibre Optique
CIN ST MANDRIER
Exemple de liaison optique WDM :
Liaison « Southern-Cross » reliant l’Australie et les Etats-Unis par un système WDM-16 sur 4 paires de fibres optiques
Soit le Débit nominal de 2,5Gb/s alors le débit par fibre optique est de 10Gb/s et le débit total de la liaison est de 160Gb/s
Pour augmenter les capacités du WDM :
Augmenter le débit binaire nominal (domaine de l’électronique, photoémetteurs)
Diminuer l’espacement spectral du peigne afin d’augmenter le nombre de porteuses optiques (il est de 0,8 nm pour 40 porteuses)
Elargir la fenêtre spectrale aux longueurs d’onde supérieures à 1560nm
Conclusions
Fibre Optique
CIN ST MANDRIER
Généralités sur l'optique
Notions élémentaires sur la F.O.
DWDM
Aspect matériel
Fibre Optique
CIN ST MANDRIER
Décalages axiaux
Défauts de surface
Pertes d'épissures
Fibre Optique
CIN ST MANDRIER
zx
y
ElectrodesElectrodes
Support fixeSupport fixe
Paramètres :Position initiale, distance entre les deux fibresArc électrique : intensité et durée
Support mobile Support mobile
Epissures
Fibre Optique
CIN ST MANDRIER
Fibre
Connecteurvissé
Connecteurs optiques
Fibre Optique
CIN ST MANDRIER
Pertes insertion < 0,2 dB typ < 0,3 dB maxROS en PC < -30 dBen Super PC < -40 dBen Ultra PC < -50 dB
connecteur FC
connecteur SC
Connecteurs optiques
Fibre Optique
CIN ST MANDRIER
Composants électroluminescents
Diode électroluminescente ( DEL )
Jonction PN dans laquelle on injecte des électrons. Ces électrons excitent les molécules qui reviennent spontanément au repos en libérant des photons.La longueur d'onde de ces photons dépend du matériau utilisé dans la jonction :
Pour le gallium L = 1,3 µm
Pour l'indium L = 1,55 µm LL LLightEE EEmittingDD DDiode
Fibre Optique
CIN ST MANDRIER
Composants électroluminescents
Diode à effet LASER
Même principe que la DEL, mais la jonction est enfermée entre des couches de confinement et les faces du composant sont clivées de telle sorte qu'un électron, sur son parcours, libère plusieurs photons.
PmW opt
0,1
1
DEL
DL
SeuilLASER
LL LLightAA AAmplification bySS SStimuatedEE EEmission ofRR RRadiation
Fibre Optique
CIN ST MANDRIER
04-9
6
Caractéristiques
DEL DL
Puissance
Puissance dans la fibre
Largeur du spectre
Rapidité de modulation
Durée de vie
Refroidissement Non Oui
0,1 mW 1 mW
0,01 mW 0,5 mW
50 à 200nm 1 nm
100 MHz 10 GHz
100 ans 10 ans
Composants électroluminescents
