Cours Fibre Optique

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Cours MRIM: Cours MRIM: Etude Etude des supports de transmission des supports de transmission la fibre optique la fibre optique http://krimo666.mylivepage.com/

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Cours Fibre Optique

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  • 1. Cours MRIM:Etude des supports de transmission la fibre optique http://krimo666.mylivepage.com/
  • 2. 1 - GnralitsLa lumire est une onde lectromagntique, de longueur donde , qui sepropage dans un milieu transparent et isolant (dilectrique). Avec : = c . T ou encore: =c/fo c est la clrit et vaut approximativement 3.108 m/s dans le vide oulair; f est la frquence en Hz. http://krimo666.mylivepage.com/
  • 3. Spectre de la lumire f Hz 20 3.10 La lumire visible nest quune 3.1019 petite partie de ce quon appelle 3.1018 le spectre lectromagntique. 3.1017 3.1016 3.1015 Dans le domaine des radiations 3.1014 visibles, le spectre stend du 3.1013 violet au rouge, ce qui correspond dans lair ou dans le 3.1012 3.1011 vide aux longueurs donde comprises entre 400 et 700 nm. 3.1010 3.109 3.108 La communication par fibre 3.107 optique utilise les longueurs 3.106 d onde comprises entre 800 et 1600 nm, dans le domaine de l infrarouge.http://krimo666.mylivepage.com/
  • 4. 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= v Indice de rfraction de quelques milieux matriels Air Eau Huile Verre Crown Verre Flint CarboneOxyde de titane1,0002 1,333 1,5 1,517 1,655 2,4172,76 http://krimo666.mylivepage.com/
  • 5. 2 - Caractristiques dune fibre optique 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. Larmature en fibres permet de protger le cur contre les forces dcrasement et les tensions mcaniques excessives lors de linstallation. La gaine extrieure complte la protection mcanique du cur, elle est gnralement de couleur orange, certains types prsentent des couleurs noire ou jaune. http://krimo666.mylivepage.com/
  • 6. Ouverture numrique dune fibre optique Louverture numrique caractrise langle maximum 0 que peut faire le faisceau pour assurer sa propagation dans la fibre optique. n12 n2 2 O.N = sin( 0 ) = 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) http://krimo666.mylivepage.com/
  • 7. c L L.n1 Vg max i = t min = = n1 Vg max i c n2 L L.n12 Vg min i = c. 2 t max = = L n1 Vg min i c.n2 Vitesse de groupe de londe Cest 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 Remarque: sexprime en %, soit : % 1 2 .100 , en gnral: % < 1% n1 Paramtre de dispersion intermodale Un 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. L.n1.(n1 n2 ) L.n1. t = t = soit c c.n2 http://krimo666.mylivepage.com/
  • 8. Produit Bande Passante*Longueur 1 On montre que la bande passante dune fibre scrit : B.P = 2.t c c Soit: B.P = B.P L = = constante n n 2.L.n1. 1 1 2.n1. 1 1 n2 n 2 Ce produit tant constant, lusage veut quon exprime la bande passante en MHz km. 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 t Tp Tp+Tb Tp+2Tb t 0 Tb 2TbCours MRIM: La fibre optique 1 0 1 1 0 1 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. http://krimo666.mylivepage.com/
  • 9. Attnuation linique 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 lattnuation 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 donde .P(0)P(L) O L l On montre exprimentalement que les fibres prsentent une attnuation minimale pour une longueur donde optique de 1550nm. (cela correspond un minimum dabsorption dnergie par le matriau de la fibre). http://krimo666.mylivepage.com/
  • 10. En transmission optique on dfinit 3 fentres de transmission : Les fentres 1 et 2 rsultent dun compromis technico-conomique entre lattnuation apporte par la fibre et les composants optolectroniques utiliss en fonction des applications. La fentre 3 correspond lattnuation minimale mais exige des composants optolectroniques trs performants, elle est rserve aux applications haut dbit et longues distances. http://krimo666.mylivepage.com/
  • 11. 3 - Diffrents types de fibres optiquesSuivant les dimensions du cur et les valeurs des indices n1 et n2, on peutclasser les fibres en deux catgories : 2Soit : = . n12 n2 2 o reprsente la longueur donde de la lumireutilise. Pour < 2,4 La fibre ne comporte quun mode de propagation, elle est appele fibre monomode. Pour >> 2,4 La fibre est appele multimode et se divise en deux sous- catgories : Fibre multimode saut dindice Fibre multimode gradient dindice http://krimo666.mylivepage.com/
  • 12. Fibre optique multimode saut dindiceCest un guide donde dont le diamtre du cur (quelques centaines de m) estgrand devant la longueur donde.Lindice de rfraction constant varie brusquement (saut) quand on passe du cur la gaine.Le guidage de la lumire se fait suivant des lignes brises. http://krimo666.mylivepage.com/
  • 13. Fibre optique multimode gradient dindice Le 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 arrive De plus, les diffrents modes ont des temps de propagation trs proches. Le phnomne de dispersion modale est de ce fait considrablement rduit. http://krimo666.mylivepage.com/
  • 14. Fibre optique monomodeLe diamtre du cur est infrieur 10 m de telle sorte que le parcours de lalumire 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)Ne laissant passer que le mode longitudinal,la dispersion modale est nulle. http://krimo666.mylivepage.com/
  • 15. 4 - Autres caractristiquesSpectre dmission de la source de lumireLe spectre ci-dessous reprsente la puissance nergtique relative la puissancenergtique maximum ( = ()/ max) situe la frquence centraledmission = p. Exemple: Pour une diode Laser ==> 4nm Pour une diode DEL ==> 40nm Laser DEL 4 nm http://krimo666.mylivepage.com/ 40
  • 16. Dispersion chromatique Si on injecte en entre dune fibre optique une impulsion lumineuse de couleur blanche, son spectre contient toutes les lumires allant de linfrarouge lultraviolet. Hypothse : On suppose que le milieu nest pas linaire et que son indice optique n1 varie en fonction de la longueur donde (n1 augmente quand diminue). Rouge (650nm) = grande longueur donde devant bleu (470nm), soit : n1 = petit En sortie, on constate que limpulsion stale, cest le phnomne de dispersion chromatique Exemple dune fibre optique monomode : Paramtre de dispersion chromatique 1285 < < 1330nm et t 3.5 ps/nm.km. t = Kmat. .L o :Cours MRIM: La fibre optique Remarque : En pratique pour les fibres t sexprime en picosecondes (Ps) multimodes, on nglige la dispersion Kmat = coefficient dpendant du matriau, unit = Ps.nm-1.km-1 chromatique devant la dispersion modale. = largeur spectrale quivalente de la source en nm La dispersion chromatique a pour effet de L = longueur de la fibre en km rduire la bande passante. http://krimo666.mylivepage.com/
  • 17. 5 - Raccordement des fibres optiques Dans ltablissement dune 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 bout, par fusion des matriaux constituants en utilisant une fusionneuse automatique (affaiblissement 0,15dB maxi). Epissurage Consiste, comme prcdemment assembler bout bout deux fibres, et de coller le tout par lapport dune colle spciale de mme indice optique que les fibres raccorder (affaiblissement 0,3dB maxi) . Connexion amovible Consiste utiliser deux pices mcaniques qui sembotent ou se vissent pour amener les deux fibres en vis--vis. http://krimo666.mylivepage.com/
  • 18. 6 - Types de connecteursLes connecteurs les plus utiliss sont : Le connecteur baonnette ST ou ST2 : il utilise un systme de verrouillage baonnette. Cest le connecteur le plus courant. Sa frule en cramique garantit de hautes performances. Le connecteur encliquetage de type push- pull SC. Il possde un corps surmoul et un systme de verrouillage pousser et tirer. Il est parfait pour les applications de bureau, la tlvision par cble et la tlphonie. Le connecteur FDDI. Il prsente une frule flottante en cramique de 2,5mm et une jupe fixe afin de rduire les pertes lumineuses. Un capot fixe entoure la frule pour la protger. http://krimo666.mylivepage.com/
  • 19. Page 19/35 Le connecteur MT-RJ. Il prsente un verrouillage RJ similaire aux cordons souples Catgorie 5 et tlphoniques ; il possde un corps moul et sinstalle par simple encliquetage. Le connecteur LC. Au facteur de forme rduit, il comporte une frule cramique et ressemble un mini-connecteur SC. Le connecteur VF-45. Cest un autre connecteur miniaturis utilisant une technologie de cannelure en " V ". Le connecteur SMA905. Il utilise une bague filete. Il suffit de le visser en place. Au bout de sept tours complets environ, il est verrouill. Le connecteur SMA906. Il utilise galement une bague filete. Notez que la forme de laCours MRIM: La fibre optique baonnette sadapte aux quipements pourvus de prises SMA905. Chaque connecteur contribue laffaiblissement de la liaison, en gnral 0,15 0,3dB. http://krimo666.mylivepage.com/
  • 20. 7 - PertesPertes lies au dfauts de positionnementLorsquon raccorde deux fibres, ces pertes sont lies : Ecart radial entre les deux fibres Ecart axial entre deux fibres Ecart angulaire entre deux fibres http://krimo666.mylivepage.com/
  • 21. Page 21/35 Pertes de Fresnel Elles sont lies la diffrence dindice optique du milieu qui baigne la face dentre de la fibre optique et le cur de la fibre optique. Pe = puissance mise Pt = puissance transmise Soit no lindice optique du milieu o est plonge la face dentre de la fibre et n1 lindice du cur. 4.n0 .n1 Les pertes sont donnes par la relation suivante : PF( dB ) = 10.Log 2 (n0 + n1 ) Pertes par rflexion Elles sont lies aux pertes de Fresnel. Supposons une onde lumineuse qui se propage dans un milieu o se produit une discontinuit dindice optique. (coupure locale de la fibre, dfaut de raccordement entre deux fibres... La puissance rflchieCours MRIM: La fibre optique Pr est donne par : Pr = Pi - Pt 2 2 Pr n1 n0 Pt n n Les lois de Fresnel donnent : = soit : = 1 1 0 n +n Pi n1 + n0 Pi http://krimo666.mylivepage.com/ 1 0
  • 22. Coefficient de couplage - Pertes par injection La fibre optique accepte les rayons compris dans le cne dentre limit par son ouverture numrique et par consquent les rayons, mis par la source lumineuse, non inclus dans ce cne, seront perdus. Le rapport entre la puissance lumineuse reue par la fibre Pr et la puissance lumineuse Pe mise par la source de lumire (diode DEL, Pr diode Laser) sappelle coefficient de couplage et se note c: c = Pr Pe En pratique ce coefficient est donn en %, soit: c (%) = .100 Pe Les pertes par injection sont dfinies par : Pi(dB) = 10.Log (c) http://krimo666.mylivepage.com/
  • 23. 8 - Le Budget optique - porte d une fibre La diffrence entre la puissance de sortie et la sensibilit du rcepteur sappelle le budget optique. Il se calcule ainsi : Budget optique = Puissance de sortie - Sensibilit du rcepteur (dB) (dBm) (dBm)Calcul de la porte dune fibre optique La porte permise tient compte des pertes dues aux connecteurs :Porte max.(km) = Budget optique - Pertes connecteurs - Pertes pissures - 3 dB Attnuation du cble (dB/km) http://krimo666.mylivepage.com/
  • 24. 9 - Principe du rflectomtre ODTR Remarque : une fraction de la puissance optique incidente excite localement la matire qui rayonne la mme puissance dans toutes les directions. (Diffusion de Rayleigh). Ainsi une partie (faible) de la puissance mise par la source de lumire est rtrodiffuse vers la source. Cette puissance a pour expression : Prd = K.Po.e-2..L Prd : reprsente la puissance reue lorigine de la fibre. K : est une constante qui dpend de louverture numrique de la fibre et de lindice optique. Po : reprsente la puissance de la source de lumire. : reprsente lattnuation linique de la fibre. L : reprsente la distance du lieu dorigine. (Le facteur 2 permet de tenir compte du trajet aller-retour de londe lumineuse)Cours MRIM: La fibre optique http://krimo666.mylivepage.com/
  • 25. A lentre dune fibre en dfaut, on injecte une impulsion lumineuse laide dune diode Laser. Une photodiode PIN permet de rcuprer la fraction de la puissance rtrodiffuse Prd due la diffusion de Rayleigh. Ds que limpulsion traversera le milieu dindice n1 (lieu du dfaut) sajoutera cette puissance rtrodiffuse la puissance rflchie Pr. Le rflectomtre est muni dun cran qui affiche la courbe correspondant la puissance reue par la diode PIN en fonction de la distance lorigine.Cours MRIM: La fibre optique Le niveau reu par la diode PIN dcrot de faon exponentielle en fonction de la distance, un dfaut se traduira par pic de puissance et en fonction du temps de propagation, on peut en dduire la distance qui spare lorigine du lieu de dfaut. http://krimo666.mylivepage.com/
  • 26. Diagramme observ : http://krimo666.mylivepage.com/
  • 27. Paramtres de rglage du rflectomtre Largeur dimpulsion Une grande largeur dimpulsion offre une grande dynamique (longueur mesurable leve) mais une faible rsolution, elle permet la dtection de dfauts lointains. Une faible largeur dimpulsion permet une grande rsolution mais avec une faible dynamique, elle est plus adapte la mesure de pertes. Valeurs typiques : de 5ns 10s Indice de rfraction Le rflectomtre calcule toutes les distances par rapport au temps coul depuis le dpart de limpulsion, comme L = c.t/n toute variation sur lindice entrane une variation inversement proportionnelle la distance calcule.Mise en service dune liaison maintenance Le rflectomtre permet de mesurer lattnuation de la liaison, de reprer les diffrents dfauts prsents lors de la mise en service (mauvaise jonction, contrainte,...). Il est courant de mmoriser la rflexion comme la "signature de liaison" lors de la recette de linstallation. La courbe peut tre imprime ou stocke sur un ordinateur pour ensuite tre utilise pour vrifier la performance de liaison par fibre soit priodiquement, soit en continu (en utilisant un systme dalarme). http://krimo666.mylivepage.com/
  • 28. Exemple de reflectomtre : Anritsu MW9076 http://krimo666.mylivepage.com/
  • 29. Page 29/35Caractristiques principales : Dynamique du signal : 45dB, permet de mesurer des dfauts situs une distance de 190km. Temps de rponse rapide, 10 s pour une distance de 190km. Longueurs donde: 1310, 1450, 1550, 1625nm. Mesure des pertes de Fresnel. Mesure des caractristiques de dispersion chromatique. Emission 635nm (rouge visible) pour vrifier visuellement la continuit dune fibre de courte longueur. http://krimo666.mylivepage.com/
  • 30. 10 - Synoptique dune liaison par fibre optique Linterface optique dmission permet de convertir le signal lectrique en un signal optique en utilisant une diode mettrice semi-conducteur. Linterface optique de rception permet de convertir le signal optique en un signal lectrique en utilisant une photodiode ou un phototransistor. http://krimo666.mylivepage.com/
  • 31. 11 - Codage Modulation optique : Tout ou Rien (modulation optique dintensit) En communication optique, le codage par bloc de type nBmB est le plus utilis. Principe : On divise la squence binaire transmettre en blocs de n bits que lon code par bloc de m bits avec m > n. Ces codes permettent dviter de transmettre de longues suites de 0 afin de permettre une rcupration aise du rythme de lhorloge. Exemple : Code 1B/2B Code binaire 0 1 Code 1B/2B 01 Alternativement 11 et 00Code BinaireCode 1B/2B http://krimo666.mylivepage.com/
  • 32. 12 - Caractristiques compares des fibres optiques http://krimo666.mylivepage.com/
  • 33. Caractristiques compares des metteurs http://krimo666.mylivepage.com/
  • 34. 13 - Cbles fibres optiques Les fibres optiques sont places dans des cbles qui assurent la protection mcanique et chimique. La taille et le poids rduit des cbles fibres optiques permettent des poses dun seul tenant pouvant dpasser 4800 m contre seulement 300 m avec un cble coaxial en cuivre. Les principales structures de cble fibres optiques sont : Le cble structure libre tube (n fibres dans m tubes de protection libre en hlice autour dun porteur central). La capacit type est de 2 432 fibres. Le cble tube central (n fibres libres dans un tube central, la rigidit tant assure par des mini- porteurs placs dans la gaine). Cours MRIM: La fibre optique Le cble ruban tubes libres (n fibres les unes ct des autres dans m rubans dans p tubes libres en hlice autour dun porteur central). Le cble ruban tube central (n fibres les unes ct des autres dans m rubans dans un tube central). La capacit type est de 12 fibres par 18 rubans, soit 216 fibres. Le cble ruban tubes libres (n fibres les unes ct des autres dans m rubans dans p tubes libres en hlice autour dun porteur central). http://krimo666.mylivepage.com/
  • 35. 14 - Caractristiques compares des diffrents supports http://krimo666.mylivepage.com/