SYSTÈMES DE TRANSMISSION À FIBRES OPTIQUES

Système de transmission optique Introduction 

Pendant longtemps, le transit d’informations sur les réseaux locaux se limitait à des débits relativement faibles. Le bon fonctionnement de ce type de réseaux sur les infrastructures à base de fibre optique va répondre à des besoins de débits toujours plus importants. Un système de transmission optique est composé de trois éléments principaux (figure I.1) : un émetteur, un canal de transmission et un récepteur. La fibre optique est le canal utilisé par excellence pour les transmissions optiques [1]. Figure I.1 : Système de transmission optique élémentaire [1]. Ce chapitre sera décliné en quatre parties. La première sera consacrée à la fibre optique, la seconde abordera les émetteurs du système de transmission optique, la modulation sera aborder en troisième partie, et enfin les récepteurs optiques dans la quatrième partie. 

 Fibre optique 

Une fibre optique est un mince filament cylindrique en verre qui permet de guider une onde électromagnétique [2]. Elle est très utilisée en télécommunications car elle permet des transmissions sur de grandes distances et sur une large bande de fréquences [2]. Émetteur optique Canal Récepteur optique Chapitre I : Système de transmission optique 5 La fibre optique consiste en une partie centrale, le cœur d’indice de réfraction n1, il transporte le signal optique. Entourée par une seconde partie qui est la gaine optique d’indice de réfraction n2, elle évite que le signal optique sorte du cœur [22] (voir figure I.2). Figure I.2 : Fibre optique [23]. – Le cœur: Composé de silice, de quartz fondu ou de plastique. C’est la couche la plus importante en termes de transmission optique qui permet de guider les informations d’un bout à l’autre de la fibre sans trop de pertes [2]. – La gaine optique: Qui est composée des mêmes matériaux que le cœur. Son indice de réfraction est inférieur à celui du cœur (différence de quelques millièmes), ce qui permet de réfléchir la lumière entièrement de multiples fois à l’interface cœur-gaine (phénomène de réflexion totale interne). La gaine optique n’étant pas destinée à transmettre la lumière, il n’est pas nécessaire que ses propriétés optiques soient aussi bonnes que celles du cœur. Le cœur et la gaine constituent la partie optique qui canalise et propage la lumière [2]. – La couche de protection: Permet le contact de la fibre avec des supports sans perturber le fonctionnement de la partie optique. Généralement en plastique, le tube n’intervient pas dans la Chapitre I : Système de transmission optique 6 transmission de la lumière. Il assure la protection mécanique de la fibre; il sert à la flexibilité de la fibre et facilite sa manipulation [2]. Loi de Snell-Descartes : normal  Figure I.3 : Réfraction d’un rayon lumineux [26]. n1 sin ș1 = n2 sin ș2 (I.1) Si n1 > n2 le rayon s’écarte de la normale. Si ș1 > arcsin (n2/n1), il y a réflexion totale. On voit apparaître les deux conditions d’injection de lumière dans une fibre optique : il faut que le faisceau qu’on veut injecter soit très étroit (de taille comparable au cœur) et que l’angle des rayons du faisceau par rapport à l’axe de la fibre soit assez petit pour qu’il y ait réflexion totale sur le dioptre cœur/gaine. Nous allons voir quel est l’angle maximal d’acceptance max pour qu’un rayon soit transmis par la fibre (voir figure I.4) [26]. On a : sin iL = n2/n1. (I.2) iL : angle d’incidence limite au-delà de laquelle on aura une réflexion totale Donc la condition de guidage dans le cœur est [26] : i  arcsin n2/n1. (I.3) Chapitre I : Système de transmission optique 7 1 2 1 2 Figure I.4 : Condition de réflexion totale dans le cœur et ouverture numérique (ON) [26]. Un rayon lumineux est incident avec un angle  sur la face d’entrée de la fibre. Il est réfracté avec un angle r tel que sin = n1 sin r. L’angle d’incidence de ce rayon sur le dioptre cœur/gaine est i = 90° − r [28]. Il y aura réflexion totale si i > iL, c’est à dire < max [26]. Or sin i = cos r =  1- sin2 r (I.4) Donc d’après la condition (I.3), sin2 r  1 − (n2/n1) 2 . Comme sin  = n1 sin r, on en déduit [26] : sin   n 2 –n 2 = sin max  O.N (I.5) L’ouverture numérique de la fibre est donc [26]: O.N = sin max = n 2 –n 2 (I.6) Avantages et inconvénients de la fibre optique : Contrairement à d’autres supports de transmission la fibre optique présente un inconvénient qui est le cout d’exploitation élevé mais offre de nombreux avantages pour les télécommunications [2]: -Très faibles pertes de transmission. – Bande passante très grande. – Immunité au bruit. – Absence de rayonnement vers l’extérieur. – Absence de diaphonie. Chapitre I : Système de transmission optique 8 – Isolation électrique. – Résistance aux températures élevées et aux produits corrosifs. – Poids et dimensions réduites.

 Emetteurs

 On distingue classiquement les diodes électroluminescentes (DEL) et les diodes laser (DL) selon le type de mécanisme mis en jeu pour l’émission de lumière (émission spontanée pour les DEL et émission stimulée pour les DL). Dans le cas des liaisons haut débit, seules les diodes laser, nettement plus performantes, sont utilisées

 Diode laser

 Le mot laser est l’acronyme de Light Amplication by Stimulated Emission of Radiation, signifiant littéralement ‘’amplification de lumière par émission stimulée de rayonnement’ Le premier ingrédient nécessaire est bien entendu était la découverte du photon par Planck et Einstein. Est venu ensuite le concept d’émission stimulée décrit pour la première fois par Einstein. La notion de gain optique n’est apparue qu’en 1950 avec les travaux de Kastler sur le pompage optique. En 1961 Bernard et Duraffourg (France) proposent, sur la base du concept de quasiniveau de Fermi, l’utilisation d’une jonction p-n semi-conductrice pour la réalisation de l’inversion de population [7]. L’émission stimulée : La présence de lumière sous forme d’énergie h lors de la désexcitation d’un atome provoque l’émission d’autres photons qui ont alors les mêmes caractéristiques (longueur d’onde et direction) que celui qui était présent au départ (figure I.5). Chapitre I : Système de transmission optique 9 E2-E1= E = h (I.7) Avant émission durant émission après émission État excite Photon incident État fondamental Atome en état excité atome en état fondamental Figure I.5 : Emission stimulée d’un atome [4]. Pour que l’émission stimulée puisse avoir lieu, il faut qu’il y ait plus d’atomes excités que d’atomes dans le niveau de base. On parle alors d’une « inversion de population » [5]. On peut obtenir de ce fait une réaction en chaîne de désexcitation des atomes qui conduit à l’émission d’une impulsion lumineuse de très grande puissance [5]. Inversion de population : que la probabilité de passer d’E2 à E1 soit plus grande que la probabilité de passer d’E1 à E2. Il faut donc qu’il y ait plus d’électrons dans l’état 2 que dans l’état 1. Pour qu’il y’ait émission stimulée il faut qu’il y’ait « inversion de population » entre 1 et 2. On peut l’obtenir grâce au pompage optique [4]. Le pompage optique : Pour obtenir l’émission stimulée, il faut que les atomes soient dans un état excité. Pour cela, il faut leur transmettre de l’énergie sous forme de décharges électriques ou à l‘aide d’un autre laser. Le pompage optique est cette action de transmettre de l’énergie aux atomes pour les faire passer dans un état excité [1]. La figure suivante montre le principe de fonctionnement du pompage dans un laser à quatre niveaux : Chapitre I : Système de transmission optique 10 Figure I.6 : Pompage optique dans un laser atomique à quatre niveaux [6]. Le système est pompé de l’état fondamental (0) dans l’état (3) par une excitation extérieure. Le niveau (3) se vide alors dans le niveau (2) et le niveau (1) se vide dans le niveau (0). Si la durée de vie dans l’état (2) est très supérieure aux durées de vie associées aux transitions (3)-(2) et (1)-(0), la population de l’état (2) augmente et celle de l’état (1) diminue [7]. Quand l’inversion de population est réalisée, c’est-à-dire quand l’état (2) est plus peuplé que l’état (1), tout rayonnement d’énergie induit dans le matériau davantage de transitions de haut en bas que de bas en haut, le milieu amplifie le rayonnement d’énergie, la condition d’effet laser est réalisée [7]. Dans le cas des semi-conducteurs, le problème est sensiblement différent. Alors que dans les lasers classiques les états électroniques sont localisés et de spectre discret. Dans les semiconducteurs, les niveaux d’énergie sont groupés dans des bandes permises où leur répartition est quasi-continue [7]. Une diode laser à semiconducteur utilise une jonction de type P-N pour émettre de la lumière. Pour obtenir une émission laser, il est nécessaire d’avoir une inversion de population. A l’équilibre, c’est-à-dire sans excitation externe, le niveau de Fermi dans la diode est constant (Figure I.7) [6]