CONCEPTION D’UN LOGICIEL DE DIMENSIONNEMENT POUR LE DESIGN D’UNE LIAISON FIBRE OPTIQUE

Généralités sur la technologie des fibres optiques

Ce premier chapitre consiste à comprendre le principe de la transmission de données par fibre optique et à travers ses caractéristiques, à déterminer le bilan de liaison optique dans le cadre des ses applications dans les réseaux de télécommunication.

La fibre optique

Une fibre optique est un guide d‟onde optique à symétrie circulaire tel que schématisé sur la figure I.1. Ce guide est constitué de deux ou plusieurs couches de matériaux diélectriques transparents (verre ou plastique) d‟indices de réfraction différents assurant le confinement de la lumière au voisinage du centre [5]. Figure I.1 : Structure d’une fibre optique .

Le procédé de fabrication

La plupart des fibres sont fabriquées à base de silice, matériau abondant et peu cher. La technique la plus employée est appelée CVD (Chemical Vapour Déposition). Elle consiste à déposer à l‟intérieur de la gaine et par couches successives les matériaux du cœur. Le cœur est constitué de silice pure et la gaine d‟un tube de silice de moins bonne qualité (1m de long de 20 mm de diamètre). Les matériaux du cœur sont faits de dépôts de particules de verres obtenues par oxydation à haute température de chlorures gazeux et réactions chimiques. L‟adjonction de dopants « oxyde de germanium ou phosphore et du fluor ou du trioxyde de bore » permet de faire varier respectivement les indices des matériaux du cœur et de la gaine. C‟est grâce à une certaine condition de ces indices de matériaux que nous allons voir par la suite les états de guidage de la lumière dans la fibre optique en suivant les Lois de Descartes (voir glossaire concernant les lois de Descartes). 4 Une fois le dépôt terminé, le tube est refermé sur lui-même formant alors un barreau plein appelé PREFORME. C‟est ce préforme de verre d‟une longueur de 1m et d‟un diamètre de 10cm qui permettra d‟obtenir, par étirement, la matière première pour la fabrication d‟une fibre optique (exemple type monomode d‟une longueur de 150km) .

Les catégories de fibres optiques

Nous pouvons classer les fibres optiques en deux catégories selon le diamètre de leur cœur et la longueur d’onde utilisée : les fibres multimodes et monomodes. 

La fibre multimode dénommée MMF (MultiMode Fiber)

La fibre MMF a pour caractéristique de transporter plusieurs modes (trajets lumineux). En effet, les diamètres des diélectriques sont plus importants que ceux d‟une fibre monomode (Ø du cœur ≈ 50 microns et Ø de la gaine ≈ 125 microns) et les différents rayons peuvent emprunter des trajectoires différentes. Donc, leurs chemins optiques et leurs temps de propagation sont différents. Il en résulte alors une dispersion intermodale c‟est-à-dire un étalement temporel du signal qui est proportionnel à la longueur de la fibre [16]. En conséquence, elles sont utilisées uniquement pour des bas débits ou de courtes distances (les LANs) n‟excédant pas de 2 km en général. La transmission des données se fait pour la plupart du temps au moyen d‟une LED d‟une longueur d‟onde de 850 nm ou 1310 nm .

La fibre monomode dénommée SMF (Single Mode Fiber)

Caractérisée par un diamètre de cœur de seulement quelques micromètres (9 µm), la fibre monomode est la plus utilisée pour de plus longues distances et de plus hauts 5 débits. Leur cœur très fin n’admet ainsi qu’un mode de propagation, le plus direct possible c’est-à-dire dans l’axe de la fibre. Pour de très hauts débits et pour de très longues distances, les pertes sont donc minimes (moins de réflexion sur l’interface cœur/gaine). Une fibre monomode n’a pas de dispersion intermodale. En revanche, il existe un autre type de dispersion : la dispersion intramodale où toutes les longueurs d’onde ne se propagent pas à la même vitesse dans le guide. Ce qui induit un élargissement de l’impulsion dans la fibre optique. On l’appelle aussi phénomène de dispersion chromatique. La fibre monomode est principalement utilisée par les opérateurs pour couvrir de grandes distances (WAN). La transmission des données se fait au moyen d‟un laser d‟une longueur d‟onde de 1310 nm, 1550 nm ou 1625 nm [6]. Figure I.3 : Profil d’une fibre monomode à saut indice . Afin de normaliser l‟utilisation des fibres optiques, l‟ITU a instauré des normes internationales pour les fibres optiques déployées dans les réseaux de télécommunications. Les recommandations G.650 à G.655 portent sur les paramètres géométriques, mécaniques et optiques des fibres et sur les tolérances admissibles [13]. Dans le cadre de ce mémoire, nous parlerons davantage des fibres monomodes car c‟est ce type de fibre qui a été appliqué au projet de liaison backbone en FO-SDH que TELMA compte réaliser. 

Le domaine de longueurs d‟onde utilisées

Les longueurs d‟onde utilisées par la fibre optique sont situées dans le domaine de l‟invisible plus précisément dans la partie Infrarouge (figure I.2) [6]. Figure I.4 : Spectre de la lumière. Le spectre utilisé dans le cadre de la transmission par fibre optique est montré sur la figure I.3 suivant : Figure I.5 : Spectre utilisé en transmission par fibre optique On distingue principalement quatre fenêtres de longueurs d‟ondes : – Fenêtre I : la longueur d‟onde de 850 nm, utilisée pour les fibres multimodes – Fenêtre II : la longueur d‟onde de 1310 nm, à la fois utilisée aussi bien en fibres multimodes qu‟en monomodes – Fenêtre III : la longueur d‟onde de 1550 nm, utilisée pour les fibres monomodes – Fenêtre IV : les longueurs d‟onde supérieures ou égales à 1625 nm, utilisée également pour les fibres monomodes Ces quatre types de fenêtres sont définis selon des normalisations et leur application dépend généralement de la distance à adopter.

La propagation de la lumière dans une fibre optique

La transmission des faisceaux lumineux dans une fibre optique a une conséquence directe de ce qui précède. En effet, afin que le rayon puisse se propager à l‟intérieur du cœur de la fibre, il faut qu‟il y ait une réflexion totale à l‟interface cœur – gaine (Figure I.6). Cela implique donc une condition sur l‟inclinaison du rayon entrant dans le cœur (donc sur l‟angle ϴ de la figure I.6). Rappelons que dans le cas d‟une fibre à saut d‟indice, l‟indice du cœur est supérieur à celui de la gaine . Figure I.6 : Principe de propagation dans une fibre optique [14] D‟après les lois de Descartes et pour qu‟il y ait réflexion totale en I, il faut que l‟angle d‟incidence du rayon émis ϴ soit inférieure ou égale à l‟angle critique ϴc = ϴ2 défini par : sin ϴc = sin ϴ2 = nt/ni (I.1) où nt représente l‟indice de réfraction du rayon réfracté (dans notre cas n2) et ni représente l‟indice de réfraction du rayon incident (dans notre cas n1). En faisant un peu de géométrie élémentaire à partir de la figure I.6, cette condition sur ϴ2 aboutit à une condition sur ϴ (avec n0 = 1) à savoir : – sin ϴ = n1 ϴ1 (I.2) – Pour l‟angle limite, nous avons : ϴ1limite = π/2 – ϴ2limite. Cet angle limite représente l‟angle d‟incidence pour lequel le rayon réfracté sort du système optique à 90° de la normale de celui-ci. Cette condition limite est atteinte lorsque les rayons passent d‟un milieu plus réfringent (indice absolu n1 élevé) vers un milieu mois réfringent (indice absolu n2 faible). Soit d‟après (I.2), Sin ϴlimite = n1sinϴ1limite = n1sin (π/2 – ϴ2limite) = n1Cos (ϴ2limite) d‟où Sin ϴlimite = n1√ (1 – sin² (ϴ2limite)) = n1√ (1- (nt/ni)²) selon la relation (I.1) – Comme l‟indice de l‟air n0 est à peu près égale à 1, nous avons : Sin ϴlimite =n1√ (1-(nt/ni) ²) = √ (ni – nt) ² (I.3) En conclusion, pour qu‟une fibre puisse transmettre un rayon lumineux, il faut que le faisceau arrive dans un cône d‟angle que nous allons noter par ϴlimite tel que l‟angle d‟incidence ϴ soit inférieur à l‟angle limite ϴlimite. Ce qui signifie que le faisceau d‟entrée 8 doit être dans un cône de demi-angle comme représenté sur la figure I.7. Il est alors courant d‟introduire l‟ouverture numérique de la fibre [14], notée par ON, qui définie comme le sinus de l‟angle maximum acceptable ou du demi angle du cône d‟acceptance, soit : ON = n0 sin (ϴlimite) = √ (ni² – nr²) (I.4) Figure I.7 : Ouverture numérique d’une fibre.

Le système de transmission par fibre optique

Le schéma d‟un système de télécommunications optiques est décrit par la figure I.8 ci-dessous. Dans ce système, le signal optique est émis, transporté, régénéré (s‟il y a lieu) et détecté aux moyens de composants optiques ou opto-électroniques [10]. Figure I.8 : Transmission de données dans une fibre I.2.1- La partie émettrice La partie « émission » d‟une liaison optique est composée de divers éléments à savoir :  Le LASER (Light Amplification by the Stimulated Emission Radiation) qui est utilisé en général pour la fibre monomode, dont la longueur d‟onde est 1310 nm ou 1550 nm  Le LED (Ligth-Emitting Diode) qui fonctionne dans le proche infrarouge (850 nm)  La diode à infrarouge qui émette dans l‟infrarouge à 1300 nm 9 Pour les longues distances, le choix des sources optiques s‟est porté sur les lasers [10] grâce à leurs petites dimensions (par rapport à celles du cœur de la fibre), à sa forte énergie pour amplifier la lumière, à sa directivité, à la facilité de moduler directement la lumière émise en agissant sur le courant, à leur spectre optique relativement étroit et à leur faible consommation énergétique. C‟est dans cette partie émettrice que les impulsions électriques de la source sont converties en signal lumineux pour être véhiculé au cœur de la fibre. Ce signal sera modulé et codé. Remarque : – Une LED a un pic d‟une largeur spectrale  10nm et celle d‟un laser, un pic d‟une largeur  1nm – La partie émettrice est caractérisée par la puissance nominale de la source à l‟émission et exprimée en dBm .

La partie transmission optique

La transmission de données est assurée uniquement par la fibre optique dans le cas où la distance est courte. Dans le cas contraire, une fonction de régénération du signal est nécessaire pour favoriser la transmission. En effet durant son parcours, le signal est atténué et déformé : des répéteurs et des amplificateurs placés à intervalles réguliers permettent de conserver l‟authenticité du message. L‟atténuation et la déformation du signal sont donc des conséquences directes de la longueur du canal de transmission. Ainsi, afin de conserver le signal optique de la source, les systèmes de transmission optique peuvent être classés en trois catégories : la ré-amplification, la remise en forme et la re-synchronisation [10]:  La ré-amplification : consiste à utiliser des amplificateurs afin de booster le signal atténué à une certaine distance  La remise en forme : assure la régénération 2R ou « Reshaping and Regeneration ». En plus de l‟amplification, elle consiste à améliorer le taux d‟extinction (ER pour Extinction Ratio), défini comme le rapport entre la puissance moyenne des « 1 » et la puissance moyenne des « 0 » (ER = Pm „1‟/ Pm „0‟) ainsi que la réduction du bruit d‟amplitude sur les symboles « 1 » et « 0 ». 10 Figure I.9 : Principe regénération 2R Toutefois, la régénération 2R ne corrige que les fluctuations d‟amplitude du signal. Elle ne corrige pas les fluctuations temporelles des symboles, connues sous le nom de gigue du signal temporel ou jitter. L‟accumulation de gigue peut conduire à une dégradation du TEB. La régénération 3R, présentée dans le paragraphe suivant, est la solution pour éviter ce problème.  La re-synchronisation ou la régénération 3R : pour « Retiming, Reshaping and Reamplification », elle réalise les trois étapes nécessaires à une régénération complète des données. En effet, à cause des diverses dégradations subies par le signal au cours de sa propagation, les symboles binaires qui forment le signal peuvent se décaler temporellement au sein de leur temps bit. Ce décalage peut créer des interférences entre symboles ou de la gigue temporelle, phénomènes qui perturbent la détection de l‟information. La re-synchronisation des données est donc une étape importante de la régénération. Pour réaliser cette régénération complète, les dispositifs 3R nécessitent l‟utilisation d‟une récupération d‟horloge pour corriger temporellement les décalages de symbole.