Cours Fibre Optique

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Cours MRIM:

Etude des supports de transmission

la fibre optique

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1 - Gnralits

Cours MRIM: La fibre optique

La lumire est une onde lectromagntique, de longueur donde , qui se propage dans un milieu transparent et isolant (dilectrique). Avec : = c . T ou encore: =c/f o c est la clrit et vaut approximativement 3.108 m/s dans le vide ou lair; f est la frquence en Hz.

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Spectre de la lumiref3.10Hz20

3.1019 3.1018 3.1017 3.1016 3.1015 3.1014 3.1013 3.1012 3.1011 3.1010 3.109 3.108Cours MRIM: La fibre optique

La lumire visible n'est qu'une petite partie de ce qu'on appelle le spectre lectromagntique. Dans le domaine des radiations visibles, le spectre stend du violet au rouge, ce qui correspond dans lair ou dans le vide aux longueurs donde comprises entre 400 et 700 nm. La communication par fibre optique utilise les longueurs d onde comprises entre 800 et 1600 nm, dans le domaine de l infrarouge.

3.107 3.106

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Indice optique dun milieu isolant et transparent: l indice de rfraction

Lindice optique "n", ou indice de rfraction dune substance, est donn par le rapport de la clrit de la lumire dans le vide la clrit de la lumire dans le milieu considr :

c n= vIndice de rfraction de quelques milieux matrielsAirCours MRIM: La fibre optique

Eau

Huile

Verre Crown

Verre Flint

Carbone

Oxyde de titane 1,0002 1,333 2,76 1,5 1,517 1,655 2,417

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2 - Caractristiques d'une fibre optique

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L me ou le cur est la rgion de la fibre dans laquelle se propage la lumire. Dans ce milieu, l indice de rfraction n1 y est le plus lev. La gaine optique est un milieu d indice n2 lgrement plus faible, qui se comporte ainsi comme un miroir rflchissant pour la lumire l interface cur-gaine. Le revtement est une couche de plastique qui entoure la fibre optique pour la renforcer, elle aide absorber les chocs et permet une protection complmentaire contre des courbures excessives. L'armature en fibres permet de protger le cur contre les forces d'crasement et les tensions mcaniques excessives lors de l'installation. La gaine extrieure complte la protection mcanique du cur, elle est gnralement de couleur orange, certains types prsentent des couleurs noire ou jaune.

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Ouverture numrique dune fibre optique

Louverture numrique caractrise langle maximum 0 que peut faire le faisceau pour assurer sa propagation dans la fibre optique.O.N = sin( 0 ) =2 n12 n2 n0

Au del de cette limite, les rayons sont dvis dans la gaine et finissent par disparatre.Cours MRIM: La fibre optique

Une grande O.N permet d injecter une grande quantit de lumire issue dune source assez divergente (diode DEL).

Une petite O.N n autorise que l injection d un faisceau lumineux issue d une source trs directive (LASER)

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Vg max i =

c n1

t min =

L Vg max i

=

L.n1 c

L

Vg min i

n2 = c. 2 n1

t max =

L Vg min i

L.n12 = c.n2

Vitesse de groupe de londeCest la rapidit avec laquelle lnergie lumineuse se propage dune extrmit lautre du guide donde.

Diffrence relative des indices de rfraction (donne fabricant) n n 1 2 , pour n1 n2 n1 n n % 1 2 .100 , en gnral: % < 1% Remarque: s'exprime en %, soit : n1 Paramtre de dispersion intermodaleUn mode de propagation correspond un rayon lumineux possdant une inclinaison donne. t reprsente lcart de temps entre le mode le plus rapide et le plus lent.

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L.n1.(n1 n2 ) t = c.n2

soit

t =

L.n1. c

Produit Bande Passante*Longueur On montre que la bande passante d'une fibre s'crit : Soit:

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B.P =

c c B.P L = n n 2.L.n1. 1 1 2.n1. 1 1 n n 2 2 Ce produit tant constant, lusage veut quon exprime la bande passante en MHz km.B.P =

1 2.t = constante

Dispersion intermodale A lentre de la fibre optique, on envoie une impulsion lumineuse infiniment troite (Dirac). Cette impulsion excite tous les modes de propagation de la fibre. A la sortie de la fibre, on constate que limpulsion sest largie dans le domaine temporel: Cest le phnomne de dispersion intermodale.

Entre de la fibre

Sortie de la fibre

mode + rapide mode + lent

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0 1

Tb 0

2Tb 1

t

Tp 1

Tp+Tb Tp+2Tb 0 1

t

Si la dure Tb sparant 2 impulsions est trop brve, les signaux se recouvrent en sortie rendant le dcodage impossible. (Interfrence Inter Symbole ou I.I.S.) Il faut diminuer la frquence du signal numrique. Le phnomne de dispersion modale se traduit par une limitation de la bande passante du guide donde.

Attnuation linique

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Lorsquon injecte, lentre dune fibre optique, une puissance Pe = P(0) sous forme dune onde lectromagntique, cette puissance dcrot avec la longueur L de la fibre optique en fonction de l'attnuation linique dB/km , et la sortie, on rcupre la puissance Ps = P(L). Soit : P(L) = P(0).10-.L/10 '' dpend du matriau (plastique, silice,...) et de la longueur d'onde . P(0)

P(L) O L l

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On montre exprimentalement que les fibres prsentent une attnuation minimale pour une longueur d'onde optique de 1550nm. (cela correspond un minimum d'absorption d'nergie par le matriau de la fibre).

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En transmission optique on dfinit 3 fentres de transmission : Les fentres 1 et 2 rsultent d'un compromis technico-conomique entre l'attnuation apporte par la fibre et les composants optolectroniques utiliss en fonction des applications. La fentre 3 correspond l'attnuation minimale mais exige des composants optolectroniques trs performants, elle est rserve aux applications haut dbit et longues distances.

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3 - Diffrents types de fibres optiquesSuivant les dimensions du cur et les valeurs des indices n1 et n2, on peut classer les fibres en deux catgories :2 Soit : = . n12 n2 utilise.

2

o reprsente la longueur d'onde de la lumire

Pour < 2,4 La fibre ne comporte qu'un mode de propagation, elle est appele fibre monomode.

Pour >> 2,4 La fibre est appele multimode et se divise en deux souscatgories : Fibre multimode saut d'indiceCours MRIM: La fibre optique

Fibre multimode gradient d'indice

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Fibre optique multimode saut d'indiceC'est un guide d'onde dont le diamtre du cur (quelques centaines de m) est grand devant la longueur d'onde. L'indice de rfraction constant varie brusquement (saut) quand on passe du cur la gaine. Le guidage de la lumire se fait suivant des lignes brises.

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Fibre optique multimode gradient d'indiceLe cur possde un indice de rfraction qui dcrot progressivement du centre la priphrie suivant un profil parabolique. Le faisceau lumineux suit une trajectoire dallure curviligne. Le faisceau lumineux change de direction moins brusquement lors du rebond ce qui diminue les pertes.

Trajet plus long mais plus rapide Trajet plus court mais plus lent Rsultat: ex aequo l arriveCours MRIM: La fibre optique

De plus, les diffrents modes ont des temps de propagation trs proches. Le phnomne de dispersion modale est de ce fait considrablement rduit.

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Fibre optique monomodeLe diamtre du cur est infrieur 10 m de telle sorte que le parcours de la lumire devient presque longitudinal. Le diamtre de la gaine est compris entre 50 m et 125 m. Ce type de fibre ncessite une source de lumire quasiment monochromatique. (diode Laser)

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Ne laissant passer que le mode longitudinal,la dispersion modale est nulle.

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4 - Autres caractristiquesSpectre d'mission de la source de lumire Le spectre ci-dessous reprsente la puissance nergtique relative la puissance nergtique maximum ( = ()/ max) situe la frquence centrale d'mission = p.

Exemple: Pour une diode Laser ==> 4nm Pour une diode DEL ==> 40nmCours MRIM: La fibre optique

Laser DEL 4 40 nm

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Dispersion chromatiqueSi on injecte en entre d'une fibre optique une impulsion lumineuse de couleur blanche, son spectre contient toutes les lumires allant de l'infrarouge l'ultraviolet.Hypothse : On suppose que le milieu n'est pas linaire et que son indice optique n1 varie en fonction de la longueur d'onde (n1 augmente quand diminue). Rouge (650nm) = grande longueur d'onde devant bleu (470nm), soit : n1 = petit

En sortie, on constate que l'impulsion s'tale, c'est le phnomne de dispersion chromatiqueExemple d'une fibre optique monomode : 1285 < < 1330nm et t 3.5 ps/nm.km. Remarque : En pratique pour les fibres multimodes, on nglige la dispersion chromatique devant la dispersion modale. La dispersion chromatique a pour effet de rduire la bande passante.

Paramtre de dispersion chromatiqueCours MRIM: La fibre optique

t = Kmat. .L o : t s'exprime en picosecondes (Ps) Kmat = coefficient dpendant du matriau, unit = Ps.nm-1.km-1 = largeur spectrale quivalente de la source en nm L = longueur de la fibre en km

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5 - Raccordement des fibres optiques Dans l'tablissement d'une liaison par fibre optique on est contraint de relier :La source mettrice la fibre optique (fibre amorce). Les fibres optiques entre-elles. La fibre optique au rcepteur optique.

On distingue 3 mthodes de raccordement des fibres optiques :Jointage Consiste souder deux fibres entre-elles, bout