memoire fin bm corriger
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i
DEDICACES
A Dieu tout puissant ;
A mon père BARUTI MUSABWA B. et ma mère NAKIZIBI Pélagie;
A mes précieuses sœurs et mes formidables frères ;
A mes oncles et tantes ;
A mes cousins et cousines ;
Au groupe Schönstatt ;
A mes ami(e)s et connaissances;
A mes collègues ;
A toute ma famille, pour vos contributions tant morales que financières, que
vous avez disposés envers moi;
Aux familles : BAHILO, MUTAMBALA, DANI, USSENI, KAYUMBA,
MUDADI, IDRISSA, SERAPHIN MASARARA, pour l’amour et disponibilités
pour réaliser ce travail ;
Et à tous ceux qui me sont chers.
Je dédie ce mémoire
Gusthav BARUTI M.
ii
DEDICACES
A mes chers Parents pour leur courage et leur patience;
A mes sœurs ;
A mes sœurs et frères en christ ;
A mes oncles et mes tantes ;
A mes neveux et mes nièces ;
A mes cousins et cousines ;
Au mon Pasteur NGENDAKUMANA Patrick ;
A mes amis et toutes mes connaissances ;
A tous ceux qui me sont plus chers.
Je dédie ce mémoire
UWIMANA M.CLairia
iii
REMERCIEMENTS
A l’Eternel Tout Puissant pour sa protection, sa bénédiction et qui nous a donnés
la force de respirer, nous disons merci.
A toutes nos familles qui n’ont cessé de nous encourager et de nous apporter
leurs soutiens.
Qu’ils nous soient permis d’adresser nos sincères remerciements à tous ceux
qui de près ou de loin ont concourus à l’aboutissement de cet ouvrage et qui
dans leur labeur quotidien contribuent à repousser les limites de l’ignorance.
Nous pensons à :
- Msc Filston RUKERANDANGA pour son encadrement et tous les efforts
déployer pour la mise au point de ce document et ainsi qu’aux autres
membres du jury qui ont accepté de lire et d’évaluer ce travail de fin
d’études ;
- Tout le personnel de l’INITELEMATIQUE pour la qualité de la
formation reçue durant ces quatre (4) années ;
- Tout le personnel de LEO Burundi, GASPAS COMPAGNY, SOFT
CENTER, pour leurs disponibilités durant nos stages ;
- Nos frères et sœurs, pour votre affection et tendresse dans notre
collaboration, Que le Dieu tout puissant soient avec vous et vous guide
dans le bon chemin ;
Nous aurons honte d’omettre tous nos ami (e) s pour leur soutien constant, dans
les moments de joie et comme dans les souffrances.
Enfin nous remercions toutes nos connaissances, ainsi que tous nos collègues,
dont la gentillesse et la bonne humeur quotidienne contribuent à l’ambiance de
travail agréable.
iv
LISTE DES TABLEAUX
Tableau I.1. Tableau de comparaison des différents types de supports de
transmission. ........................................................................................................ 12
Tableau II.1. Comparaison entre la fibre multimode à saut d’indice et à gradient
d’indice ................................................................................................................ 22
Tableau II.2. Comparaison des différents paramètres qui caractérisent les
différents types de fibre ....................................................................................... 23
Tableau II.3. Comparaison de principaux types de fibres optiques .................... 24
Tableau III.1. Différents types de sources optiques et leurs caractéristiques ..... 35
Tableau III.2. Fenêtre de transmission ................................................................ 43
Tableau IV.2. Classification ISO 11801 V2 des fibres multimodes en fonction
des diamètres du cœur et de la longueur d’onde. ................................................ 51
v
LISTE DES FIGURES
Figure I.1. Notion de la bande passante ................................................................ 6
Figure I.2. Signal émis et exemple de signal reçu ................................................ 7
Figure I.3. Paire torsadée ....................................................................................... 9
Figure I.4. Câble coaxial ....................................................................................... 9
Figure I.5. Faisceau Hertzien .............................................................................. 10
Figure I.6. Liaison satellite. ................................................................................. 11
Figure II.1. Les différentes parties de la fibre optique. ....................................... 14
Figure II.2 La loi de Descartes (n1sinθ1=n2sinθ2) ................................................ 16
Figure II.3. La réflexion totale ............................................................................ 17
Figure II.4. Guidage de la lumière dans une fibre a saut d’indice ...................... 18
Figure II.5. : Fibre à saut d’indice ....................................................................... 20
Figure. II.6. Fibre à gradient d’indice ................................................................. 21
Figure. II.7. Fibre monomode ............................................................................. 22
Figure III.1. Réponse statique du laser et courant de seuil Is ............................. 31
Figure III.2. Schéma général du laser ................................................................. 32
Figure III.3. Schéma de la jonction PN dans un laser ......................................... 32
Figure III.4. Absorption et émission stimulée. .................................................... 33
Figure III.5. Atténuation par absorption ............................................................. 39
Figure III.6. Atténuation totale d’une fibre unimodale ....................................... 39
Figure III.7. Schéma bloc d’un récepteur optique............................................... 40
Figure III.8. Coupe transversale d’une photodiode PIN ..................................... 41
Figure III.8 Schéma de principe du multiplexage WDM .................................... 45
Figure III.9 Schéma de principe du multiplexage ETDM .................................. 45
Figure IV.1 Principe d’une liaison optique ......................................................... 51
Figure IV.2. L’interconnexion de deux locaux par fibre optique. ..................... 52
vi
Figure IV.3. Liaison par fibre optique sans répéteur avec représentation des
différentes puissances et atténuations. ................................................................ 53
Figure IV.4. Comportement de la fibre du point de vue bande passante. ........... 55
Figure V.1 Schéma-bloc de la liaison de base .................................................... 60
Figure V.2. Page d’accueil d’utilisateur .............................................................. 61
Figure V.3. Page de visualisation des signaux .................................................... 62
Figure V.4. Codage binaire ................................................................................. 63
Figure V.5. Résultat de la simulation de modulation ASK ................................. 63
Figure V.6. Résultat de la simulation de modulation FSK ................................. 64
Figure V.7. Résultat de la simulation de modulation PSK. ................................ 65
Figure V.8. Signal à la réception ASK ................................................................ 65
Figure V.9. Signal à la réception FSK ................................................................ 66
Figure V.10. Signal à la réception PSK .............................................................. 66
Figure V.11. BER sur le rapport signal sur bruit ................................................ 67
Figure V.12 Signal de sortie ................................................................................ 68
vii
SIGLES ET ABREVIATIONS
ADSL : Asymmetrical Digital Subscriber Line
ASK : Amplitude Shift Keying
APD : Avalanche Photodector Diode
AWG : Arrayed Ware Guide grating
dB : Decibel
DEL : Diode Electroluminescence
DFB : Distributed Freedback
DPSK : Differential Phase Shift Keying
DH : Double Heterojonction
DSL : Digital Subscriber Line
DWDM : Dense Wavelength Division Multiplexing
ETDM : Electronic Time Division Multiplexing
FGI : Fibre à Gradian d’Indice
FP : Fabry-Perot
FBG : Fibre Bragg Grating
FSI : Fibre à Saut d’Indice
FSK : Frequency Shift Keying
GHz : Giga Hertz
IPTV : Internet Protocol Television
km : Kilométre
LAN : Local Area Network
LED : Light Emetting Diode
MAN : Metropolitain Area Network
MGhz : Mega Hertz
Modem : Modulator Demodulator
OCDMA : Optical Code Division Multiple Access
ON : Ouverture Numerique
OTDM : Optical Time Division Multiplexing
OSI : Open System Interconnection
PSK : Phase Shift Keying
viii
QAM : Quadrature Amplitude Modulation
TDM : Time Division Multiplexing
TEB : Taux d’Erreur Binaire
VCSEL : Vertical Cavity Surface Emitting Laser
VDSL : Very High Bit Rate DSL
WAN : Wide Area Network
WDM : Wavelength Division Multiplexing
WDMA : Wavelength Division Multiplexing Access
ix
TABLE DE MATIERES
DEDICACES .......................................................................................................... i
DEDICACES ......................................................................................................... ii
REMERCIEMENTS ............................................................................................ iii
LISTE DES TABLEAUX .................................................................................... iv
LISTE DES FIGURES .......................................................................................... v
SIGLES ET ABREVIATIONS ........................................................................... vii
TABLE DE MATIERES ...................................................................................... ix
CHAPITRE 0. INTRODUCTION GENERALE ................................................. 1
O.1. Introduction ................................................................................................ 1
0.2. Problématique ............................................................................................. 2
0.3. Hypothèse de travail .................................................................................... 2
0.4. Choix et intérêt du sujet .............................................................................. 3
0.5. Méthodologie de travail .............................................................................. 3
0.5.1. Méthode ................................................................................................ 3
0.5.2. Techniques ............................................................................................ 3
0.5. Limitations .................................................................................................. 4
0.6. Difficultés rencontrées ................................................................................ 4
0.7. Subdivision du travail ................................................................................. 4
CHAPITRE I. GENERALITES SUR LES SUPPORTS DE
TRANSMISSION ................................................ 5
I.1. Introduction .................................................................................................. 5
I.2. Caractéristiques communes ......................................................................... 5
I.2.1. Affaiblissement ...................................................................................... 5
x
I.2.2. Bande passante ....................................................................................... 6
I.2.3. Bruit et distorsions ................................................................................. 6
I.2.4. Capacité limitée des supports de transmission ...................................... 7
I.2.5. Coefficient de vélocité ........................................................................... 8
I.2.6. Notion de rapport signal sur bruit .......................................................... 8
I.3. Différents types des supports de transmission ............................................. 8
I.3.1. Supports guidés ...................................................................................... 8
I.3.1.1. Paire torsadée ...................................................................................... 8
I.3.1.2. Câble coaxial ...................................................................................... 9
I.3.1.3. Guide d’ondes ..................................................................................... 9
I.3.1.4. Fibre optique ..................................................................................... 10
I.3.2. Supports libres ..................................................................................... 10
I.3.2.1 Faisceaux hertziens ............................................................................ 10
I.3.2.2. Satellites ............................................................................................ 11
CHAPITRE II. CONCEPTS GENERAUX SUR LA FIBRE OPTIQUE .......... 13
II.1. Introduction .............................................................................................. 13
II.2. Fibre optique ............................................................................................. 13
II.2.1. Historique ........................................................................................... 13
II.2.2. Différentes parties de la fibre optique ................................................ 14
II.2.2.1. Cœur ................................................................................................ 15
II.2.2.2. Gaine optique .................................................................................. 15
II.2.2.3. Revêtement de protection ................................................................ 15
II.3. Principe de fonctionnement ...................................................................... 15
II.3.1. Déphasage d’une onde lors de la réflexion totale .............................. 16
II.3.2. Guidage et propagation de la lumière dans la fibre ........................... 18
I.3.2.1. Principe du guidage de la lumière dans une fibre optique. .............. 18
II.3.2.2. Propagation de la lumière-Modes de propagation .......................... 19
II.3.2.3. Nombre de modes ............................................................................ 19
II.3.2.4. Vitesse de groupe ............................................................................ 19
II.4. Types de fibres optiques ........................................................................... 20
xi
II.4.1. Fibres Multimodes .............................................................................. 20
II.4.1.1. Fibre multimode à saut d’indice ...................................................... 20
II.4.1.2. Fibre multimode à gradient d’indice ............................................... 21
II.4.2. Fibre monomode ................................................................................ 22
II.4.3. Caractéristiques des différents types de fibre .................................... 23
II.5. Applications de la fibre optique ............................................................... 25
II.7. Avantages et les inconvénients de la fibre optique .................................. 26
II.7.1. Avantages ........................................................................................... 26
II.7.2. Inconvénients ...................................................................................... 27
II.8. Conclusion ................................................................................................ 27
CHAPITRE III. CARACTERISTIQUES TECHNIQUES D’UNE ................... 28
LIAISON A FIBRES OPTIQUES ................................... 28
III.1. Introduction ............................................................................................. 28
III.2. Eléments d’une liaison optique. .............................................................. 28
III.2.1. Emetteur ............................................................................................ 28
III.2.1.1. LED (Light Emitting Diodes) ........................................................ 29
III.2.1.2. Diodes Laser .................................................................................. 29
III.2.1.2.2. Différents types de diodes lasers ................................................ 30
III.2.1.2. Caractéristiques du laser ................................................................ 30
III.2.1.3. Effet du laser .................................................................................. 31
III.2.1.4. Laser à semi-conducteurs ............................................................... 32
III.2.1.5. Fonctionnement du laser ................................................................ 33
III.2.1.6. Différents types de sources optiques et leurs caractéristiques ....... 34
III.2.2. Canal de transmission ...................................................................... 35
III.2.2.1. Caractéristiques des Fibres Optiques ............................................. 36
III.2.2.1.1. Longueurs d’ondes ...................................................................... 36
III.2.2.1.2. Bande passante des fibres optiques ............................................. 36
III.2.2.1.3. Atténuation d’une fibre optique ................................................. 38
III.2.2.1.3.1. Mécanisme de l’atténuation ..................................................... 38
III.2.2.1.3.1.1. Pertes par absorption ............................................................. 38
xii
III.2.2.1.3.1.2. Pertes par diffusion .............................................................. 39
III.2.2.1.3.2. Atténuation totale .................................................................... 39
III.2.3. Récepteur optique ............................................................................. 40
III.2.3.1. Principe .......................................................................................... 40
III.2.3.2. Photodétecteur ................................................................................ 41
III.2.3.2.1. Principe de fonctionnement d’une photodiode ........................... 41
III.2.3.2.2. Photodiodes PIN ......................................................................... 41
III.2.3.3. Amplification électrique ................................................................ 42
III.2.4. Fenêtre de transmission ..................................................................... 43
III.2.5. Techniques de multiplexages ............................................................ 44
III.2.5.1. Multiplexage en longueur d’onde (WDM, Wavelength Division . 44
Multiplexing) ................................................................................................ 44
III.2.5.2. Multiplexage temporel (TDM, Time Division Multiplexing) ....... 45
III.2.5.3. Principe du multiplexage optique .................................................. 46
III.2.6. Technique de modulation .................................................................. 46
III.2.6.1. Modulation directe ......................................................................... 46
III.2.6.2. Modulation externe ........................................................................ 46
III.2.6.3. Pénalité induite par la dispersion chromatique .............................. 47
III.2.6.4. Bande spectrale ............................................................................. 47
III.3. Conclusion ............................................................................................... 48
CHAPITRE IV : ETUDE DE LA PERFORMANCE DE LIAISON A FIBRES
OPTIQUES .......................................................................................................... 49
IV.1. Introduction ............................................................................................ 49
IV.2. Evaluation des performances d’une liaison à fibres optiques ................ 49
IV.2.1. Atténuation ........................................................................................ 49
IV.2.2. Bande passante .................................................................................. 49
IV.3. Classification des fibres .......................................................................... 50
IV.4. Composant à mettre en œuvre pour une liaison optique ........................ 51
IV.5. Bilan de liaison ....................................................................................... 52
IV.5.1. Présentation d’une liaison par fibre .................................................. 53
xiii
IV.5.1.1. Affaiblissement total de propagation ............................................. 54
IV.5.1.1.1. Affaiblissement total ................................................................... 54
IV.5.1.1.2. Longueur maximum d’un canal non dispersif ........................... 55
IV.5.1.1.3. Influence de la bande passante sur la longueur de la liaison ...... 55
IV.5.2. Connecteurs ...................................................................................... 56
IV.5.2.1. Fonctionnalité des connecteurs fibre optique ................................ 56
IV.5.2.2. Raccordements (épissure) et couplages optiques .......................... 57
IV.5.2.2.1. Coupleurs optiques ..................................................................... 57
IV.5.3. Bilan énergétique .............................................................................. 57
IV.6. Conclusion .............................................................................................. 58
CHAPITRE V. SIMULATION DE LA PERFORMANCE D’UN RESEAU A
FIBRES OPTIQUES ........................................................................................... 59
V.1. Introduction .............................................................................................. 59
V.2. Présentation du langage MATLAB .......................................................... 59
V.3. Schéma-bloc d’une liaison à fibre optique ............................................ 60
V.3.1. Présentation d’interface d’accueil ...................................................... 61
V.3.2. Visualisation des signaux de modulation numérique ....................... 62
V.3.2.1. Signal d’entrer ................................................................................ 62
V.3.2.2. Signal modulé ................................................................................. 63
V.3.2.3. Signal du canal de transmission ...................................................... 65
V.3.2.4. Signal de sortie ................................................................................ 67
V.4. Conclusion. ............................................................................................... 68
CONCLUSION GENERALE ............................................................................. 69
BIBLIOGRAPHIE .............................................................................................. 70
1
CHAPITRE 0. INTRODUCTION GENERALE
O.1. Introduction
Les évolutions rapides des services de télécommunications accessibles
aux usagers, notamment les services multimédias enrichis l'Internet à très haut
débit, l’IPTV, la visiophonie étendue, la télévision Haute Définition ; les futurs
réseaux devront bientôt être capables de transporter des flux de données pouvant
atteindre le gigabit par seconde. Cette demande de très hauts débits va largement
au-delà des possibilités offertes par les solutions actuelles à base de câble
(ADSL, VDSL, etc.). Le développement de la fibre optique changera le monde
des télécommunications d’aujourd’hui et ouvrira de nouveaux spectres aux
fournisseurs de services qui, durant plusieurs décennies, ont souffert de la
limitation de ressources : cette technologie permettra une vraie concurrence dans
tous les principaux services de télécommunications tels que la voix, la vidéo et
les données. Ce choix de la fibre optique, qui est une révolution, est dû aux
efforts soutenus des chercheurs dans le domaine des télécommunications
optiques.
Cette révolution est survenue à la fin des années 70 lorsqu'il s'est avéré
possible de transporter un signal optique dans une fibre de verre avec des pertes
inférieures à 20dB/km. Ce défi a initié un effort de recherche à l'échelle
mondiale qui a permis d'atteindre le niveau actuel de 0.2dB/km, proche de la
limite théorique attendue pour la silice.
Outre son diamètre et sa masse beaucoup plus faibles, elle ne perturbe pas
les dispositifs électriques et assure une excellente isolation du signal véhiculé.
Enfin, les très faibles niveaux d’atténuation dans la fibre autorisent le transport
du signal sur de grandes distances. Ces excellentes caractéristiques font de la
fibre optique un choix particulièrement attractif pour plusieurs systèmes de
distribution de signaux.
La liaison de transmission optique permet aujourd’hui d’atteindre une très
bonne fiabilité (exprimée en termes de taux d’erreurs) très supérieure à celle des
systèmes antérieurs, en particulier des faisceaux hertziens [1]
. Ce support est
largement utilisé par les réseaux très longue distance et apparaît depuis
quelques années dans le réseau d'accès optique pour permettre aux abonnés
"haut débit" de profiter de performances plus élevées que d'autres supports tels
que le câble coaxial, le Wifi ou encore la transmission par satellite.
Notre travail portera sur une analyse intitulée « Etude de performance
d’une liaison à fibres optiques ».
2
0.2. Problématique
Les liaisons optiques analogiques sont connues à partir des années 90
suite à des progrès très significatifs dans les applications qui concernent le
contrôle de réseaux d’antennes, les communications cellulaires et la distribution
de signaux pour la télévision par câble. Les réseaux d’accès DSL déployés
atteignent leurs limites en termes de débit et de portée. Or, le développement de
nouveaux services de télécommunications implique une forte croissance du
besoin en bande passante offerte aux utilisateurs. De ce fait, l’optique a fait son
entrée dans nos foyers depuis quelques années, à travers les liaisons à très haut
débit. Cette situation nous conduit, certes, à un certain nombre d’interrogations
dont l’étude sera faite tout au long de ce travail :
Qu’est ce qui justifie le choix de la fibre optique par rapport aux autres
supports de transmission ?
Quels sont les équipements utilisés dans une liaison optique?
Quel avantage tire-t-on avec la liaison optique ?
Quelles performances peut-on en attendre ?
0.3. Hypothèse de travail
Dans le cadre de ce travail et eu égard à la problématique évoquée ci-
dessus, nous émettons les hypothèses suivantes, à priori, qui apparaissent dans
les lignes suivantes :
Le choix de la fibre optique lui, est lié à ses énormes caractéristiques et
performances permettant d'augmenter considérablement les capacités des
systèmes de transmission à haut débit ;
Pour établir une liaison optique, comparativement au système de
transmission par onde radio, il faut aussi à la fibre optique : un émetteur,
un support de transmission et un récepteur ;
La liaison à fibres optiques présente de nombreux avantages en
performance de transmission tels que : une très faible atténuation, une très
grande bande passante et des possibilités de multiplexage qui permettent
d'atteindre de très hauts débits sur une très grande portée ;
Une performance en centaine de Méga bits par seconde.
3
0.4. Choix et intérêt du sujet
Partant de certitude, nous disons que ce sujet revêtant d’une importance
capitale a attiré notre attention car, il nous permet de connaitre et de comprendre
explicitement la performance d’une liaison optique proposant de transporter
simultanément de la parole téléphonique, des données informatiques et des
applications multimédias à haut début, sur un support de transmission sûr,
capable de minimiser l’intégration de ses services.
0.5. Méthodologie de travail
Compte tenu de la place et l’utilité de la méthode dans une recherche ou
travail scientifique, nous avons fait recourt à certaines méthodes et techniques
qui nous permettront de répondre à notre préoccupation.
0.5.1. Méthode
Pour l’élaboration de notre travail, nous avons fait recours à deux
méthodes, nous citons :
- Méthode analytique
Cette méthode nous a servi d’analyser la performance de la liaison optique
face aux différentes liaisons des systèmes de transmission.
- Méthode comparative
Cette méthode nous a aidés dans la comparaison des différents supports de
transmission, de leurs avantages et inconvénients.
0.5.2. Techniques
La technique est un outil mis a place à la disposition de recherche et
organise la procédure d’un travail. Et celle pour laquelle nous avons opté pour
celui-ci est technique est la technique documentaire.
Cette technique nous a permis de consulter les ouvrages, revus et les
archives en rapport avec notre thème de recherche. En plus nous nous sommes
servis de l’outil internet ainsi que la consultation des mémoires des autres
étudiants.
4
0.5.3. Limitations
Compte tenu des contraintes diverses, entre autre celles liées au temps qui
nous était imparti pour l’élaboration de ce travail, nous ne pouvons prétendre
étaler notre recherche sur tous les supports de transmission de
télécommunication. Nous allons nous limiter sur la performance de la liaison à
fibres optiques.
0.6. Difficultés rencontrées
Dans la réalisation de ce travail, nous nous sommes heurtés à diverses
difficultés dont l’énumération exhaustive serait impossible, les plus complexes
étant :
- La faible documentation sur le sujet enquêté dans les bibliothèques
locales ;
- La grande partie de notre documentation était tirée de l’internet dont
l’accessibilité n’est pas donnée à tout le monde.
0.7. Subdivision du travail
Outre l’introduction et la conclusion, ce travail s’articule autour de cinq
chapitres.
- Le premier chapitre parle des généralités sur les supports de transmission ;
- Le deuxième chapitre dégage les concepts généraux sur la fibre optique ;
- Le troisième chapitre porte sur les caractéristiques techniques d’une liaison à
fibres optiques;
- Le quatrième chapitre s’intéresse à l’étude de la performance d’une liaison à
fibres optiques ;
- Et enfin le cinquième chapitre porte sur la simulation de la performance d’un
réseau à fibres optiques.
5
CHAPITRE I. GENERALITES SUR LES SUPPORTS DE
TRANSMISSION
I.1. Introduction
L’infrastructure d’un réseau, la qualité de service offerte, les solutions
logicielles à mettre en œuvre dépendent largement des supports de transmission
utilisés. Ces supports exploitent les propriétés de conductibilité des métaux
(paires torsadées, câble coaxial,…), les ondes électromagnétiques (faisceaux
hertziens, guides d’ondes, satellites) et le spectre visible de la lumière (fibre
optique). Toutes ces propriétés concernent l’ensemble des systèmes de
transmission guidés et/ou non guidés (ou supports libres) complexes.
La complexité de ces systèmes provient généralement du fait qu’une
liaison peut emprunter différents supports. Le système de transmission devra
alors réaliser l’adaptation du signal transmis à chaque changement de type de
support utilisé.
Les caractéristiques des supports diffèrent selon la nature physique de
ceux-ci et du mode de propagation choisi. Il porte aussi essentiellement sur
l’explication des quelques caractéristiques communes et donne un aperçu sur le
choix de la fibre optique jugé précieux pour des réseaux à hauts débits.
Les supports étant à l’origine de nombreux problèmes de transmission, il
est important de bien en connaître les caractéristiques pour en comprendre
l’utilisation et prévenir les différents problèmes d’exploitation pouvant survenir.
Dans cette partie, nous allons passer en revue quelques caractéristiques
essentielles des supports de transmission sachant que les possibilités de
transmission (débit, taux d’erreurs, distance franchissable, …) dépendent
essentiellement des caractéristiques et de l’environnement de ceux-ci.
I.2. Caractéristiques communes
Cette section nous donne les explications des caractéristiques communes
des supports de transmission.
I.2.1. Affaiblissement
Un canal de transmission atténue (affaiblit) l’amplitude du signal qui le
traverse. Le phénomène d’atténuation correspond à une perte d’énergie du signal
pendant sa propagation sur le canal, et s’accentue avec la longueur de celui-ci.
La quantité d’énergie perdue dépend très étroitement de la fréquence du signal et
de la bande passante du système.
6
On mesure l’atténuation par le rapport
où Ps est la puissance du signal à
la sortie du canal et Pe la puissance du signal à l’entrée du canal. Il est courant
d’exprimer l’atténuation en décibels (dB) sous forme de 10log
(elle est aussi
exprimée en décibels par kilomètre).
I.2.2. Bande passante
On appelle bande passante, la quantité des données pouvant être transmise
par un support de transmission. La bande passante est celle dans laquelle les
signaux appliqués à l’entrée du support de transmission ont une puissance de
sortie supérieure à un seuil donné après la traverse du support. Le seuil fixé
correspond à un rapport déterminé entre la puissance du signal d’entrée et la
puissance du signal trouvé à la sortie. En général, on caractérise un support par
sa bande passante à 3 dB, c’est-à-dire par la plage de fréquences à l’intérieur de
laquelle la puissance de sortie est, au pire, divisée par deux. Si on note Ps la
puissance de sortie et Pe la puissance d’entrée, l’affaiblissement A en décibel est
donné par la formule :
A = 10log10
; pour
= 0,5, on trouve 10log10
; = 3dB. (I.1)
Figure I.1. Notion de la bande passante
I.2.3. Bruit et distorsions
Les supports de transmission déforment les signaux qu’ils transportent,
même lorsque leurs fréquences sont adaptées, comme l’illustre la figure I.2.
Diverses sources de bruit perturbent les signaux : parasites, phénomènes de
diaphonie… certaines perturbations de l’environnement introduisent également
des bruits (foudre, orages pour le milieu aérien, champs électromagnétiques dans
des ateliers…).
7
Par ailleurs, les supports affaiblissent et retardent les signaux. La distance
est un facteur d’affaiblissement, très important pour les liaisons par satellite.
Ces déformations, appelées distorsions, sont gênantes pour la bonne
reconnaissance des signaux en sortie, d’autant qu’elles varient avec la fréquence
et la phase des signaux émis.
Figure I.2. Signal émis et exemple de signal reçu
Même lorsque les signaux sont adaptés aux supports, on ne peut pas
garantir leur réception correcte à 100 %. Le récepteur d’un signal doit prendre
une décision dans un laps de temps très court. De ce fait, cette décision peut être
mauvaise.
Par exemple, un symbole 1 émis donne une décision « symbole 0 reçu »,
ce qui constitue une erreur de transmission.
Les fibres optiques sont les meilleurs supports, car le taux d’erreur y est
très faible : 10–12
(une mauvaise décision pour 1012
bits transmis).
Les câbles et les supports métalliques présentent des taux d’erreur moyens. Les
liaisons sans fil ont un taux d’erreur variable, sensible aux conditions
météorologiques.
I.2.4. Capacité limitée des supports de transmission
La capacité d’un support de transmission mesure la quantité
d’informations transportée par unité de temps. Les caractéristiques que nous
venons de voir fait que la capacité d’un support est limitée. Un théorème dû à
Shannon1 exprime, en bits par seconde, la borne maximale de la capacité CMax
d’un support de transmission :
CMax = W × log2 (1 + S/B)
Où W = Bande passante
S/B = Rapport signal sur bruit
8
I.2.5. Coefficient de vélocité
Le coefficient de vélocité est une grandeur qui mesure la vitesse de
propagation du signal dans un support. C’est le rapport entre la vitesse de
propagation réelle et la vitesse de la lumière (c = 3.108m/s).
I.2.6. Notion de rapport signal sur bruit
La quantité de bruit présentée sur un canal de transmission, est exprimé
par la puissance du signal transmis sur la puissance de bruit et prend le nom de
rapport signal sur bruit, nous écrivons ce rapport
et on a coutume
de l’exprimer sous la forme 10log
en décibels (dB). Ce rapport varie dans le
temps, puisque le bruit n’est pas uniforme, toutefois on peut en estimer une
valeur moyenne sur un intervalle de temps. Le rapport signal sur bruit est aussi
une caractéristique d’un canal de transmission.
I.3. Différents types des supports de transmission
Généralement on classe les supports en deux catégories :
- Les supports guidés (supports cuivre et supports optiques) ;
- Les supports libres (faisceaux hertziens et liaisons satellites).
I.3.1. Supports guidés
I.3.1.1. Paire torsadée
Elle se présente comme un ensemble de paires métalliques torsadées
(Ethernet 10BaseT : 4paires) de 0,4 à 0,6 mm de diamètre, avec ou sans
blindage. Ce câble peut être utilisé avec une longueur maximale de 100m
(Ethernet sur paires torsade 10Base T) en autorisant des débits de transmission
dépassant les 10 Mbit/s. Différents niveaux permettent de caractériser les
qualités d’un câble, afin d’adapter le câblage aux exigences d’un réseau : niveau
1 et 2 pour transmission vocale ou transmission de données à faible débit, le
niveau 3 est destiné aux réseaux avec des débits de transmission vocale ou
transmission de données à faible débit, le niveau 3 est destiné aux réseaux avec
des débits de transmission pouvant aller jusqu’à 16 Mbit/s, le niveau 4 a été
conçu pour des réseaux fonctionnant jusqu’à 20 Mbit/s et les câbles de niveau 5
transmettent à des vitesses pouvant atteindre les 100 Mbit/s. Ce support est
utilisé dans des domaines très variés : câblage téléphonique, câblage de
9
l’Ethernet, … il présente l’avantage d’être peu onéreux et utilise des connecteurs
RJ faciles d’emploi et à un prix peu élevé. Par contre, ce câblage demande
parfois l’utilisation de boitiers onéreux, et présente l’inconvénient d’être
sensible aux perturbations.
[2]
Figure I.3. Paire torsadée
I.3.1.2. Câble coaxial
Pour éviter les perturbations dues aux bruits externes, on utilise deux
conducteurs métalliques cylindriques de même axe séparés par un isolant. Le
tout forme un câble coaxial (voir figure 1.4). Ce câble présente de meilleures
performances que la paire torsadée : affaiblissement moins important,
transmission de signaux de fréquences plus élevées, etc. La capacité de
transmission d’un câble coaxial dépend de sa longueur et des caractéristiques
physiques des conducteurs et de l’isolant. Sur 1 km, un débit de plusieurs
centaines de Mbit/s peut être atteint. Sur des distances supérieures à 10 km,
l’atténuation des signaux réduit considérablement les débits possibles. C’est la
raison pour laquelle on utilise désormais les fibres optiques sur les liaisons
grandes distances.
Figure I.4. Câble coaxial
I.3.1.3. Guides d’ondes
Représenté pratiquement sous forme des tuyaux métalliques,
diélectriques ; les guides d’ondes servent comme lignes de transmission en
hyperfréquences.
On en distingue de plusieurs formes à savoir :
- guide rigide à section rectangulaire ;
- guide à section circulaire ;
- guide semi souple à section elliptiques etc.
10
Les guides d’ondes ont pour inconvénient majeur : la non utilisation sur des
longues distances. Il est caractérisé par les propriétés suivantes :
- Fréquence de coupure : c’est la fréquence à partir de laquelle, les ondes
peuvent être transmises dans un guide.
- Energie électromagnétique : c’est l’énergie transportée à l’intérieur d’un
guide d’ondes.
I.3.1.4. Fibre optique
La fibre optique est constituée d’un fil en verre ou en plastique très fin qui
possède la propriété de conduire la lumière. Elle sert dans la transmission de
données terrestres et océaniques et offre un débit d’information nettement
supérieur à celui des câbles coaxiaux. Elle supporte un réseau « large bande »
par lequel peuvent transiter différents types de services : la télévision, la
téléphonie, la visioconférence ou les données informatiques.[3]
La
communication par fibre optique utilise la fibre optique comme support de
transmission et la lumière comme transporteur. Elle fait l’objet du chapitre qui
suit.
I.3.2. Supports libres
I.3.2.1 Faisceaux hertziens (FH)
Ce sont des émissions électromagnétiques dirigées et reçues par des
paraboles et de réflecteurs semis-périphériques.
Les faisceaux hertziens existent sous formes fixes ou mobiles et peuvent
assurer la transmission des signaux analogiques ou numériques. Les
équipements FH utilisent les hyperfréquences. Il repose sur une transmission
radioélectrique à travers l’atmosphère.
Comme les ondes se propagent en ligne droite, on est limité par la
courbure de la terre et il faut disposer de relais tous les 50 Km.
Figure I.5. Faisceau Hertzien
11
I.3.2.2. Satellites
Ce sont des dispositifs chargés de diffuser sur une partie de la surface
terrestre sous forme de cône d’ondes, les ondes électromagnétiques reçues d’un
seul point terrestre. Situées en orbite géostationnaire, ils se déplacent à la même
vitesse que la terre et sont apparemment immobiles.
Figure I.6. Liaison satellite.
Bref, les liaisons sans fils sont possibles grâce à des infrarouges ou laser
sur de courtes distances et grâce aux faisceaux hertziens pas uniquement pour
les liaisons satellitaires. Les débits sont très élevés mais les transmissions sont
sensibles aux perturbations et les possibilités d’écoute sont nombreuses.
Comparaison des différents supports
Nous présenterons dans le tableau I.1, une comparaison des différents
types de supports de transmission.
12
Support Paire torsadées Câble coaxial Ondes radio Fibre
optique
Propagation Guidée Guidée Libre dirigée Guidée
Propriété
matériau
Cuivre Cuivre Silice,
Polyxène
Bande
passante
KHz-MHz MHz GHz THz
Atténuation Forte Forte (Fonction
de fréquence)
Variable Très faible
Sensibilité
aux
perturbations
Forte
Faible Forte Nulle
Cout du
support
Très faible Faible Nul Elevé
Applications - Téléphone
- Réseau bas et
moyen débit
- Réseaux hauts
débits courtes
distances
- Réseaux
téléphonique,
- Réseaux
locaux haut
débits
- vidéo
-Hertzien
- Satellite
-Mobile
-Haut débit
longues
distances
Tableau I.1. Tableau de comparaison des différents types de supports de
transmission.
Après avoir donné une idée générale sur les caractéristiques communes et
les différents supports de transmission, nous allons aborder au chapitre suivant,
les concepts généraux sur la fibre optique.
13
CHAPITRE II. CONCEPTS GENERAUX SUR LA FIBRE OPTIQUE
II.1. Introduction
L'apparition de la fibre optique a totalement révolutionné le monde des
télécommunications. La conception des systèmes de transmission à très grande
capacité était désormais possible. De plus, les échanges à travers ces systèmes
allaient être de plus en plus nombreux et la demande de services de plus en plus
élevé. Mais son apparition a nécessité la conception et le développement de
nouveaux composants optiques ou optoélectroniques performants.
Ce chapitre est consacré aux concepts généraux sur la fibre optique. Nous
présentons tout d’abord le principe de fonctionnement et les propriétés de la
fibre optique ainsi que les différents types de fibres optiques utilisés pour
diverses applications. Nous présentons par la suite le mode de transmission, les
techniques de multiplexage dans le domaine optique utilisables pour l’accès
multiple et enfin les avantages et inconvénients de cette technologie.
II.2. La fibre optique
Une fibre optique est un guide d’onde optique constitué de deux ou
plusieurs couches de matériaux diélectriques transparents d’indices de réfraction
différents assurant le confinement de la lumière au voisinage du centre.
II.2.1. Historique
En 1854, le physicien irlandais Tyndall a fait une première démonstration
scientifique de ce phénomène dont l’expérience consistait à guider la lumière du
soleil dans un jet d’eau. Et en 1950, La première application fructueuse de la
fibre optique a eu lieu avec le fibroscope flexible, permettant de transmettre une
image le long d’une fibre de verre. Il fut particulièrement utilisé en endoscopie
pour observer le corps humain. Cependant, la mauvaise qualité des fibres ne
permettait pas de transmettre la lumière sur une longue distance.
Initialement les fibres optiques étaient exposées à des atténuations très
élevées (1000 dB/km) et n’étaient donc pas compétitives par rapport aux câbles
coaxiaux à basse fréquence (5 à 10 dB/km). En 1970, les scientifiques
américains Robert Maurer, Donald Keck et Peter Schultz de la société coming
en Amérique, produiraient la première fibre optique, avec pertes de phase
suffisamment faibles de l’ordre de 17 dB/km, pour être utilisée dans les réseaux
de télécommunications. Cette fibre optique, pourtant loin d'égaler les
14
performances des fibres optiques modernes, pouvait transporter 65000 fois plus
d’information qu’un câble en cuivre ordinaire.
En 1974, les pertes de fibre optique de longueur d’onde 1300 nm ont été
réduites à 0.4 dB/km. Aujourd’hui la fibre conventionnelle affiche des pertes
nettement plus faibles de l’ordre de 0,25 dB/km pour la longueur d’onde de
1550 nm utilisée dans les télécommunications.
Et depuis les années 1980, la structure de ces fibres est très simple : un
cylindre en silice dont le cœur est dopé avec un oxyde de germanium. Les
dimensions d’une fibre sont comparables à celles d’un cheveu.
Avant l’apparition de la fibre optique, tous les réseaux de communication
étaient câblés au moyen des fils en cuivres. Aujourd’hui, de plus en plus
d’entreprises se tournent vers la fibre optique, qui présente de nombreux
avantages par rapport au fil en cuivre. Tout d’abord, les fibres permettent de
transporter une grande quantité d’information en même temps, grâce à une
grande largeur de bande. De plus, le signal est beaucoup moins atténué (~100
fois moins), ce qui permet de limiter le nombre de répéteurs [4]
.
Enfin, les fibres optiques ne demandent pas d’entretien particulier et ont
une très bonne durabilité chimique, alors que les fils de cuivre se dégradent vite
à cause de la corrosion. La baisse significative des couts survenue ces dix
dernières années permet d’ailleurs de proposer la fibre optique comme
alternative au cuivre dans tous les types de réseaux.
Aujourd’hui, 80% des communications à longue distance se font par le
réseau à fibres optiques.
II.2.2. Différentes parties de la fibre optique
La fibre optique est composée de trois parties principales : Le cœur, la
gaine et le revêtement de protection.
La figure suivante présente les différentes parties de la fibre optique.
Figure II.1. Les différentes parties de la fibre optique.
15
II.2.2.1. Cœur
Généralement en silice, est la partie où a lieu la réfraction qui permet le
transfert de la lumière et des informations. La fibre optique utilisée pour la
transmission de l’information numérique possède un cœur de silice très pure,
pouvant être « dopé » afin de modifier son indice de réfraction. C’est à
l’intérieur du cœur que va se propager la lumière.
II.2.2.2. Gaine optique
La gaine optique est constituée dans le même matériau que le cœur
qu’elle entoure (avec leurs indices sont proches) c’est-à-dire n1 et n2 sont
approximatives égaux.
II.2.2.3. Revêtement de protection
Généralement constitué de plastique, il assure la protection mécanique de
la fibre optique, il sert également pour la flexibilité de la fibre et facilite sa
manipulation et peut réunir plusieurs fibres. Cette couche extérieure n’intervient
pas lors de la transmission de la lumière. Il a pour fonction de protéger les
autres parties de la fibre optique et d’assurer sa flexibilité [5]
.
II.3. Principe de fonctionnement
Un faisceau de lumière (figure II.2), au passage d’un milieu 1 vers un
milieu 2 (dioptre), est réfléchi (retour au milieu d’origine) et est réfracté avec
une déviation (passage dans le milieu 2).
16
Figure II.2 La loi de Descartes (n1sinθ1=n2sinθ2)
L’indice de réfraction (n1, n2) mesure le rapport entre la vitesse de
propagation du rayon lumineux dans le vide et celle dans le milieu considéré.
Lorsque l’angle d’incidence augmente (θ1), l’énergie réfractée diminue et
l’énergie réfléchie augmente. Si on augmente encore l’angle, la réfraction
devient nulle (θ2 = ᴫ/2, condition limite de la réfraction) toute l’énergie est
réfléchie (réflexion totale). Cette propriété est utilisée pour réaliser des guides de
lumière : la fibre optique. La réflexion totale est assurée par des valeurs
d’indices proches, tel que n1>n2 ou n1 est l’indice du cœur n2 celui de la gaine [6]
.
II.3.1. Déphasage d’une onde lors de la réflexion totale
Considérons la réflexion totale sur une surface plane qui sépare deux
matériaux diélectriques, d’indice n1 et n2, avec n1>n2 (on dit que le milieu 1 est
plus réfringent que le milieu 2).
sinic =
(II.4)
On verra apparaitre le phénomène de réflexion totale, dans lequel l’intensité
réfléchie est égale à l’intensité incidente (Figure II.3.).
17
Figure II.3. La réflexion totale
Si l’on effectue un raisonnement similaire basé sur l’optique ondulatoire,
on peut montrer que cette réflexion s’accompagne d’un déphasage de l’onde, et
que ce déphasage dépend à la fois de l’angle d’incidence et de la polarisation de
l’onde. Plus précisément, le déphasage υ est donné par :
[(
) ]
(Polarisation s) (II.5)
[(
) ]
(Polarisation p) (II.6)
(Pour rappel, la polarisation s correspond à une onde dont le champ électrique
est perpendiculaire au plan d’incidence, et la polarisation p, dans le plan
d’incidence)[7]
.
18
II.3.2. Guidage et propagation de la lumière dans la fibre
I.3.2.1. Principe du guidage de la lumière dans une fibre optique.
Considérons le guide d’onde diélectrique de la figure II.4.
Figure II.4. Guidage de la lumière dans une fibre à saut d’indice
L’indice de réfraction n1 de la région centrale appelée « cœur », est
supérieur à l’indice n2 de la région avoisinante appelée « gaine ». L’indice de
réfraction du cœur est uniforme ; on parle alors de fibre à saut d’indice. A cause
de la réfraction du rayon (1) à l’interface air-cœur, l’angle du rayon réfracte avec
l’axe se change en θ et on tire l’équation
(Puisque n0 = 1 : milieu air) (I.6)
Si l’angle θ1 à l’intérieur du cœur est inférieur à l’angle complémentaire de
réflexion totale
θc=90-ⱷc = (II.7)
Où ⱷc est l’angle critique, il se produit dans la fibre une réflexion totale et le
rayon continu à se propager le long du cœur, puisque toutes les réflexions
suivantes ont lieu avec le même angle et par conséquent sans perte d’énergie. En
revanche, si un rayon (2) pénètre dans le cœur avec un angle supérieur à θc, une
réflexion seulement partielle se produira alors et une partie de l’énergie sera
perdue par réfraction dans la gaine. Après plusieurs réflexions successives, il
resta très peu d’énergie dans le cœur et il n’y a plus guidage. Seuls les rayons
qui forment un angle inférieur ou égal à θ0max dans l’air sont reçus et guidés par
le Cœur de la fibre. Sur le plan frontal, l’ensemble de ces rayons qui forment
« le cône d’acceptance » ou angle d’acceptance. C’est l’angle limite permettant
d’accepter la lumière dans la région du cœur de la fibre.
θa = θ0max
19
II.3.2.2. Propagation de la lumière-Modes de propagation
L’étude de la propagation de la lumière dans une fibre optique nécessite
la résolution des équations de Maxwell, opération complexe qui ne présente pas
l’intérêt pour nous dans notre travail, nous nous en tiendrons à une explication
simplifiée du phénomène. L’étude rigoureuse des conditions de propagation
dans une fibre optique par les équations de maxwell montre que seul un nombre
limité de types d’ondes est susceptible de s’y propager : ils correspondent aux
« modes » de propagation.
II.3.2.3. Nombre de modes
On montre que le nombre de modes maximum qui peut exister dans une
fibre optique est donné par la relation :
nmax =
√
√ (II.15)
Ou 2a est la largeur du cœur de la fibre optique
Ce nombre est directement proportionnel à l’ouverture numérique et à la
largeur du cœur.
II.3.2.4. Vitesse de groupe
On appelle vitesse de groupe la vitesse à laquelle l’énergie lumineuse se
propage le long du guide d’onde (le cœur de la fibre optique).
Elle est donnée par la relation suivante :
Vg = Vcosθ = c/n1 (cosθ) (II.16)
Pour un mode n donné, on a :
Vgn = c/n1 cosθn (II.17)
Avec N : la vitesse de groupe du mode.
Vg : vitesse de l’impulsion : vitesse de groupe.
C : vitesse de la lumière dans le vide
20
II.4. Types de fibres optiques
On distingue deux sortes de fibres optiques :
- fibre multimode
- fibre monomode
II.4.1. Fibres Multimodes
Ce genre de fibres optiques a été fabriqué avant les fibres monomodes. Le
cœur a une taille importante par rapport au reste de la fibre.
Ce type de fibre présente certains inconvénient tels que l’atténuation des
signaux plus marquée ou encore une vitesse de propagation des signaux plus
faible. Elles sont aujourd’hui utilisées sur de courtes distances ou dans les
décorations.
Il existe deux types de fibres multimodes:
- la fibre à saut d’indice ;
- la fibre à gradient d’indice.
II.4.1.1. Fibre multimode à saut d’indice
La fibre à saut d’indice est la première fibre à avoir été inventée. Le
diamètre de son Cœur est responsable d’une grande atténuation des données. Ce
type de fibre est plus simple à fabriquer car elle est directement issue des
applications optiques traditionnelles.
Le rayon laser est dans ce cas guidée par réflexion totale au niveau de
l’interface gaine, sinon il est réfracté dans la gaine. Ceci reste vrai si la fibre
cesse d’être rectiligne, à condition que le rayon de courbure.
Figure II.5. : Fibre à saut d’indice
n1 si r < a (coeur)
n2 si r ≥ a (gaine)
La fibre multimode à saut d’indice présente les caractéristiques suivantes :
Le cœur à un relativement gros diamètre, par rapport à la longueur d'onde de
la lumière (de l'ordre du μm dans l'infrarouge).
- Taille du cœur : 1 μm.
- Indice da la gaine optique : 2,2 μm.
- Bande passante : 20 MHz
21
- Cout réduit.
Angle limite : n1cosθ0 = n2
ON = sin θ0= n1sin θ0=√
II.4.1.2. Fibre multimode à gradient d’indice
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.
Le profil d’indice parabolique à trajectoires courbes parcourues par la lumière
dans le même temps que la trajectoire rectiligne centrale (plus on s’éloigne du
centre, plus l’indice diminue, donc plus la célérité augmente).
- Taille du cœur : 50 ou 62,5μm
- Taille de la gaine optique : 125μm
- Bande passante : 500 MHz
- Affaiblissement à 850 nm : 5 dB/km
- Utilisation : liaison longue ou à grand débit.
- Indice du cœur = n(r) = n1√
- Différence relative d’indice ∆ =
La fibre la plus utilisée est à gradiant d’indice est celle qui a le paramètre du
profil d’indice est égal α = 2 ou le profil d’indice est parabolique.
Paramètre α Profil d’indice
α = 1 Triangulaire
α = 2 Parabolique
α = ∞ Rectangulaire
Figure. II.6. Fibre à gradient d’indice
22
Tableau de comparaison de ces deux types de fibres multimodes
A saut d’indice A gradient d’indice
Dispersion intermodale Elévée
∆τ≈100 ns/km
Faible
∆τim ≈ 1 ns/km
Ouverture numérique
(ON)
Elevée
ON = 0,4 à 0,5
Plus faible
ON = 0,2 à 0,3
Application Optique (éclairage, …)
Transmission des
données de très courtes
distances
Réseaux locaux
Distribution
Tableau II.1. Comparaison entre la fibre multimode à saut d’indice et a gradient
d’indice
II.4.2. Fibre monomode
C'est la meilleure de nos jours, car son diamètre du cœur est très petit et
leurs 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. Il n'y a pas de miracle, c'est la solution la meilleure solution, mais
aussi la plus onéreuse. La figure II.7 présente un seul mode est transmis.
Figure. II.7. Fibre monomode
23
II.4.3. Caractéristiques des différents types de fibre
Les principales caractéristiques qui déterminent le choix d’un type de
fibre sont les suivantes :
- L’atténuation de la fibre optique dont les valeurs typiques vont de 10
dB/km pour une fibre multimode à saut d’indice à 850 nm, jusqu’ à 0,2
dB/km pour une fibre monomode à 1550 nm (Tableau II.2). Les
principales sources d’atténuations sont caractérisées par le phénomène de
diffusion qui provoque un changement dans la direction de l’onde qui se
propage et par le phénomène d’absorption qui conduit à une disparition
progressive de l’onde.
- La dispersion qui provoque l’élargissement des impulsions lumineuses le
long du trajet dans la fibre d’où un risque de chevauchement des
impulsions et donc une perte d’information. Cela détermine, en général, la
capacité de transmission d’une fibre et donc sa bande passante (Tableau
II.2). En ce qui concerne la fibre monomode, elle est limitée par la
dispersion chromatique (variation de l’indice de réfraction en fonction de
la longueur d’onde, ce qui affecte la vitesse de l’onde) et la dispersion
propre au mode qui se propage [8]
.
Type de
fibre
Diamètre
Cœur/Gaine
Atténuation (dB/km) Bande passante
λ=
850nm
λ=
1300nm
λ=
1550nm
Monomode 9/125 μm 2 0.4 0.2 >100GHz.km à
1300 et 1550 μm
Multimode
a gradient
d’indice
50 / 125
85 / 125
100 / 140
2,5
3,5
5
0,72
2
200 à 400 MHz.km
100 à 500 MHz.km
100 à 400 MHz.km
Multimode
a saut
d’indice
Diamètre du
Cœur : 200 à
600 μm
5 à 20
λ= 850 nm
10 à 20 MHz.km
Tableau II.2. Comparaison des différents paramètres qui caractérisent les
différents types de fibre
En effet, la fibre optique monomode classique 9/125 μm présente des
pertes en fonction de la longueur d’onde des photons qui se propagent à
24
l’intérieure de sa structure. Comme il a été mentionné antérieurement, le
minimum de pertes dans la fibre se situe aux environs de 1,55 μm (0,2 dB/km),
qui est la longueur d’onde la plus utilisée dans le domaine des
télécommunications moyennes et longues distances.
Dans le tableau II.3, nous présenterons les principaux types de fibres et les
leurs constituants.
Matériau Plastique Toute silice (cœur « dope » au Ge02)
Type Multimode Multimode a gradient
d’indice
Monomode
standard
Monomode
dispersion
décalée
Diamètres
(cœur/gaine,
(μm))
980/1000 50/125 62,5/125 9/125 7/125
Longueurs
d’onde et
atténuation
Visible
200dB/km
0,85μm – 1,3 μm
3 dB/km – 0,9 dB/km
1,3 – 1,55μm
0,5-0,2dB/km
1,5 à 1,6
μm 0,22
dB/km
Débit
typique
10 à 100
Mb/s100 m
100Mb/s/5
km
1Gb/s/400
m
100
Mb/s
2km
1 a 10 Gbit/s
20 a 50 km
N*10
Gbit/s
Milliers de
km
Mise en
œuvre
Facile Assez facile Plus délicate raccordements
Application
s principales
Eclairage,
visualisatio
n, données
très courte
distance
Distributio
n, LAN
hauts
débits (GE
courte
distance)
LAN
tous
débits
LAN très
hauts débits,
réseau
métropolitain,
longue
distance
Liaisons
très
longues
(avec
amplificate
urs et
WDM)
Tableau II.3. Comparaison de principaux types de fibres optiques
25
II.5. Applications de la fibre optique
Dans le domaine de la télécommunication, la fibre optique est utilisée
pour la transmission d’informations, que ce soit des conversations
téléphoniques, des images ou des données.
De nos jours, les stations de travail (dans les pays développés) sont
connectées entre elles à l’aide de réseaux utilisant la fibre optique car son
utilisation permet d’avoir des débits d’informations plus rapides, la bande
passante élevée et une plus grande sureté lors des transmissions [9]
. La fibre
optique est utilisée dans plusieurs domaines, entre autres :
liaisons terrestres
Le réseau est segmenté en fonction des différents besoins en débit, en
bande passante, en distance de transmission, … On distingue trois grandes
catégories :
- Les réseaux longue distance (WAN, Wide Area Network). Ce sont les
réseaux déployés à l’échelle d’un pays ou d’un continent et dont les
nœuds sont de très grands centres urbains.
- Les réseaux métropolitains (MAN, Métropolitain Area Network) qui
correspondent aux réseaux mis en œuvre dans une grande ville ou une
agglomération et ils permettent de relier entre eux différents
arrondissements par exemple.
- Les réseaux locaux (LAN, Local Area Network), encore appelés réseaux
de distribution ou réseaux d’accès. Ils représentent le dernier maillon et
finissent d’acheminer les informations à l’abonné. Ils sont donc plus
courts et moins gourmands en capacité.
réseaux sous-marins.
Pour répondre à l'explosion de la demande de réseaux de
télécommunication à forte capacité, des milliers de kilomètres de câbles sous-
marins à fibres optiques sont posés au fond des mers partout dans le monde.
Propriété de multiples consortiums et d'entreprises privées, ces câbles relieront, à
terme, le moindre recoin de la planète à la société de l'information. La demande de
réseaux large bande (transmission de données à grande vitesse) atteint
aujourd'hui, à l'échelle mondiale, une ampleur sans précédent sous l'effet de
deux facteurs d'une part, la croissance inexorable de l'Internet et, d'autre part, la
poursuite de la déréglementation des marchés des télécoms. La déréglementation
des marchés des télécoms a également un impact particulièrement important sur
le marché des câbles sous-marins. Les réseaux sous-marins offrent les capacités
et les débits requis pour transporter le volume de données générées par l'Internet.
26
Certain groupe sont capable d'offrir des solutions intégrées qui associent les
réseaux sous-marins aux systèmes terrestres, radio et satellitaires
Diverses applications.
La fibre optique est utilisée dans le domaine de la médecine pour filmer
des endroits sensibles ou inaccessibles du corps humain, du fait de la réalisation
de caméras et de câbles de très petite taille. Avec la fibre optique, on peut calculer
la distance d’un objet par rapport à un autre, des vitesses de rotation, des
vibrations. Mais tous ces petits systèmes sont plus précis que les autres systèmes
de même utilité mais utilisant d’autre technologie de détection. Pour finir, on peut
citer une utilisation qui n’offre aucune utilité à part celle de l’esthétique et de la
décoration, ce sont les « fleurs » en fibres optiques dont leurs extrémités brillent
de toutes les couleurs.
II.7. Avantages et inconvénients de la fibre optique
En tant que supports de transmission de la communication, les fibres
optiques présentent de nombreux avantages et inconvénients. Cependant il
convient de signaler qu’il y a beaucoup des avantages que d’inconvénients.
II.7.1. Avantages
La fibre optique en général, représente un support de transmission dont les
nombreux avantages justifiant son introduction dans les systèmes de
transmission sont donnés ci-après :
- Bande passante : la capacité de transmission d’information dépend de la
fréquence porteuse des signaux transmis ;
- Perte de transmissions minimales : les fibres optiques sont des milieux de
transport de la puissance avec de faibles pertes de 0,2 dB/km ;
- Guidage diélectrique : Les fibres sont formées de silice. Par conséquent
elles présentent une immunité aux ondes électromagnétiques
indiscernables, et les signaux dans les fibres ne sont affectés par aucune
interférence originaire des câbles ;
- Sécurité : Le signal transmis n’est pas radiatif, le signal ne peut pas
s’échapper de la fibre ;
- Petite taille et poids léger : Les fibres optiques ont un diamètre très petit
de l’ordre de 125 microns pour les fibres monomodes. Leur rayon de
courbure est très inférieur à celui aux câbles torsadés.
27
II.7.2. Inconvénients
La difficulté de raccordement. La fibre optique est une alternative de plus
en plus répandue aux câbles métalliques, qui utilise la lumière comme support
des informations plutôt que l’électricité. Il faut donc ajouter deux étages
transducteurs (les équipements destinés à convertir les signaux), l’un au départ,
pour assurer la conversion électrique/lumière ; l’autre, à l’arrivée, pour la
conversion inverse.
II.8. Conclusion
En guise de conclusion, il convient de signaler que les différents domaines
d’applications et la composition de la fibre optique ont été épinglés au cours de
notre deuxième chapitre.
Dans ce chapitre, nous avons présenté d’abord l’historique de la fibre
optique, leurs structures, leurs principes de fonctionnements, leurs
caractéristiques, leurs applications ainsi que les avantages et inconvénients
apportés par ces dernières.
Après avoir étudié le support de transmission de notre système c’est-à-
dire la fibre optique, nous détaillerons dans le chapitre suivant les
caractéristiques fondamentaux de la liaison optique.
28
CHAPITRE III. CARACTERISTIQUES TECHNIQUES D’UNE
LIAISON A FIBRES OPTIQUES
III.1. Introduction
Comme tous les systèmes de communications, les liaisons optiques se
basent sur trois différents blocs fondamentaux pour effectuer le transfert de
l’information : l’élément d’émission, le canal de communication et le récepteur
de l’information transportée. La particularité de ce système provient des
éléments utilisés pour effectuer le transport de l’information. L’élément de
transmission est constitué d’un dispositif (la diode laser) qui permet de convertir
un signal sinusoïdal électrique en un signal optique. Le canal de transmission (la
fibre optique) permet de transporter une porteuse optique modulée qui contient
l’information à transmettre. Enfin, le récepteur (le photodétecteur) récupère le
signal lumineux véhicule en opérant une conversion optique/électrique[10]
.
Dans les paragraphes suivants, nous présenterons les éléments
fondamentaux qui constituent une liaison optique, en faisant une étude générale
de sources optiques, de la fibre et du photodétecteur.
III.2. Eléments d’une liaison optique.
Dans les liaisons optiques, il existe trois composants basiques d’un
système de communication optique : l’émetteur, le canal de communication et le
récepteur. Dans ce cas l’émetteur qui est la diode laser, joue le rôle de la
porteuse et le modulateur celui de convertisseur électrique/optique du signal. Le
canal de communication est une fibre optique. Cette dernière permet de
transporter la porteuse optique modulée. Enfin, le récepteur qui est le
photodétecteur, assume la détection du signal électrique véhiculé en effectuant
une conversion.
III.2.1. Emetteur
La source optique la plus utilisée dans les systèmes de communications
optiques est la diode laser. Elle est composée d’une cavité comprise entre deux
couches de semi-conducteurs.
Pour favoriser l’´émission stimulée, le matériau constituant la cavité doit
posséder assez de porteurs de charges excités dans la bande de conduction : c’est
le courant injecté dans le semi-conducteur qui provoque le pompage électrique
du matériau et l’inversion de population. Les photons sont partiellement
29
confinés dans la cavité résonante, et quand ils sont suffisamment nombreux, il y
a émission laser[11]
.
III.2.1.1. LED (Light Emitting Diodes)
Pour la plupart des applications de communications en espace libre, les
diodes à émission de lumière infrarouge sont utilisées à cause de leur grande
efficacité et de leur longueur d’onde en infrarouge proche, surtout si elles sont
utilisées avec des photodétecteurs en silicium. La diode électroluminescence est
utilisée surtout dans les systèmes de communications à fibres optiques
multimodes du fait de leurs faisceaux de sortie à large angle de divergence. Il y a
deux configurations de LED : les diodes à émission de surface et les diodes à
émission latérale. La combinaison des différentes couches dans la LED constitue
un guide d’onde optique où un confinement optique est réalisé. Avec le
confinement optique et électrique, l’efficacité du dispositif augmente.
La LED est utilisée dans les communications optiques et délivre une puissance
optique de plusieurs centaines de microwatts et offre des débits inférieurs à 5
Mbits/s sur fibre multimode. Elles sont relativement bon marché et ne
demandent pas de circuit distinct pour la polarisation et la modulation.
III.2.1.2. Diodes Laser
Les diodes laser produisent une puissance optique beaucoup plus
importante que les LED avec un spectre plus fin, et peuvent donc coupler plus
de puissance avec la fibre. La différence avec les LED est que les lasers
disposent sur les deux miroirs pour obtenir plusieurs allers retours dans le milieu
et constituer ainsi une cavité optique. Par ailleurs, dans un laser, il est fait appel
à l’émission stimulée qui donne une lumière cohérente, ce qui n’est pas le cas
pour une LED. Les structures DH (double hétérojonctions) sont utilisées pour
réaliser les confinements électriques et optiques, les dimensions de la zone
active sont choisies pour optimiser le faisceau optique. Le faisceau lumineux
dans le cas du laser est plus directionnel que dans le cas de la LED.
30
III.2.1.2.2. Différents types de diodes lasers
Il existe trois principaux types de diodes lasers, ou lasers à semi-
conducteurs :
les lasers Fabry-Pérot (FP) sont peu performants en bruit mais sont peu
coûteux ; on les utilise par exemple comme source de puissance
optique continue ou dans les liaisons numériques.
les lasers Distributed Feedback (DFB) ont de très bonnes performances
en bruit et sont largement utilisés pour les télécommunications ; ils
sont monomodes et leur longueur d’onde atteint les 1550nm;
les lasers Vertical Cavity Surface Emitting Laser (VCSEL) ; leur
longueur d’onde atteint pour l’instant les 1310 nm et leur intérêt
principal est d’être plus adapté à la fabrication en grand nombre.
Une diode laser Fabry-Pérot est constituée d’une simple cavité laser
encadrée par deux miroirs plans. Cette cavité est comprise entre deux
couches de semi-conducteurs.
Certains modes d’´émission sont favorisés ; si k est un nombre entier naturel,
alors les longueurs d’ondes λ dont telles que :
kλ = 2nL
Oú n est l’indice de la cavité et L sa longueur, pourront ˆêtre émises. Un laser
Fabry-Pérot est donc multimode.
III.2.1.2. Caractéristiques du laser
Le laser est polarisé directement par un courant de pompe. Lorsque ce
courant est faible le laser se comporte comme une LED et il émet de la lumières
non cohérente. Lorsque ce courant appliqué dépasse une limite appelée courant
de seuil, on commence à avoir l’émission stimulée, et le laser émet une lumière
cohérente avec un spectre très fin.
Le courant de seuil (Figure II.1.) est un paramètre très important, que les
concepteurs des diodes lasers cherchent à minimiser.
31
Figure III.1. Réponse statique du laser et courant de seuil Is
Les différentes structures sont configurées de façon à confiner les porteurs
électriques et le faisceau optique dans la zone très étroite.
La première étape était d’utiliser un ruban métallique pour le confinement des
porteurs. Cette technologie est appelée géométrie des diodes laser à ruban.
Deux techniques de guidage par gain qui est le guidage dans lequel les porteurs
sont injectés dans une zone restreinte, ce qui donne lieu au fort gain optique très
localisé.
Dans un autre type de laser, les modes latéraux sont contrôlés par le
changement des indices de réfraction, et ces lasers sont appelés des lasers à
guidage d’indice.
Dans les lasers a semi-conducteurs, des vitesses de modulation élevées jusqu’à
10GHz peuvent être obtenues grâce aux temps de recombinaison faibles des
charges électriques associés à l’émission stimulée. C’est pour cela que les lasers
sont utilisés comme transmetteurs dans les télécommunications optiques à
modulation directe [12]
.
III.2.1.3. Effet laser
Trois effets sont nécessaires pour effectuer l’effet laser : l’excitation
externe, le gain, la rétroaction. La région provoquant un gain optique est appelée
la région active qui est insérée entre deux couches dopées p et n. Elle est située
entre deux miroirs disposés longitudinalement, ce qui correspond à une cavité
Fabri-Pérot résonante, et la lumière amplifiée sort d’un des miroirs qui est semi-
réfléchissant comme cela est montré dans la figure III.2.
32
Figure III.2. Schéma général du laser
L’excitation externe est faite par un courant électrique injecté dans le sens
transverse. Cette injection est faite pour accomplir l’inversion de population.
III.2.1.4. Laser à semi-conducteurs
Les lasers utilisés dans les liaisons optiques actuelles sont des lasers à
semi-conducteurs. Les semi-conducteurs les plus utilisés. Le principal matériau
utilisé pour les lasers de télécommunications est l’alliage quaternaire In1-
xGaxAsyP1-y sur substrat InP. L’alliage InGaAsP est utilisé dans les applications
de télécommunications à cause de sa bande interdite (gap) réglable en fonction
des valeurs de x et y, qui lui permet d’émettre entre 1 et 1,65μm.
Lorsque deux semi-conducteurs type p et type n sont mis en contact, ils
forment une jonction PN. Les porteurs libres de chaque région vont être diffusés
dans la région de signe opposée, en se recombinant éventuellement dans la zone
déplétée. Et donc une région déplétée de porteurs libres est formée de deux côtes
de la jonction, ainsi le courant de diffusion dure jusqu’à l’équilibre.
Figure III.3. Schéma de la jonction PN dans un laser
Dans le cas idéal, chaque porteur minoritaire doit générer un photon. Mais
ce qui se passe dans le cas réel est que seule une fraction de ces porteurs se
recombine d’une manière radiative et émettent un photon. L’efficacité associée
33
s’appelle efficacité quantique et elle représente le nombre de photons générés
par chaque porteur minoritaire.
III.2.1.5. Fonctionnement du laser
Une diode se base sur trois processus fondamentaux pour effectuer la
génération de la lumière. Ces processus sont l’absorption, l’émission spontanée
et l’émission stimulée.
Figure III.4. Absorption et émission stimulée.
L’absorption
Le matériau reçoit un champ électromagnétique à la fréquence Ʋ (nu).
Chaque photon du flux lumineux a donc une énergie h.v. Si cette énergie est
supérieure ou égale à l’énergie de la bande interdite, le photon peut être
également absorbé. L’énergie est transmise à un électron qui passe après
excitation du niveau d’énergie Ev au niveau d’énergie Ec. C’est ce processus
d’absorption qui permet aux photodétecteurs de convertir l’énergie lumineuse en
courant.
Emission spontanée
L’électron peut aléatoirement tomber dans un état moins énergétique en
émettant spontanément un photon d’énergie égale à l’énergie de la bande
interdite.
Emission stimulée
Lorsqu’un électron est à un niveau d’énergie Ec, et qu’il est frappé par un
photon, il revient au niveau d’énergie Ev en émettant un photon dit stimulé dont
34
le rayonnement correspond à la même longueur d’onde, la même phase, le
même état de polarisation et la même directivité spatiale que le photon incident.
Pour que l’émission stimulée soit réalisée, il faut mettre un nombre important
d’électrons dans la bande de conduction du semi-conducteur, ce qui est appelé
inversion de population. Cette inversion de population est réalisée par le courant
de pompe externe. Dans les semi-conducteurs, absorption et l’émission doivent
prendre en compte les bandes d’énergie associées avec le semi-conducteur. Les
semi-conducteurs comme le Silicium ou le Germanium ont une bande interdite
indirecte, ce qui signifie que les extrema des bandes d’énergie en fonction du
vecteur d’onde de propagation associés à un électron ne sont pas alignés, le
maximum de la bande de valence avec le minimum de la bande de conduction.
Une émission de photons n’est pas possible dans un matériau à bande indirecte
car cela nécessite de respecter la conservation du moment.
Différents types de sources optiques et leurs caractéristiques
Nous présenterons dans le tableau III.1, une comparaison des différents
types de sources optiques (émetteur optique)
35
Type DEL Laser VCSEL Laser Fabry-
Pérot
Laser DFB
Emission Par la surface,
divergente
Par la surface,
peu divergente
Par la tranche,
assez
divergente
Par la tranche,
assez
divergente
Spectre Large Très étroite
(une raie)
Assez large
(plusieurs
raies)
Très étroit
(une raie)
P(i) Linéaire Seuil, 5 à
10mA
Seuil, 10 à
30mA
Seuil, 10 à
30mA
Fréquence
maximale de
modulation
100 à 200
MHz
Plusieurs GHz
Utilisation Transmission
à courte
distance sur
fibres
multimodes (à
0,8 et 1,3μm)
Haut débit à
courte
distance,
fibres multi. (à
0,8μm) +
lecture
optique,
imprimantes…
Haut débit sur
fibres
monomodes a
1,3μm
Très haut
débit sur
fibres
monomodes
surtout à
1,55μm,
systèmes
WDM
Tableau III.1. Différents types de sources optiques et leurs caractéristiques
III.2.2. Canal de transmission
Le signal optique modulé est acheminé par une fibre optique (le canal de
transmission) jusqu’au photodétecteur. Dans sa forme la plus simple, la fibre est
constituée d’un cœur cylindrique de silice entouré par une gaine de protection.
Une fibre est donc un guide d’onde cylindrique de silice entouré par une gaine
dont l’indice de réfraction est plus faible que celui du cœur, tous les deux
entourés d’une gaine de protection. Une fibre optique est donc un guide d’onde
cylindrique diélectrique constituée de deux diélectriques de même axe, le cœur
et la gaine.
36
III.2.2.1. Caractéristiques des Fibres Optiques
Puisque les fibres optiques sont des guides d’onde, nous pouvons les
caractériser par des grandeurs usuelles de la transmission : La longueur d’onde,
Bande passante, Atténuation.
III.2.2.1.1. Longueurs d’ondes
Si l’on considère un signal sinusoïdal d’amplitude A et de période T se
propageant dans le vide à la vitesse de propagation C, on définit la longueur
d’onde λO de ce signal comme étant la distance parcourue durant la période T et
a pour expression :
Ainsi, la lumière qu’est un phénomène électromagnétique peut être
considère comme une onde λₒ. Si la propagation de la lumière s’effectue dans un
milieu quelconque, on lui fait correspondre la longueur notée λ. En réalité la
lumière comprend généralement un ensemble de signaux de différentes
longueurs d’ondes d’expression :
III.2.2.1.2. Bande passante des fibres optiques
La bande passante d’une fibre optique, appelée par ailleurs réponse en
bande de base, mesure la capacité de cette fibre à transmettre des informations.
Sa limitation couramment admise est liée à la coupure à 6dB électrique (soit -
3dB optique) du signal transmis.
En effet, la variation est de la forme :
B.L
Ou B est la bande passante et L la longueur de la fibre ; a=1 dans le cas de fibres
sans mélange de modes et sans atténuation différentielle de mode ; a=0,5 pour
mélange rapide de modes. En réalité, a est à déterminer d’une manière
37
empirique et se situe entre 0,5 et 1. Bien que sa connaissance soit importante,
elle est rarement mesurée sur le site.
Le plus souvent, la bande passante est exprimée en Mégahertz.Kilomètre,
étant implicitement entendu que a=1, ce qui n’est généralement pas le cas.
Par ailleurs, la mesure sur une certaine longueur de fibre ne permet pas
d’obtenir la valeur de la bande passante de n’importe quelle longueur de la
même fibre. Plus l’ouverture numérique est faible, et plus la largeur de la bande
passante est importante.
Trois facteurs principaux influent sur cette bande passante :
Dispersion modale
Comme nous l’avons vu précédemment, il existe entre les différents
modes des différences de temps de propagation de sorte qu’ils se chevauchent
partiellement à l’intérieur de la fibre optique. En optimisant la valeur de
l’exposant paramétrique du gradient d’indice, on égalise presque parfaitement
les vitesses de propagation des modes.
Dispersion due au matériau (ou dispersion chromatique)
Les sources optiques utilisées ont un spectre d’émission plus ou moins
large et du fait que l’indice de réfraction du verre varie en fonction de la
longueur d’onde, il y a une dispersion incohérente dans la lumière. Elle est due à
la vitesse de propagation de l’onde qui dépend de la longueur d’onde. Par
conséquent, les longueurs d’ondes élevées se propagent plus vite que les
longueurs d’onde inferieures, ce qui provoque une déformation dans le signal
dans le cas des impulsions, et des évanouissements dans le cadre du porteuse
microonde sur voie optique.
Dispersion de guidage
Cette dispersion est à prendre en compte dans le cas de fibres
monomodes.
Elle a comme origine la dépendance de la vitesse de propagation du mode ou
des modes particuliers utilisés pour la propagation. La dispersion dépend du
rapport entre le diamètre et cœur de la fibre.
38
III.2.2.1.3. Atténuation d’une fibre optique
L’atténuation A(λ) pour une longueur d’onde λ entre deux plans de
section droite d’une fibre optique sépares d’une distance L est par définition le
rendement P1/P0 des puissances optiques P0 traversant la section 1, ce rendement
est exprimé en dB sous forme :
A(λ)dB = 10log10(P1/P0) (III.12)
Pour être détectable, l’intensité de la lumière qui arrive sur le détecteur
doit toujours dépasser un certain seuil. Or, entre l’émetteur et le récepteur,
l’intensité diminue. Dans une transmission par fibre optique, la perte d’intensité
intervient au niveau des connecteurs aux extrémités de la fibre, ainsi que dans la
fibre elle-même. L’atténuation dans la fibre, que nous étudierons dans ce
chapitre, limite ainsi la distance maximale entre l’émetteur et le récepteur.
III.2.2.1.3.1. Mécanisme de l’atténuation
L’atténuation de la puissance optique dans une fibre est due
principalement à deux phénomènes dont les effets se cumulent. Il s’agit de :
- Pertes provoquées par l’absorption du matériau constituant la fibre.
- Pertes provoquées par la diffusion de ce matériau.
α = αa + αd (III.13)
Où α est le coefficient d’atténuation linéique exprimé en dB/km, αa le
coefficient d’absorption et αd le coefficient de diffusion.
III.2.2.1.3.1.1. Pertes par absorption
Les phénomènes mis en jeu ici sont régis par les lois des échanges
d’énergie au niveau des atomes constituant le matériau de la fibre (absorption
intrinsèque) ou ceux constituant les impuretés de ce matériau, comme les ions
hydroxydes 0H (absorption extrinsèque). Le résultat de ces deux types
d’absorption se traduit par une courbe du type représenté ci-dessous:
39
Figure III.5. Atténuation par absorption
III.2.2.1.3.1.2. Pertes par diffusion
Les pertes d’énergie optique par diffusion sont dues essentiellement à la
diffusion de Rayleigh et aux imperfections des fibres et leur support :
a) Diffusion de Rayleigh est produite par des inhomogénéités du matériau sur
des distances inferieures à la longueur d’onde de la lumière, telles que les
fluctuations locales de densité figées pendant le processus de fabrication de
la fibre, ou des fluctuations de concentration des dopants. Cette diffusion se
traduit par la propagation d’une infime partie de l’énergie incidente dans
toutes les directions de l’espace, ceci en tout point de la fibre.
b) Des imperfections des fibres telles que les micros courbures ou des
variations aléatoires du diamètre du cœur (de l’ordre du micron sur quelques
dizaines de cm) provoquent aussi des pertes de diffusion.
III.2.2.1.3.2. Atténuation totale
Pour une longueur d’onde donnée, les deux courbes précédentes
s’additionnent point par point pour donner l’atténuation totale d’une fibre en
fonction de λ comme le montre la figure III.6.
Figure III.6. Atténuation totale d’une fibre unimodale
40
En fait, les récents progrès technologiques dans la fabrication des fibres
optiques ont rendu les pertes par absorption négligeables (les pics d’absorption
extrinsèque et en particulier OH- ont fortement diminué). Pour ces longueurs
d’ondes, on peut écrire : α = αd.[13]
III.2.3. Récepteur optique
La transmission par fibre optique des données nécessite des conversions
électrique-optique et optique-électrique du signal. L’interface optique de
réception, est chargée de convertir le signal lumineux en signal électrique, en lui
apportant le minimum de dégradation.
III.2.3.1. Principe
Le récepteur optique est un dispositif qui permet d’extraire l’information
du signal reçu. Il est constitué de quatre parties essentielles :
- Un photodétecteur ou photodiode (PN, PIN ou APD)
- Un convertisseur courant tension.
- Un amplificateur.
- Un circuit de traitement de l’information.
Figure III.7. Schéma bloc d’un récepteur optique.
La photodiode fonctionne en réception comme générateur de courant. Elle
convertit, avec un certain rendement, la puissance optique Popt en courant
électrique Iph délivré ainsi par la photodiode. Ce courant est ensuite converti en
tension par une résistance de charge RL puis amplifié avant de subir un
traitement électronique [14]
.
41
III.2.3.2. Photodétecteur
III.2.3.2.1. Principe de fonctionnement d’une photodiode
Le photorécepteur est le dispositif qui réalise la conversion du signal
optique en signal électrique. Lorsqu’un matériau semi-conducteur reçoit un
photon dont l’énergie hv dépasse le niveau de sa bande interdite, une paire
électron-trou est générée. Sous l’effet d’un champ électrique appliqué au
matériau (par exemple par une différence de potentiels entre deux contacts), les
électrons et les trous bougent en sens opposé à travers le semi-conducteur et un
courant électrique est ainsi généré.
III.2.3.2.2. Photodiodes PIN
La principale qualité d’une diode PIN est que la composante
d’entrainement du photocourant domine sur le composante diffusive simplement
parce que la plus part de la puissance optique incidente est absorbée à l’intérieur
de la zone I.
En effet, la zone I est placée entre la zone P et la Zone N d’un semi-
conducteur différent dont la bande interdite est choisie afin que les photons
incidents soient absorbés seulement dans la zone I de la photodiode (figure
III.8).
Une photodiode PIN utilise généralement du matériau InGaAs pour la
région I et du matériau InP pour les couches P et N.
Figure III.8. Coupe transversale d’une photodiode PIN
Les paramètres importants, dépendant du matériau et de la structure qui
caractérisent une photodiode PIN sont la sensibilité, le courant d’obscurité et le
temps de réponse. Le photocourant Iph est directement proportionnel à la
puissance optique incidente Popt selon la relation (III.6) :
42
Iph = SPopt + Iobs (III.6)
Où S est la sensibilité de la photodiode en A/W. S est typiquement proche de 0,9
A/W, mais peut-être un peu plus faible suivant le photodétecteur et la longueur
d’onde d’attaque λ. En effet, S s’exprime en fonction du rendement quantique
η :
Iobs est le courant d’obscurité qui circule dans la jonction en l’absence
d’éclairement. Ce courant ne provient donc pas des photons transmis par la
fibre. Il peut avoir des origines multiples : généralement thermique dans la zone
intrinsèque, courants de surface, courants de fuite… dans la plupart des
applications ce courant est négligeable (Iobs <10 nA). En ce qui concerne le
temps de réponse, les meilleurs photodétecteurs actuels sont utilisables jusqu’à
plus de 100 GHz[14]
. Pour nos expérimentations, le choix d’une photodiode PIN
s’imposait car le rapport signal à bruit est généralement meilleur qu’avec une
photodiode avalanche, pour peu que le niveau optique d’attaque soit assez fort.
III.2.3.3. Amplification
Le courant émis par la photodiode, malgré la présence d’un
préamplificateur, reste souvent assez faible. Il est donc nécessaire d’utiliser un
amplificateur en sortie de photorécepteur. Le gain adéquat peut être assez élevé.
En effet, du fait de la détection quadratique, il faut 2 dB électriques pour
compenser 1 dB optique. Le choix d’un amplificateur optique doit cependant se
faire en fonction de son rôle. Il peut servir d’amplificateur de puissance en
émission (booster), de préamplificateur en réception ou d’amplificateur en ligne.
Selon l’utilisation qui en est faite, les paramètres diffèrent. On demandera par
exemple à un amplificateur de puissance d’être capable de délivrer une
puissance de sortie élevée et ses caractéristiques de bruit seront assez peu
critiques, tandis qu’un préamplificateur doit être le moins bruyant possible.
L’amplificateur en ligne sera un compromis à tout cela afin à la fois de ne pas
dégrader la qualité du signal transmis et allonger la distance de transmission.
43
III.2.4. Fenêtre de transmission
Nous présenterons dans le tableau III.4, les fenêtres de transmission
optique.
Fenêtre Première Deuxième Troisième
Longueur d’onde 850 nm 1300 nm 1550 nm
Type de fibre
utilisée
Multimode Multimode et
monomode
Monomode
Atténuation Forte 2 à 4 dB/km Faible (0,4 à 1
dB/km)
Très faible (0,2
dB/km)
Dispersion
chromatique
Forte Quasi nulle Faible, non nulle,
très faible dans les
fibres a dispersion
décalée
Emetteurs DEL, Lasers (très
hauts débits)
DEL Diodes laser DFB
(monochromatique)
Récepteurs
(Matériaux)
Silicium GaInASP/InPGe,HgCdte (très peu
employés)
Applications Transmissions
courtes distances,
réseaux locaux,
gigabit à très
courtes distance
Transmissions
moyennes et
longues distances
MAN et LAN
haut débit
Transmissions très
longues distances
(WAN) et
amplification
optique
Multiplexage Entre les deux fenêtres par exemple :
une par sens
« dense »
(nombreux canaux
dans la même
fenêtre)
Tableau III.2. Fenêtre de transmission
La première fenêtre à 850 nm (3,53.105 GHZ) correspond à l’utilisation de
coupleurs à coût minimal. Ce n’est pas l’optimum d’utilisation des fibres, mais
dans les liaisons à faible distance, comme dans les réseaux locaux, cette fenêtre
est parfaitement adaptée. Généralement, on lui préfère la fenêtre de 1300 nm
44
(2,3.105 GHz), l’atténuation n’est alors que l’environs 0,5 dB/km. La fenêtre
située à 1550 nm (1,93.105 GHz) a l’avantage de ne présenter qu’une
atténuation d’environ 0,2 dB/km, mais les coupleurs sont plus couteux.
III.2.5. Techniques de multiplexages
La bande passante potentielle d’une fibre optique, définie comme la
fenêtre sur laquelle l’atténuation reste suffisamment faible pour permettre la
transmission, est énorme 15 THz autour de 1,3 μm et autant autour de 1.5 μm.
Théoriquement, même en utilisant un code binaire, les débits qui peuvent être
transmis sont donc extrêmement élevés. Néanmoins, l’utilisation de cette
capacité théorique se heurte à divers problèmes, ne serait-ce que la dégradation
due à l’interférence entre symboles provoquée par la dispersion de la fibre, qui
devient de plus en plus importante lorsque le débit augmente, et le traitement
électronique avant modulation et après détection. C’est pourquoi au lieu de
transmettre une seule onde optique à la fois, l’idée est de partager le débit
numérique à transmettre Db entre N porteuses optiques à différentes longueurs
d’onde transmettant chacune un débit Db/N.
III.2.5.1. Multiplexage en longueur d’onde (WDM, Wavelength Division
Multiplexing)
Le multiplexage en longueur d’onde (WDM, Wavelength Division
Multiplexing ou DWDM, Dense Wavelength Division Multiplexing) est l’une
des technologies qui a permis le rapide essor mondial de l’Internet ces dernières
années. Alors que le débit par canal en multiplexage temporel (TDM) a
augmenté de 2,5 Gbit/s à 10 Gbit/s et va bientôt atteindre 40 Gbit/s, le DWDM,
basé sur la multiplication de la capacité de transmission des fibres optiques par
la combinaison de 2 à 160 canaux sur une même fibre, à réduire fortement le
coût par bit, favorisant l’augmentation de la capacité de transmission des
réseaux longue distance [15]
. Le multiplexage en longueur d’onde consiste à
utiliser des longueurs d’ondes distinctes pour transmettre différents signaux sur
une même fibre. Cette technologie a permis d’élargir le débit de transmission
dans les liens point à point. Plusieurs signaux générés indépendamment dans le
domaine électronique sont convertis vers le domaine optique en utilisant des
diodes lasers de différentes longueurs d’onde (modulation sur porteuse optique).
Les signaux résultants sont ensuite multiplexés et couplés à une fibre optique.
Dans le récepteur, un démultiplexeur sépare les différentes longueurs
d’ondes qui sont ensuite reconverties vers le domaine électronique au moyen de
45
photodiodes. La capacité d’un système WDM peut être augmentée en jouant soit
sur le débit de chaque canal, soit sur le nombre de canaux. La figure I.8 montre
le schéma de principe DWM avec trois longueurs d’ondes. Cette technique de
multiplexage optique a été rendue possible grâce au développement
d’amplificateurs optique qui eux aussi possèdent une très grande bande passante,
et qui permet une régénérescence purement optique des signaux [16]
.
[16]
Figure III.8 Schéma de principe du multiplexage WDM
III.2.5.2. Multiplexage temporel (TDM, Time Division Multiplexing)
La méthode fréquentielle n’est pas la seule méthode possible de
multiplexage. Une autre technique est le multiplexage temporel (optique OTDM
ou électrique ETDM). L’émetteur est constitué par N sources en parallèles
modulées au débit de Db/N bit/s dans des modulateurs dont les signaux de sortie
sont multiplexés. Cette technique nécessite que les impulsions soient de type RZ
(retour à zéro), de durée inférieure à T/N (T, période d’une impulsion) afin que
le multiplexage puisse se faire sans recouvrement. C’est alors le temps, et non
plus le spectre, qui est partagé entre les différents utilisateurs. Chacun d’entre
eux disposent d’une tranche temporelle pour émettre et les différents signaux
sont mis ensemble pour être transmis sur une porteuse optique unique.
Figure III.9 Schéma de principe du multiplexage ETDM
46
III.2.5.3. Principe du multiplexage optique
La fonction d’un multiplexeur à fibre optique consiste à réunir sur la
même fibre optique de sortie, les signaux optiques portés par N longueurs
d’ondes optiques différentes qui se propagent dans chacune des N fibres
optiques d’entrées. La fonction réalisée par un démultiplexeur est réciproque et
consiste à répartir sur N fibres optiques distinctes, chacune des N longueurs
d’ondes optiques se propageant dans la fibre optique d’entrée.
Ces fonctions font appel aux filtrages optiques, et ces techniques permettent de
traiter un grand nombre de signaux proches, les uns des autres en terme de
fréquence (DWDM Dense Wavelength Division Multiplexing)[17]
.
III.2.6. Technique de modulation
La technique de modulation peut être de deux types différents, à savoir le
type direct et le types externe.
III.2.6.1. Modulation directe
La modulation directe peut être assimilée à une technique de modulation
de type "classique".
En effet, on va ici moduler directement le courant injecté en entrée de la
diode.
A la suite de cette modulation de courant, l'intensité de la lumière
produise par la diode sera affectée. Plus le courant reçu par la diode est
important, plus l'intensité lumineuse qu'elle délivrera sera puissante. Cependant,
cette méthode de modulation comporte un inconvénient majeur. La modulation
d'amplitude du courant affecte en effet la fréquence du signal émis. C'est pour
cette raison qu'en général elle n'est plus très utilisée, au profit de la modulation
externe.
III.2.6.2. Modulation externe
La modulation externe est-elle légèrement plus subtile.
En effet, ici le courant injecté à la diode restera constant, mais on va utiliser un
modulateur externe afin de parvenir à moduler le signal lumineux.
Le principe de fonctionnement du signal de modulation est le suivant :
- Un champ électrique est généré et influe sur l'indice de réfraction du
modulateur externe.
- Une puissance constructive est créée, cela provoque la disponibilité de la
puissance optique.
47
- Une puissance destructive est créée, cela provoque alors une absence
d'émission de lumière.
III.2.6.3. Pénalité induite par la dispersion chromatique
Dans les deux cas, la puissance en sortie de fibre sera sensible à la
dispersion. En effet, celle-ci induit un déphasage entre les deux bandes optiques
latérales, provoquant, en fonction de la longueur de la fibre, une atténuation
périodique de la puissance de sortie[18]
. On cherche alors, dans le cas de la
modulation externe, à réaliser des modulations avec une seule bande latérale ou
des modulations sans porteuse. Dans le cas de la modulation directe, déviation
de fréquence provoquée par la modulation (chirp) accentue la sensibilité à la
dispersion. Un certain nombre de travaux expérimentaux basés sur la
modulation d’intensité ont été menés, utilisant diverses méthodes afin
d’atteindre la fréquence maximale de modulation des lasers.
III.2.6.4. Bande spectrale
La bande passante de la liaison est déterminée par les limites inférieure et
supérieure de réponse en fréquence de la diode laser ou de la photodiode dans le
cas de modulation directe. La limite inférieure est fixée par les tests de
polarisation du laser et de la photodiode, alors que la limite supérieure est
déterminée par les fréquences de coupure de la diode laser et du photodétecteur.
Normalement c’est la fréquence de coupure de la diode laser qui constitue le
paramètre le plus limitatif de la bande passante. Ce type de données est
habituellement fourni par les constructeurs. Toutefois, il est utile de les vérifier
en utilisant un analyseur de réseau. La technique fait appel à des éléments pour
lesquels la bande passante est large et a déjà été calibrée.
48
III.3. Conclusion
Nous avons parlé dans ce chapitre les éléments fondamentaux qui font
partie d’une liaison optique pour effectuer le déplacement de l’information et les
caractéristiques fondamentales de la liaison. En particulier nous nous sommes
occupés surtout de présenter les éléments constitutifs d’une liaison, en faisant
l’étude générale des systèmes de sources optique qu’est l’émetteur, de la fibre,
de récepteur qu’est le photodétecteur ainsi que des caractéristiques d’une liaison
optique. Nous avons également décrit différentes techniques de multiplexage
utilisées dans le domaine optique pour le partage de la bande optique, on parle
alors de partage en longueur d’onde « WDMA », en temps « OTDMA » et
« ETDMA » et par codes optiques « OCDMA ».
49
CHAPITRE IV : ETUDE DE LA PERFORMANCE D’UNE LIAISON A
FIBRES OPTIQUES
IV.1. Introduction
Ce chapitre a pour objectif de présenter le cadre général dans lequel se
situe notre travail de recherche, les performances d’une liaison optique.
En effet, les liaisons optiques sont un candidat sérieux au remplacement des
câbles électriques pour la transmission de données.
La fibre optique remplace avantageusement les harnais de câbles coaxiaux
classiques pour de nombreuses applications analogiques et numériques.
Nous débuterons ce chapitre par une évaluation des performances
intrinsèques des liaisons optiques. Elle évalue leurs performances en termes
d’atténuation et de la bande passante, ensuite nous parlerons aussi des
composants à mettre en œuvre pour une liaison optique et enfin le bilan de
liaison.
IV.2. Evaluation des performances d’une liaison à fibres optiques
Plusieurs paramètres sont à considérer lors de l’évaluation des performances
d’une liaison à fibres optiques, cela se traduit souvent en longueur de câble plus
ou moins importante en fonction des débits. Les deux paramètres les plus
importants pour définir les propriétés de transmission des fibres optiques sont :
L’atténuation
La bande passante
IV.2.1. Atténuation
La lumière, qui se propage au sein de la fibre optique, subit une perte
d’énergie appelée « ATTÉNUATION ». Cette dernière doit être la plus faible
possible afin d’être en mesure de parcourir de grandes distances. Il faut en tenir
compte lors de l’élaboration de liaisons optiques. Comme déjà mentionné plus
haut, certaines longueurs d’onde sont plus propices que d’autres et présentent
des affaiblissements moins élevés
IV.2.2. Bande passante
C’est le paramètre qui limite les performances des fibres optiques
multimodes dans les réseaux locaux à haut débit (1 et 10 gigabit par seconde).
Il est caractérisé par un étalement temporel de l’impulsion lumineuse. Ce
phénomène, qui s’appelle la dispersion, se compose de la dispersion
50
intermodale, de la dispersion du matériau et de la dispersion du guide, ces deux
dernières constituent la dispersion chromatique.
Dispersion du matériau : représente la dépendance de l’indice de réfraction de la
silice avec la longueur d’onde.
Dispersion du guide : représente la dépendance de l’indice du mode
fondamental à la dimension du guide par rapport à la longueur d’onde.
Cette bande passante représente la quantité d’information (bit/sec.) que peut
transporter une fibre sur une distance donnée, son unité est le MHz.km.
C’est ce paramètre qui, aujourd’hui, conditionne les distances maximales
autorisées sur les liens optiques tant dans les réseaux étendus que dans les
réseaux locaux (LAN).
Dans ces derniers (sur fibres multimodes), c’est la dispersion modale qui
prédomine et devient gênante pour les transmissions à haut débit.
En première approximation, on peut dire que plus le cœur d’une fibre est gros,
plus il y a de chemins différents pour les différents modes, donc plus importante
sera la dispersion modale. La bande passante devient donc un facteur limitatif
important pour les applications Gigabit Ethernet. Il a donc fallu choisir une
technologie d’émission appropriée : le laser, VCSEL (Vertical Cavity Surface
Emitting Laser)[19]
.
Mais celui-ci a provoqué d’autres phénomènes indésirables, c’est
pourquoi, il a été nécessaire d’introduire de nouvelles classes de fibres.
IV.3. Classification des fibres
L’évolution des fibres optiques a été importante cette dernière décennie, la
bande passante des fibres multimodes est passée de 160 MHz.km à 2000
MHz.km. Ces améliorations ont été provoquées par l’augmentation des débits
dans les réseaux locaux. Le gigabit Ethernet et le 10 gigabit Ethernet requièrent
des bandes passantes conséquentes.
Un système de classification a donc été élaboré afin de répertorier de
façon précise les fibres et leurs performances permettant d’effectuer un choix
plus rapide et plus précis en fonction des technologies utilisées.
51
Bande passante modale minimale MHz.km
Type de
fibre
optique
Diamètre
du brin μm
Bande passante
d’émission – mode
saturé (overfilled)
Bande passante effective
en émission
850 nm 1300 nm 850 nm
OM1 50 ou 62,5 200 nm 5000 Non spécifié
OM2 50 ou 62,5 500 nm 500 Non spécifié
OM3 50 1500 nm 500 2000
Tableau IV.2. Classification ISO 11801 V2 des fibres multimodes en fonction
des diamètres du cœur et de la longueur d’onde.
IV.4. Composants à mettre en œuvre pour une liaison optique
Un système de transmission par fibre optique se compose principalement de
:
- Un émetteur optique (transmetteur), constitué d’une diode
électroluminescente LED (Light Emitting Diode) ou d’une diode LASER
(Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation), qui
transforme les impulsions électriques en impulsions lumineuses ;
- Un récepteur de lumière, constitué d’une photodiode de type PIN
(Positive Intrinsic Negative) qui traduit les impulsions lumineuses en
signaux électriques ;
- Une fibre optique.
Figure IV.1 Principe d’une liaison optique
52
La puissance émise par une LED est peu élevée (≈ 1mW) et, seul un faible
pourcentage de cette puissance est récupéré dans la fibre. Pour les liaisons à haut
débit, on lui préfère les diodes laser. Ce dernier autorise une puissance à
l’émission voisine de 5 mW avec un rendement de couplage d’environ 50%.
La fibre est en principe un système de transmission unidirectionnel, une
liaison optique nécessite l’utilisation de deux fibres. La figure V.2 montre la
réalisation de coupleurs optiques pour interconnecter deux réseaux locaux.
Figure IV.2. L’interconnexion de deux locaux par fibre optique.
IV.5. Bilan de liaison
En fin de compte, tant pour les transmissions de signaux numériques que
pour l'acheminement de signaux analogiques, le point crucial est le rapport
signal sur bruit. En fonction de l'application, un certain niveau de rapport signal
sur bruit doit être respecté. Les dispositifs d'émission, les milieux de
propagation, les relais et enfin les dispositifs de réception sont tous entachés de
bruits qui vont s'ajouter les uns aux autres. L'affaiblissement du signal dégrade
également le rapport signal sur bruit. Le dimensionnement de la liaison dépend
donc de ces paramètres.
Le bilan de liaison va donc consister à déterminer l’ensemble des
atténuations et amplifications d’un signal. Le plus simple est alors d’exprimer
les puissances en dBm (PdBm=10 log(P/1mW)) et les atténuations ou
amplifications en dB.
53
IV.5.1. Présentation d’une liaison par fibre
Une liaison de transmission par fibre est constituée d’une source
lumineuse (DL ou DEL) qui convertit le signal électrique en signal lumineux.
Ce signal, injecté dans une fibre (SI ou GI) se propage avec une certaine
atténuation et une certaine dispersion. A la sortie de la fibre, le signal optique
est converti en un signal électrique à l’aide d’un photodétecteur (PIN ou APD).
A cause de l’impossibilité de fabriquer des longueurs de fibre importantes, il est
nécessaire de réaliser des épissures entre fibres ce qui produit des pertes
supplémentaires.
Figure IV.3. Liaison par fibre optique sans répéteur avec représentation des
différentes puissances et atténuations.
Puissances mises en jeux :
- PE : Puissance rayonnée par la source.
- PO : Puissance injectée dans la fibre.
- PI : Puissance à la sortie de la fibre.
- PRmin : Puissance minimum captée par le détecteur correspondant au seuil
de réception pour un rapport S/N ou un TEB donné.
Affaiblissements :
- αCE : Affaiblissement de couplage entre la source et la fibre.
- Αj : Affaiblissement des différentes jonctions (fixes et mobiles).
- αi : Affaiblissement linéaire de la fibre.
- αCR : Affaiblissent de couplage entre la fibre et détecteur.
54
IV.5.1.1. Affaiblissement total de propagation
Pour déterminer cet affaiblissement on suppose que le canal de
transmission est non dispersif (canal théorique), il est constitué d’une fibre qui
ne présente aucune dispersion (chromatique et modale).
IV.5.1.1.1. Affaiblissement total
Connaissant la puissance émise par la source optique ainsi que la
puissance reçue, il est possible de déterminer les pertes totales admises qui
seront réparties entre les différents éléments du canal (couplage, fibre,
épissures).
αTot = 10log
(IV.1)
Les pertes totales, exprimé en dB, sont données par la relation suivante :
αTot = αCE + (αj + αi)L + αCR (IV.2)
Où L est la longueur totale de la fibre.
L’utilisation des systèmes de transmission jusqu’aux limites de leurs
capacités n’est pas conseillée. Il faut toujours tenir compte des différentes
perturbations dans le fonctionnement (dérive en température, remplacement des
composants, …) pour assurer un fonctionnement stable. C’est la raison pour
laquelle, lors de la liaison par fibre optiques, il est nécessaire d’inclure dans le
bilan de liaison une certaine marge de sécurité M (entre 5 et 10 dB)[20]
.
La marge de sécurité doit être plus importante pour les systèmes utilisant des
diodes laser que ceux utilisant des diodes DEL. Ceci s’explique par le fait que
les caractéristiques des diodes laser sont beaucoup moins stables en température.
En tenant compte de la marge, la puissance émise s’écrit :
PE = PRmin+ αTot + M (IV.3)
Rappelons que PRmin dépend en analogique, du rapport signal sur bruit et en
numérique, du débit et du taux d’erreur binaire.
55
IV.5.1.1.2. Longueur maximum d’un canal non dispersif
Connaissant les caractéristiques de la liaison, la marge imposée, il est facile de
déterminer la portée maximum de ce type de canal.
LSD =
(IV.4)
IV.5.1.1.3. Influence de la bande passante sur la longueur de la liaison
Du point de vue bande passante, la fibre optique se comporte comme une
association de deux filtres passe-bas placés en cascade.
Ces deux filtres sont caractérises par leur fréquence de coupure qui dépend de la
longueur de la fibre et qui correspond à la bande passante modale et a bande
passante chromatique.
Figure IV.4. Comportement de la fibre du point de vue bande passante.
Lorsque l’on veut transmettre le long d’une fibre optique un système de
bande passante Bsyst , il faut toujours veiller à ce que, pour la longueur choisie, la
bande passante du système ne soit pas limitée par celle de la fibre.
Autrement dit, les deux filtres ne doivent en aucun cas limiter de la bande
passante du système, ce qui conduit à la vérification simultanée des deux
inégalités suivantes.
(IV.5)
La portée maximum d’une liaison réelle dépend de l’atténuation totale du
canal et de la limitation de la bande passante due aux différentes dispersions.
La détermination de la portée maximum d’un canal réel (dispersif) se fait
de la manière suivante :
- une fois que la longueur totale a été déterminée (absence de dispersion)
on vérifie, pour cette longueur, si la bande passante de la fibre est
suffisante pour être correctement transmise.
56
- A partir de cette longueur, on calcule les différentes bandes passantes
(Bande chromatique, Bande modale et Bande totale).
- On compare la bande passante totale de la fibre avec celle du système de
transmission. Ceci conduit à deux possibilités :
BGlobale ≥ Bsyst = La longueur calculée permet une transmission
correcte du signal.
BGlobale < Bsyst = La longueur choisie ne permet pas de transmettre
correctement le signal. Il faut, dans ce cas, rechercher la plus faible
bande passante (Bint
et Bchr
).
Le calcul de la nouvelle longueur maximum (canal dispersif) se fait à partir de la
relation suivante :
Bsyst = Min(Bint
(L), Bchr
(L)) (IV.6)
Cette relation permet de déterminer la longueur de la liaison qui est données
par :
L = min (LSD, LAD) (IV.7)
LSD : Longueur de la liaison non dispersive.
LAD : Longueur de la liaison dispersive.
IV.5.2. Connecteurs
Les connecteurs de fibre optique posaient quelques soucis aux techniciens
réseaux car ils étaient difficiles à utiliser. Mais aujourd’hui, les connecteurs
fabriqués sont plus simples et adhèrent à des certaines normes industrielles.
D’ailleurs, la fibre optique est si importante aujourd’hui que plus de 80 types de
connecteurs ont été inventés. Il existe à peu près autant de styles de connecteurs
que de plans de réseaux fibre optique. Grâce à toutes ces améliorations, de plus
en plus de sociétés utilisent des systèmes de fibre optique dans leurs réseaux.
IV.5.2.1. Fonctions des connecteurs de fibres optiques
Ces connecteurs ont de multiples fonctions. Ils connectent la fibre à l’aide
d’émetteurs et de transmetteurs, reçoivent l’épissure de la fibre et sont dotés de
photorécepteurs. Grâce au développement de divers connecteurs, chacun a ses
propres avantages, inconvénients et capacités. Les connecteurs peuvent se
connecter avec un système d'enclenchement (snap-in) ou par un système
d'enclenchement après rotation (Twist on)
57
IV.5.2.2. Raccordements (épissure) et couplages optiques
Il est d’une grande importance pratique que d’interconnecter les fibres
optiques, mais c’est une opération en principe difficile à cause de la très petite
dimension du cœur de la fibre optique. Il est très important de souligner que le
mot « raccordement » signifie un raccordement ou une jonction permanente de
deux fibres mises bout à bout.
Le mot le plus souvent utilisé à la place de raccordement et qui désigne en
fait la même chose est « épissure », « connecteur » indique une connexion
amovible que l’on peut connecter et déconnecter très souvent.
Alors qu’épissure et connexion sont des opérations mécaniques sur la fibre, un
certain nombre d’autres dispositifs permet d’effectuer des opérations
directement sur le signal optique : ce sont les coupleurs optiques.
IV.5.2.2.1. Coupleurs optiques
Ils servent à réaliser des opérations précises sur le ou les signaux optiques
dans les fibres auxquelles ils sont associés.
IV.5.3. Bilan énergétique
En plus de pouvoir transporter la quantité d’information requise, le
système doit aussi permettre d’assurer la qualité de transfert de l’information. La
qualité est liée au rapport signal sur bruit S/N ou le TEB requis. Les pertes
d’énergie proviennent de l’atténuation dans la fibre optique, des connections et
des divers couplages.
Le Taux d’Erreur Binaire (TEB) constitue l’ultime critère de qualité pour
évaluer les performances d’un système de transmission numérique. Le TEB est
communément défini comme le rapport entre le nombre de bits erronés reçus (un
‘0’ au lieu d’un ‘1’ et vice versa) et le nombre de bits transmis. Il est
généralement exprimé sous la forme d’une puissance négative de 10 (Exemple :
10-9
, ce qui correspond à un bit mal déterminé à la réception parmi 1 million de
bits transmis).
Seuil détection
Le seuil de détection est une puissance lumineuse. Il est d’usage
de l’exprimer non pas en W mais en dBm : P (dBm) = 10log (P/mW)). Dans la
suite de cette partie, les puissances seront en dBm. Pour un système numérique,
on choisit souvent TEB = 10-4
. Le seuil de détection dépend bien sûr de TEB ou
58
S/N, mais aussi de la bande passante ou du débit, de la puissance moyenne de la
source et du photodétecteur utilisé.
IV.6. Conclusion
Nous avons décrit dans ce chapitre les performances d’une liaison à
fibres optiques complètes, principalement de l’atténuation et de la bande
passante. En suit, nous nous sommes occupés sur les composants a mis œuvres
pour une liaison optique. En fin nous avons parlés de bilan de liaison à fibres
optiques.
Les but du chapitre suivant sera de présenter les résultats génères par le
simulateur.
59
CHAPITRE V. SIMULATION DE LA PERFORMANCE D’UN RESEAU
A FIBRES OPTIQUES
V.1. Introduction
Dans un nombre croissant de situations, il est nécessaire de transmettre
des signaux numériques, en général sous la forme d'une séquence binaire. Les
signaux numériques présentent en effet plusieurs propriétés intéressantes pour
les télécommunications : souplesse des traitements, signal à états discrets donc
moins sensibles aux bruits et simple à régénérer, utilisation de codes correcteurs
d'erreur, cryptage de l'information. L’objectif principal des systèmes de
télécommunications est de transmettre l’information sur une distance la plus
longue possible, tout en conservant la qualité de signal.
Les modulations numériques jouent un grand rôle dans la transmission des
signaux à distance. La méthodologie retenue dans ce chapitre consiste à
comparer les différents résultats obtenus de simulation de différents types de
modulations numériques.
V.2. Présentation du langage MATLAB
MATLAB est un logiciel utilisé dans de nombreuses sociétés et
universités pour le calcul mathématique, le développement d’algorithmes,
simulations et représentations graphiques, le développement d’applications à
l’aide des créations d’interfaces graphiques et aussi souvent utilisé en traitement
de signal et de données, et pour l’ingénierie des systèmes. La mise en œuvre est
plus rapide qu’avec des langages de programmation de haut niveau.
Dans le cadre de notre projet, le logiciel MATLAB est utilisé pour
simuler les différents types de modulation numérique, car il est évidement la
meilleure approche en raison de sa grande puissance de calcul.
60
V.3. Schéma-bloc d’une liaison à fibre optique
La figure V.1 représente le synoptique général de la liaison de base que
nous allons simuler.
Figure V.1 Schéma-bloc de la liaison de base
Les composants de base d’un système de communication optique sont
représentés sur la figure V.1, ci-dessus.
Un train de bits série sous forme électrique est présentée à un modulateur,
qui code les données de façon appropriée pour la transmission dans la
fibre.
m(t) = h(t)cos(2ᴫfct) (V.1)
où h(t) : un train binaire ….
cos2ᴫfct : la porteuse ……
Une source de lumière (Laser) est entraînée par le modulateur et la
lumière focalisée dans la fibre.
Le signal lumineux se propage dans la fibre. Le signal à l’entrée du
récepteur est le suivant :
Vin(t) = m(t) + x(t)cos(2ᴫfct) + y(t)sin(2ᴫfct) (V.2)
Où x(t), y(t) variables aléatoires reprennent le bruit des composant
h(t) = suite équiprobable des 1 et 0 ……………………………………..
A la réception, le signal lumineux est amené à un détecteur et convertie
sous forme électrique puis démodulé à l’aide de la détection cohérente. Le
signal sera de la forme :
61
Vout =
h(t) +
x(t) (V.3)
Le signal est ensuite amplifié et appliqué à un détecteur, qui isole les
changements d’états individuels et de leur synchronisation. Il décode
ensuite la séquence de changements d’état et reconstruit le stream.
Le seuil de décision dans le cas des modulations ASK et FSK est ½ et de
0 pour la modulation PSK. Les taux d’erreur binaires théoriques
correspondants sont :
BREASK, FSK =
erfc(
√ ) (V.4)
BERPSK=
erfc(
√ ) (V.5)
Si l’on considère un signal dont l’amplitude maximale est normalise à un
et un bruit blanc gaussien de variance (A=1, σ2 = 1).
V.3.1. Présentation d’interface d’accueil
La figure V.2 représente l’interface de page d’accueil. Avec les
deux boutons de commande « Fermer » permet de fermer l’application
et « Entrer » permet d’accéder à la page suivante de l’application.
Figure V.2. Page d’accueil d’utilisateur
62
V.3.2. Visualisation des signaux de modulation numérique
Figure V.3 est une espace réservée pour visualiser les résultats de
différents types de modulation. Elle contient quatre boutons de commande dont
le bouton « Visualiser » permet d’afficher le résultat à la place réservée, le
bouton « Effacer » joue un grand rôle pour réinitialiser l’espace d’affichage, le
bouton « Enregistrer » nous permet d’enregistrer ou imprimer le résultat obtenu
de la simulation, le bouton « Retour » permet de retourner à la page précédente
et le bouton « Quitter » permet de fermer l’application. Et il y a aussi les
boutons radio qui représentent ou chacun des types de modulations considérées.
Après l’affichage de cette fenêtre, l’utilisateur peut effectuer les tâches
suivantes :
- Visualisation des signaux via le bouton radio ;
- Analyse de résultats de simulation de différents types de modulation
numérique ;
- Etc.
Figure V.3. Page de visualisation des signaux
V.3.2.1. Signal d’entrée
Avec les techniques de transmission numérique on ne cherche plus à
transmettre un signal identique à celui que l’on veut reproduire, quelles que
soient la nature de l’information traitée (Image, Son, Vidéo, etc.), elle sera
63
toujours sous la forme d’une suite de 0 et de 1. C’est le cas dans les fibres
optiques, informations (audio, Vidéo ou Informatiques) sont codées
numériquement sous la forme d’une succession de 0 et de 1. (Voir figure V.4).
Figure V.4. Codage binaire
V.3.2.2. Signal modulé
Modulation d’amplitude ou ASK (Amplitude Shift Keying)
La modulation d’amplitude s’applique en faisant varier l’amplitude du
signal en fonction des bits a codé.
Figure V.5. Résultat de la simulation de modulation ASK
64
On module le signal en amplitude, ainsi on passe d’un code binaire à un signal
modulé (figure V.5). La différence d’amplitude permet de différencier le 1 de 0.
Modulation de fréquence ou FSK (Frequency Shyft Keving)
En modulation de fréquence, les niveaux logiques sont représentés par la
variation de la fréquence de la porteuse.
Figure V.6. Résultat de la simulation de modulation FSK
En FSK nous changeons la fréquence en réponse à l’information (Figure
V.6). Une fréquence particulière pour « 1 » et une autre fréquence pour « 0 ».
Modulation de phase ou PSK (Phase Shift Keying)
La modulation de phase associe à un code binaire une valeur de la phase
de la porteuse. La vitesse peut être facilement augmentée en utilisant un code
binaire sur plusieurs bits sans augmentation de la fréquence de la porteuse
65
Figure V.7. Résultat de la simulation de modulation PSK.
Chaque changement d’état est repéré par le changement brutal de phase,
puisque on n’a que deux état « 0 » ou « 1 ».
V.3.2.3. Signal du canal de transmission
A la réception comme le montre les figures V.8, V.9 et V.10 ;
vu les différentes perturbations subies par le signal durant son parcours dans le
canal de transmission, le signal n’arrive pas tel qu’il a été envoyé. C’est pour
cela que nous voyons les déformations des signaux.
Figure V.8. Signal à la réception ASK
67
Figure V.11. BER sur le rapport signal sur bruit
Pour évaluer la qualité du système étudié, nous avons comparé les
différentes modulations côté performance pour effectuer un choix et motiver ce
dernier. La figure V.11 montre la performance de la liaison étudiée à l’aide du
BER. Pendant notre simulation, nous avons réussi à atteindre un taux d’erreur
binaire de 10-4
. Les performances limitées de nos machines n’ont nous ont pas
permis d’aller plus loin.
Pour parier à ces problèmes, nous avons superposé à ces courbes, celles
des BER théorique. Ainsi des valeurs proches, des valeurs typiques des canaux
de transmissions de très bonnes qualités atteintes l’interpolation.
Si on l’on compare les trois modulations, on remarque que la modulation
PSK est la plus performante. Cependant les équipements les plus rependus à nos
jours ne supportent pas que la modulation ASK. Ce qui demande, pour un taux
d’erreur binaire donné, une puissance d’entrée de 3 dB en plus de celle de la
modulation PSK.
68
V.3.2.4. Signal de sortie
Le signal reçu est amené à un détecteur et convertie sous forme
électrique. A fin la sortie on aura signal qui es codé sous forme binaire.
Figure V.12 Signal de sortie
V.4. Conclusion.
Dans ce chapitre, nous avons ainsi simulé les différents types de
modulation numérique (ASK, FSK et PSK) en passant par toutes les étapes :
mise en forme du signal numérique (codage binaire) à l’entré, modulation du
signal, etc.
Nous avons pu constater, par le taux d’erreur binaire que le moyen de
transmission par fibre optique offre une très bonne performance. Ceci est dû au
fait que la grande partie du bruit vient uniquement des composants électroniques
situées aux deux extrémités. Ce qui rend le signal moins bruités comparé à ceux
des canaux de transmissions classiques. La pénalité de la modulation ASK est
largement compensée par la faible atténuation du signal dans la liaison optique.
69
CONCLUSION GENERALE
En abordant notre travail de fin d’études, notre objectif primordial était
d’étudier la performance d’une liaison à fibres optiques.
En effet, dans les années à venir, les technologies optiques continueront
de faire face à la demande croissante de capacité, conséquence inévitable de la
généralisation d’Internet et des services plus orientés vers la vidéo par exemple.
Ces caractéristiques font des fibres optiques le support privilégié dans le
domaine des télécommunications à haut débit et à une grande distance, dans les
applications aéronautiques et navales et dans les transmissions de données en
milieu perturbé.
En outre, nous avons vu après simulation sous MATLAB les différents
résultats générés de l’émission jusqu’à la réception. Nous avons ainsi simulé les
différents types de modulations numériques telles que : les modulations ASK,
FSK et PSK. Partant de cette analyse de résultats de comparaisons de différents
types de modulations, nous avons montré comment les signaux se comportent de
ces trois types de modulations numériques de l’émission à la réception.
Ainsi, la fibre optique représente assurément le meilleur moyen actuel
pour transporter de très hauts débits d’informations numériques, et les besoins
dans ce domaine ne vont probablement pas cesser d’augmenter très fortement
dans un avenir proche.
Enfin, l’étude de support de transmission par fibre est trop vaste, notre
travail s’est limité à la performance d’une liaison à fibres optiques, à travers la
détermination du TEB, pour une bande passante donnée. Suite au manque de
moyens matériels appropriés notre travail s’est limité à la simulation. Les
promotions à venir pourront évaluer la qualité de la liaison à partir de la
consigne de départ situé à la figure V.1. Cela permettrait d’évaluer l’influence
supplémentaire des différentes connexions sur la qualité de la liaison. Ainsi le
résultat de ce test pourra être comparé à celle présenté simulation.
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BIBLIOGRAPHIE
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http://nobo728free.fr/index.php?page=fibre.
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