1.1 Transmission optique
1.1.2 Systèmes de transmission optique
Il a fallu du temps pour la concrétisation de l’idée de transmettre de l’information via un support optique. Deux paramètres clés sont à l’origine du succès fulgurant des transmissions optiques, dépassant les pronostics les plus optimistes :
• l’affaiblissement linéïque très réduit (inférieur à 0,2 dB/km dans la troisième "fenêtre" optique, autour de la longueur d’onde de 1550 nm) ;
• une largeur de bande énorme, potentiellement de plusieurs di-zaines de T Hz.
A cela s’ajoutent encore d’autres avantages pour l’exploitation :
• faibles dimensions et poids minime (arguments primordiaux pour le transport et la pose, en particulier dans les caniveaux urbains déjà encombrés,
• robustesse et flexibilité mécaniques,
• prix de revient modéré (matière première peux coûteuse, mais procédé de fabrication complexe et délicat).
Il est de fait que pratiquement pour toutes les nouvelles installations de transmission à moyenne et grande distance, les fibres optiques sont préférées aux câbles coaxiaux [Fontolliet, P. -G, 1999]. Aujour-d’hui l’essentiel des communications intercontinentales passe par des câbles optiques sous-marins déposés dans les fonds des océans.
Les systèmes optiques ont permis une montée rapide des débits.
Cette ascension s’est accélérée avec l’invention de l’amplificateur op-tique, qui a pallié les problèmes de pertes sur les longues distances, et remplacé les répéteurs dans les liaisons.
Les systèmes de communication optiques peuvent être classés en deux catégories : les systèmes non-guidés et les systèmes guidés.
Les systèmes non-guidés sont des systèmes où le signal optique est envoyé depuis l’émetteur jusqu’au récepteur en se propageant dans l’espace libre. Dans les systèmes guidés, on utilise un support, par exemple la fibre optique, afin de transporter le signal optique de l’émetteur au destinataire. De manière générale, une chaîne de trans-mission optique est composée de 3 éléments principaux comme à la figure 1.1 : un émetteur, un canal de transmission et un récepteur. La fibre optique est le canal utilisé pour les transmissions optiques.
FIGURE1.1 – Système de transmission optique
1.1.2.1 Emetteur optique
Dans un système de transmission optique, un émetteur a deux fonctions essentielles : la génération d’un signal optique et sa mo-dulation par l’information à émettre. Il est composé d’une source lu-mineuse, une diode laser en général, dont on module l’intensité op-tique par un signal électrique (analogique ou numérique). Dans ce cas, on parle de modulation directe. Lorsque la puissance continue de la source est modulée avec un modulateur externe, associé à la source, on parle alors de modulation externe.
FIGURE1.2 – Emetteur optique avec modulation interne
1.1.2.2 Fibre optique
Une fibre optique conventionnelle est un guide d’onde cylindrique et diélectrique. Elle est constituée par deux guides cylindriques et concentriques, en matériau diélectrique, ayant tous deux le même axe de révolution comme le montre la figure 1.3.
FIGURE1.3 – Différentes parties d’une fibre optique conventionnelle
Le guide intérieur est le cœur au travers duquel la lumière se pro-page ; l’enveloppe cylindrique extérieure, d’indice de réfraction plus petit que celui du cœur, permet, sous certaines conditions, le guidage de la lumière dans ce dernier et, un revêtement de protection. Les ma-tériaux utilisés pour les fibres optiques sont un verre de quartz (silice) ou un polymère, extrêmement pur avec adjonction contrôlée de traces d’autres éléments afin de maîtriser l’indice de réfraction,[Fontolliet, P. -G., 1999]. Ce dopage modifie l’indice de réfraction dans le cas de la silice afin d’avoir la différence d’indice nécessaire au guidage
de la lumière par réflexion totale interne. Ce guidage du signal op-tique se base sur les relations fondamentales de l’électromagnétisme avec une approximation par les relations de la loi de Snell-Descartes.
L’onde lumineuse se propage le long de la fibre par réflexions succes-sives entre le cœur et la gaine. Cela ne se fait que lorsque le cœur ainsi que la gaine sont constitués de matériaux transparents et que l’indice de la gaine est inférieur à celui du cœur. La seconde condi-tion est d’injecter le signal lumineux dans la fibre avec un angle, par rapport à l’axe inférieur à l’ouverture numérique.
La qualité d’un milieu physique pour la transmission de signaux se fonde sur deux principaux facteurs qui sont l’atténuation et la disper-sion. Pour assurer une bonne transmission optique, le monde scienti-fique s’est attelé dès lors à trouver le compromis entre une faible atté-nuation et une dispersion minime. Aujourd’hui, ce sont les longueurs d’ondes autour de 1550 nm qui sont le plus utilisées pour les trans-missions optiques.
Bien que la classification soit discutable (distinction par caractéris-tique modale), on distingue de façon standard deux sortes de fibres : les fibres multimodes et les fibres monomodes. Les fibres monomodes ne laissent se propager que le mode fondamental du faisceau lumi-neux. Quant aux fibres multimodes, elles laissent se propager à la fois le mode principal ainsi que plusieurs autres modes secondaires. Elles peuvent être classées en deux selon leur profil : il s’agit des fibres multimodes à saut d’indice et celles à gradient d’indice. Les fibres à saut d’indice présentent une variation brusque de l’indice à l’interface cœur-gaine, alors que pour les fibres à gradient d’indice la variation d’indice est continue du cœur à la gaine. Les fibres monomodes sont généralement des fibres à saut d’indice et à petit cœur.
La fibre optique possède un grand nombre de propriétés remar-quables, qui font d’elle un excellent support de transmission physique pour les télécommunications. La qualité d’un milieu physique pour la
transmission de signaux se repose sur deux principaux facteurs que sont l’atténuation et ladispersion.
Atténuation : L’atténuation représente la réduction de la puissance du signal au cours de sa propagation. Ce facteur est déterminant pour connaître la distance maximale que peut parcourir un signal, étant données la puissance d’émission et la sensibilité en réception.
Notons P(D) la puissance de l’impulsion lumineuse dans une fibre optique à la distance D de l’émetteur, Pr la sensibilité du récepteur (puissance minimale requise pour détecter le signal) et A le facteur d’atténuation de la fibre. Elle est caractérisée par :
P(D) = 10−AD/10P(0) (1.1) P(0) est la puissance optique à l’entrée de la fibre.
Pour une longueur de fibre de D, la puissance P(D) doit être au moins égale à la sensibilité Pr, d’où nous déduisons :
Dmax = 10 Alog10
P(0)
Pr (1.2)
Dmax est la longueur maximale de fibre à laquelle correspond une puissance optique de sortie nulle.
La distance maximale entre l’émetteur et le récepteur (ou entre am-plificateurs) dépend davantage du facteur d’atténuation que de la puis-sance d’émission ou de la sensibilité en réception.
Une courbe typique de variation de l’atténuation en fonction de la longueur d’onde est représentée à la figure 1.4. Elle montre aussi l’existence de trois "fenêtres", régions où l’atténuation est minimale.
La première autour de la longueur d’onde de 0,85 µm. La deuxième autour de la longueur d’onde de 1,3 µm présente en outre l’avantage d’une dispersion chromatique minimale alors que la troisième qui se trouve autour de la longueur d’onde de 1,55 µm correspond au mini-mum absolu de l’atténuation.
FIGURE 1.4 – Courbe d’atténuation typique d’une fibre monomode [Auguste, J. -L et al, 2005]
Dispersion : La dispersion représente la dépendance de la constante de propagation par rapport à la fréquence. Elle permet de calculer l’élargissement de la durée des impulsions lumineuses au cours de leur propagation. Pour des signaux lumineux, on parle de dispersion chromatique.
En effet, la vitesse de propagation de la lumière dans la matière transparente, définie par l’indice de réfraction optique, est fonction de la longueur d’onde. Or une impulsion lumineuse se propageant dans une fibre optique n’est pas parfaitement monochromatique, puisqu’un laser ne transmet pas une fréquence unique. Aussi, un signal trans-portant de l’information a une largeur spectrale non nulle. Par consé-quent, les différentes longueurs d’onde constituant le signal lumineux vont se propager à des vitesses différentes, ce qui entraîne l’élargisse-ment temporel des impulsions qui peuvent alors se chevaucher, pro-voquant des erreurs de détection à la réception. Plus une impulsion est brève, plus sa gamme de fréquences est étendue. La dispersion chromatique est alors un facteur d’autant plus limitatif que les débits
sont élevés car les impulsions sont alors très brèves et proches les unes des autres dans le temps.
Pour un mode guidé, la dispersion chromatique DC est approxima-tivement égale à la somme de la dispersion du matériau DM de la structure guidante et de la dispersion liée à la géométrie du guide DG [Peyrilloux, 2003].
λ est la longueur d’onde c est la célérité de la lumière
d2n
dλ2 est la dérivée seconde de l’indice de réfraction du milieu par rapport à la longueur d’onde.
DG = Nc −Ng
Nc est l’indice de groupe du matériau constituant le cœur de la fibre Ng est l’indice de groupe du matériau constituant la gaine de la fibre
Remarque : D’après [Peyrilloux, 2003], Ni désigne l’indice de groupe du matériau constituant la région i. Il s’exprime en fonction de l’indice de réfraction ni de la région i par la formule ci-après :
Ni = ni −λdni
dλ (1.6)
Guidage par réflexion totale interne : Dans un guide d’onde diélectrique, le phénomène de guidage ne se présente pas en termes de rayon
lumineux mais plutôt en terme de mode guidé. L’optique géométrique (Loi de Descartes) ne suffit pas à décrire la propagation de la lumière dans une fibre. La théorie des ondes électromagnétiques, basée sur les équations de Maxwell, permet une approche beaucoup plus fé-conde dont les principaux résultats sont [Fontolliet, P. -G, 1999]:
• seuls certains angles discrets v1 < v1max conduisent à des si-tuations stables, appelées modes, caractérisées par une onde stationnaire transversale et une onde progressive longitudinale.
• le nombreM de modes possibles dans une fibre cylindrique dont le cœur a un rayon r dépend d’un paramètre caractéristique V (appelé aussi "fréquence normalisée4") :
V = 2π
λ rN (1.7)
oùN est l’ouverture numérique de la fibre etλ la longueur d’onde dans le vide (dans le cœur, elle vaut λ1 = λ/n1)
Non-linéarités dans les fibres optiques : Les effets non-linéaires sont en général une nuisance pour les réseaux de télécommunication car ils altèrent le signal transmis (pour les applications Wavelength Divi-sion Multiplexing "WDM") et peuvent entraîner une auto-focalisation instable du faisceau [Peyrilloux, 2003]. Cependant, ces effets pré-sentent de nombreuses applications utiles avec en particulier l’implé-mentation de fonctionnalités tout optique dans les réseaux optiques et l’amplification de signaux.
4. Une fibre optique standard est unimodale lorsque V < 2,405; la valeur de V = 2,405 est appelée la fréquence normalisée decoupuredu premier mode d’ordre supérieur.
Les fibres optiques ont une section droite de cœur de faible surface ce qui entraîne un fort confinement des modes en particulier dans les fibres optiques. Dans ces conditions, la densité de puissance peut de-venir importante et peut provoquer l’apparition d’effets non-linéaires.
Plusieurs phénomènes peuvent alors être étudiés selon qu’il s’agisse d’une modulation de l’indice de réfraction (effet Kerr optique) ou de la dispersion inélastique stimulée (dispersion Raman5 et de Brillouin6).
1.1.2.3 Récepteur optique
La fonction d’un récepteur dans un système de transmission op-tique est de détecter et de démoduler un signal lumineux transmis sur une fibre.
La détection consiste en la conversion du signal optique en signal électrique. La démodulation est généralement réalisée ensuite par les techniques habituelles des systèmes de transmission électriques.
FIGURE 1.5 – Récepteur optique