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Les différents principes de transmission des données par fibre optique

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par Emmanuel BONGALI ATATAMA
Institut supérieur d'informatique programmation et analyse RDC - Graduat 2011
  

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1

INTRODUCTION GENERALE

0.1. HISTORIQUE

A l'époque de grecs anciens, le phénomène du transport de la lumière était déjà connu.

La première démonstration scientifique du principe de réflexion totale interne fût faite par les physiciens Français Jean-Daniel COLLADON et Jacques BABINET à Paris au débit des années 1840 (1).

En 1854, l'irlandais John TYNDALL répéta l'expérience devant la société ROYAL BRITANNIQUE.

En 1880, Alexander GRAHAM BELL avait mis au point le photophone qui était la première tentative de communication optique.

En 1927, BAIRD et HANSELL tentèrent de mettre au point un dispositif d'images de télévision à l'aide de fibres de verre.

Quelques années plus tard, en 1930, Heinrich LAMM réussit à transmettre l'image d'un filament de lampe électrique grâce à un assemblage rudimentaire des fibres de quartz.

Cependant, il était encore difficile à cette époque de concevoir que ces fibres de verre puissent trouver une application.

La première application fructueuse de la fibre optique a eu lieu au début des années 1950, lorsque le fibroscope flexible fût inventé par VAN HEEL et HOPKINS.

Malheureusement, la transmission ne pouvait pas être faite sur une grande distance.

En 1957, la fibroscopie (Ende-scopie flexible médicale), fut inventée par BASIL HIRSCHOWITZ aux Etats-Unis.

La télécommunication par fibre optique restent impossibles jusqu'à l'invention du Laser en 1960.

Dans sa publication de 1964, Charles KAO, des standards Télécommunication LABORATOIRES, découvrait un système de communication à longue distance et à faible perte en mettant au profil l'utilisation conjointe du Laser et de la fibre optique.

1 COLLADON, J.D., les réflexions d'un rayon de lumière à l'intérieur d'une veine liquide parabolique, Comptes Rendus 15, 800, 1842 in la fontaine laser (laboratoire de physique des lasers), (Archive).

2 http// Wikipedia.com ; Livre blanc sur les autoroutes de l'information 1994

3http// Wikipedia.com ; blog Pixmania : 5.5 Millions de nouveaux abonnés à la fibre optique [Archive]

2

Peu à près, en 1966, il démontra expérimentalement avec la collaboration de Georges HOCKMAN, qu'il était possible de transporter des données sur une grande distance sous forme de la lumière grâce à la fibre optique.

En 1970, trois scientifiques de la compagnie CORMING GLASS WORKS de News York : Robert MAURER, Peter SCHULTZ et Donal KECK, produisirent la première fibre optique avec de perte phase suffisamment faible pour être utilisée dans le réseau des télécommunications.

Le premier système de communication téléphonique fût installé au centre-ville du Chicago en 1977.

En France, la DGT à installer la première liaison optique à Paris entre les centraux téléphoniques des TUILERIES et Philipe-Auguste.

On estime qu'aujourd'hui, plus de 80% des communications à longue distance sont transportées le long de plus de 25 millions de kilomètres de câbles à fibre optique partant dans le monde.

La fibre optique, s'est limitée dans une première phase (de 1984 à 2000), à l'interconnexion des centraux téléphoniques, eux seuls nécessitant de forts débits.

Cependant, avec la baisse de coûts entrainée par sa fabrication en masse et les besoins croissants des particuliers en très hauts débit, on a envisagé depuis 1994 (2) et 2005 son arrivée voir même chez les particuliers. (3)

0.2. OBJECTIF DU TRAVAIL

A savoir que, la fibre optique est un guide d'onde qui exploite les propriétés réfractrices de la lumière.

Les objectifs visés dans ce travail consistent de mettre ensemble tous les principes possibles à l'étude sur la transmission des données par fibre optique, de connaitre aussi les différents avantages que la technologie apporte et enfin de comprendre la notion sur la propagation de la lumière.

3

0.3. PROBLEMATIQUE

La problématique étant définie, comme l'ensemble des questions que les chercheurs se posent pour son travail, dans le cadre de notre étude plusieurs questions peuvent se poser à savoir :

- Pourquoi transmettre les données par la fibre optique ?

- Pourquoi une fibre optique présente-t-elle un support approprié pour des liaisons des hauts débits ?

- Quelle sont les différents avantages que la fibre optique représente pour la transmission des données ?

0.4. HYPOTHESE

L'hypothèse consiste à apporter quelques pistes des solutions provisoires aux questions soulevées à la problématique.

Pour répondre à toutes ses questions, nous préférons faire une étude sur les principes de transmission des données par fibre optique.

0.5. DELIMITATION DU SUJET

Notre sujet est délimité dans le temps et dans l'espace. ? Dans l'espace

Compte tenu de la complexité du domaine de télécommunication, nous allons nous limiter aux principes de transmission des données par fibre optique.

? Dans le temps

Notre travail couvre la période allant du mois de novembre 2011 au mois de juillet 2012.

0.6. CHOIX ET INTERET DU SUJET

Nous avons opté notre choix sur ce thème afin d'avoir de l'information sur la transmission des données par fibre optique.

Notre intérêt est aussi de comprendre les différents principes utilisés dans la transmission des données à grande distance et à la forte capacité d'information avec la fibre optique.

Voilà en bref, le mobile de choix et intérêt scientifique de notre sujet.

4

0.7. TECHNIQUES ET METHODES UTILISES

0.7.1. Méthodes

Par sa définition, qui est une démarche raisonnée, suivie pour parvenir à un but, nous allons utiliser des méthodes suivantes :

- Méthode analytique : nous permettra de décomposer les éléments de la transmission pour en dégager les spécificités ;

- Méthode fonctionnelle : nous permettra d'expliquer les principes de base de la transmission des données par fibre optique.

0.7.2. Techniques

Les techniques suivantes seront utilisées dans ce travail, à

savoir :

- La technique documentaire : elle nous permettra de consulter des ouvrages appropriés pour notre étude ;

- La technique de recherche sur le net : elle nous permettra d'accéder aux sites traitant des éléments essentiels pour notre sujet ;

- La technique d'enquête et d'interview : elle nous permettra à descendre sur le terrain afin d'avoir le contact avec les experts à la matière.

0.8. SUBDIVISION DU TRAVAIL

Hormis la partie introductive et la conclusion générale, ce présent travail de fin de cycle portera ainsi trois chapitres, à savoir :

- Chapitre I : Généralité sur la transmission des données ;

- Chapitre II : Présentation d'une fibre optique ;

- Chapitre III : Différents principes de transmission des données par fibre optique.

5

CHAPITRE 1 : GENERALITE SUR LA TRANSMISSION

DES DONNEES

1.1. INTRODUCTION

Transporter l'information d'un point à un autre nécessite l'établissement d'une série des conventions concernant les supports de transmission, les grandeurs physiques liées à la propagation et une étude sur la

propagation du signal.

Cet ensemble des conventions permettra de qualifier une transmission et de définir ses possibilités d'emploi.

1.2. ETUDE SUR LA PROPAGATION DU SIGNAL

1.2.1. ORGANISATION D'UNE CHAINE DE TRANSMISSION (figure 1.1.)

L'organisation d'une chaine de transmission se présente de façon suivante (4) :

Figure 1.1 : chaine de transmission

a. Signal à transmettre :

- Signal analogique : audio ou vidéo

- Signal numérique : vidéo, téléphonie, donnée informatique

b. Modulateur :

Un signal ne peut pas se propager seul, il doit y avoir pour support un

signal porteur sera modulé par le signal à transmettre (figure 1.2) (5)

4 BISSIERES, Ch., Transmission du signal (physique appliquée), P.1

5 Idem

6

Figure 1.2 : Principe d'une modulation

c. Emetteur :

C'est le dispositif qui permet la transmission par onde électromagnétique du signal modulé (6).

Nous avons plusieurs types d'émetteurs : Emetteur en AM et en FM

d. Récepteur :

Il reçoit des ondes électromagnétiques, sélectionne et reconstitue le signal modulé transmis par l'émetteur (7).

Comme pour l'émetteur nous avons des récepteurs en AM et en FM

1.2.2. GRANDEURS PHYSIQUES LIEES A LA PROPAGATION

Nous avons plusieurs grandeurs physiques liées à la propagation d'un signal, parmi lesquelles, nous citons:

a. Fréquence :

Elle est notée généralement f, est se définit comme l'inverse de la période par la relation suivante (8) :

(1)

La fréquence s'exprime en hertz (Hz), elle est aussi le nombre d'oscillations d'un phénomène périodique (9).

6 BISSIERES, Ch., Op.cit., P. 1

7 Idem

8 Http// www.Wikipedia.com : recherche sur la fréquence

9 Idem

7

A titre d'exemple (10):

- Canal TV 28 : 527,25 Mhz pour l'image et 533,75 Mhz pour le son ; - Bande FM : de 87,5 Mhz à 108 Mhz ;

- Radio et TV satellite : de 10,7 GHz à 12,75 GHz

b. Période :

Notée généralement T, est définie comme l'inverse de la fréquence (11).

(2)

c. Vitesse de propagation :

C'est la vitesse v de l'onde en .

Elle est donnée par la relation :

(3)

v

Avec :

: Permittivité du milieu dans le vide :

F/m (4)

u : Perméabilité du milieu dans le vide :

H/m (5)

d. Longueur d'onde :

La longueur d'onde est définie comme étant la distance parcourue par l'onde pendant une période d'oscillation (12).

Donnée par la formule suivante :

(6)

10Http/ www.Wikipedia.com : recherche sur la fréquence op.cit.

11 Http/ www.Wikipedia.com : recherche sur la période

12 BISSIERES, Ch., Op.cit., P.1

8

1.2.3. MILIEU DE TRANSMISSION

Le milieu de transmission n'est rien d'autre que le canal de propagation d'un signal qui sera développé au paragraphe 1.3.2.

1.3. SUPPORTS DE TRANSMISSION

1.3.1. CARACTERISTIQUES DES SUPPORTS DE TRANSMISSION

a. Bande passante (B.P)

Elle est définie comme étant un intervalle des fréquences auquel l'amplitude de réponse d'un système correspond à un niveau de référence, donc sur lequel ce système peut être considéré comme "Fiable" (13). La figure 1.3 nous illustre la trace de la B.P d'un système.

Figure 1.3 : trace de la B.P d'un système.

Les transmissions (lignes, amplificateur) ne transmettent pas toutes les harmonies du signal de façon identique.

Les signaux sont transmis avec une distorsion faible jusqu'à une certaine fréquence appelée "Fréquence de coupure".

Au-delà de cette fréquence, toutes les harmonies sont fortement atténuées.

On appelle bande passante (figure 1.3), l'espace de fréquence telle que tout signal appartenant à cet intervalle, ne subisse plus, un affaiblissement déterminé par rapport à un niveau de référence.

L'affaiblissement exprimé en décibel (dB), est donné par la relation :

(7)

Avec :

P1 : puissance du signal à la sortie

P0 : puissance du signal en référence

13 SERVIN, Cl., RÉSEAUX ET TÉLÉCOMS et exercices corrigés, Paris 2003, P.46

14MALVINO, A.P. et BATES, D.J., Electronic principles, McGraw-Hill Science, 2006 (ISBN 0073222771 et 0071108467), p. 563-577

9

La bande passante est généralement définie pour une atténuation en puissance de moitié, ce qui correspond a -3dB (figure 1.4).

Figure 1.4 : Bande passante a -3dB

La largeur d'un signal correspond à la bande passante minimale que le système doit posséder pour restituer correctement l'information.

Ainsi, la bande passante qualifie le système tandis que la largeur de bande qualifie le signal.

Notons que le terme de la bande passante est utilisé non seulement pour désigner un espace fréquentiel (Bande passante exprimée Hz), mais aussi pour qualifier le débit binaire d'un système (bande passante exprimée en bit/sec).

Exemples de B.P (14):

- Sons audibles : 20 Hz-20 KHz

- Voix : 50 Hz-3 KHz

- Signal téléphonique : 300 Hz-3400 Hz

- Sons qualité radio FM : 40 Hz-15 KHz

- Signal de télévision PAL pour 1 canal : 6 MHz

- Signal de télévision SECAM pour 1 canal : 8 MHz b. Impédance Caractéristique (figure 1.5)

La notion d'impédance en courant alternatif recouvre une notion similaire à celle de résistance en courant continu, elle s'exprime en Ohm.

Le rapport du/di pour une ligne supposée de longueur infinie s'appelle "Impédance caractéristique", notée Z qui est donnée par la relation suivante :

[

R +j . L . (8)
G +j .C.WW

10

Pour une ligne sans perte (c'est-à-dire R=0 et G=0) nous avons :

v Lc (9)

Avec :

w= 2.ð.f ; qui est la pulsation du courant exprimé en radiance/sec

Z , ou impédance caractéristique, est l'impédance d'une ligne de longueur finie, on montre (la figure 1.5), qu'une ligne de longueur finie refermée sur un récepteur, dont l'impédance Z,.. est telle que Z,.. = Z , se comporte comme une ligne de longueur infinie.

Le transfert de puissance est maximum entre le générateur et le récepteur, la ligne est dite adaptée (adaptation d'impédance) (15).

Figure 1.5 : notion d'adaptation d'impédance

c. Coefficient de vélocité (Cv)

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. 108 m/s).

(10)

15 SERVIN, Cl., Op.cit, P. 50

11

1.3.2. SUPPORTS MATERIELS

a. PAIRE TORSADEE (figure 1.6)

Une paire torsadée est une ligne de transmission formée de deux fils conducteurs en roulés en hélice l'un autour de l'autre (16).

Figure 1.6 : Représentation d'une paire torsadée ou symétrique

Cette configuration a pour but de maintenir précisément la distance entre les fils et de diminuer la diaphonie.

Le maintien de la distance entre fils de paire permet de définir une impédance caractéristique de la paire, afin de supprimer les réflexions des signaux aux raccords et en tout ligne.

Les contraintes géométriques (épaisseur de l'isolant/diamètre du fil) maintiennent cette impédance autour de :

- 100 ohms pour les réseaux Ethernet en étoile ;

- 100 ou bien 105 ohms pour les réseaux Token Ring ;

- 100 ou bien 120 ohms pour les réseaux de téléphonie ; - 90 ohms pour les câbles USB.

Plus le nombre de torsade est important, plus la diaphonie est réduit, le nombre de torsade moyen par mètre fait partie de la spécification du câble, mais chaque paire d'un câble est torsadée de manière légèrement différente pour éviter la diaphonie.

L'utilisation de la signalisation différentielle symétrique permet de réduire d'avantage les interférences.

Il est apparu en 1983, et il est toujours utilisé de nos jours par exemple pour les connexions internet en réseau filaire.

Les paires torsadées ont été utilisées dans les câbles téléphoniques, y compris à longue distance, depuis la généralisation du téléphone du temps ou la gaine extérieur des câbles était en plomb, et isolant des fils en papier recouvrant une couche d'email.

16 SERVIN, Cl., Op.cit. P.51

12

Les paires torsadées sont souvent blindées afin de limiter les interférences aux paires ou à l'ensemble formé par celle-ci lorsque le blindage est appliqué à l'ensemble des paires, on parle d'écrantage.

Il existe plusieurs types des paires torsadées :

- Paires torsadées UTP ;

- Paires torsadées STP ;

- Paires torsadées téléphoniques.

b. CABLE COAXIAL

Le câble coaxial ou ligne coaxiale est une ligne de transmission ou liaison asymétrique, utilisée en hautes fréquences, composée d'un câble à deux conducteurs.

L'âme centrale, qui peut être monobrin ou multibrins (en cuivre ou en cuivre argenté, voir en acier cuivré), est entourée d'un matériel diélectrique isolant figure 1.7.

Le diélectrique est entouré d'une tresse conductrice (aux feuilles d'aluminium enroulées), appelées "Blindage", puis d'une gaine isolante et protectrice (17).

Figure 1.7 : câble coaxial

Ce type de câble est utilisé pour la transmission de signaux numériques ou analogique à haute ou basse fréquence.

L'invention est attribuée à l'américain Herman AFFEL (1893-1972) dont le brevet était accepté le 8 décembre 1931 est avait comme usages de se placer :

- Entre une antenne TV ("râteau" TNT ou parabole satellite) et un récepteur de télévision ;

- Dans le réseau câble urbain ;

- Entre un émetteur et l'antenne d'émission, par exemple une carte électronique WIFI et son antenne ;

- Entre des équipements de traitement du son (microphone, amplificateur, lecteur CD,...) ;

17SERVIN, Cl., Op.cit. P. 54

13

- Dans les réseaux de transmission des données telles qu'Ethernet dans ses anciennes versions 10 base 2 et 10 base 5 ;

- Pour les liaisons inter urbaines téléphoniques et dans les câbles sous-marins ;

- Pour le transport d'un signal vidéo, exemple camera filaire déportée, sur de distances significatives dizaines de mètre.

Le câble coaxial est maintenant remplacé par la fibre optique (Cfr 1.3.2.c) sur des longues distances (supérieures à quelque kilomètre).

Cela est déjà en application dans des pays développés.

L'avantage d'un câble coaxial sur une ligne bifilaire (est constitué de deux conducteurs parallèles séparés par un diélectrique) et il y a création d'un écran (cage de faraday) qui protège le signal a des perturbations électromagnétiques, il évite que les conducteurs ne produisent pas eux même de perturbation.

c. FIBRE OPTIQUE

Un faisceau de lumière (figure 1.8) au passage d'un milieu 1 vers un milieu 2, est réfléchi et est réfracté avec une déviation (passage dans le milieu 2).

L'indice de réfraction (n1, n2) mesure le rapport entre la vitesse de la propagation du rayon lumineux dans le vide et celle du milieu considéré, soit :

(11)

Ou n est l'indice de réfraction absolue du milieu.

Considéré c, la vitesse de la lumière dans le vide ( 3. 108/s), v la vitesse de propagation de la lumière dans un milieu considéré (figure 1.8).

Figure 1.8 : loi de Descartes

14

(12)

La loi de Descartes est donnée par :

Ou encore

(12)

Lorsque l'angle d'incidence augmente ( sin61), l'énergie réfractée diminue et l'énergie réfléchie augmente.

Si on augmente encore l'angle, la réfraction de toute l'énergie réfléchie, elle devient totale.

Cette propriété est utilisée pour réaliser des guides de lumière : la fibre optique.

Une fibre optique (figure 1.9) est composée d'un fil de silice appelé coeur, entouré d'une gaine appelé manteau et d'une enveloppe de protection.

La réflexion totale est assurée par des valeurs d'indices proches telles que

n >n est l'indice du coeur et n2 celui de la gaine (18).

1 2

Figure 1.9 : fibre optique (guide de la lumière)

d. SATELLITE

La nécessité de disposer des stations relais rend difficile la réalisation de liaisons hertziens à très grande distance, notamment pour les liaisons transocéaniques.

C'est pourquoi, dès les années 1960, on s'est orienté vers l'utilisation de satellites relais (19).

Ce n'est qu'avec l'apparition de porteurs capables de satelliser sur des orbites d'environ 36.000 Km qu'il a été possible de réaliser des liaisons permanentes

18 SERVIN, Cl., Op.cit. P. 55

19 Idem, P. 61

15

avec des satellites fixes par rapport à un observateur terrestre (satellite géostationnaire).

Ces satellites ont une période de révolution identique à celle de la terre (23h56 min), ils sont dits géosynchrones ou géostationnaires.

L'orbite équatoriale est de 42.164 Km, soit une altitude exacte au-dessus de la terre de 35.800 Km (20).

Une station terrestre émet vers le satellite un flux d'information (voie montante), le satellite n'est qu'un simple répéteur, il régénère les signaux reçus et les réémet en direction de la terre (voie descendante), la figure 1.10 illustre le principe d'une liaison satellitaire (21).

Figure 1.10 : Principe d'une liaison satellitaire

Pour utiliser un satellite comme point modal d'un réseau terrestre, et non comme simple relais de télécommunication ; il est nécessaire d'admettre plusieurs voies montantes, celles-ci sont alors en compétions pour l'accès au satellite (22).

Plusieurs techniques peuvent être utilisées :

- L'AMRF (accès multiple à répartition de fréquence) : consiste à diviser la bande chacune d'elle est réservée à une voie de communication ;

20 SERVIN, Cl., Op.cit. P.61

21 Idem

22 Ibidem

16

- L'AMRT (accès multiple à répartition de temps) : la porteuse est commune à tous les canaux de communication, mais chaque canal ne dispose qu'un intervalle de temps limité.

Ce mode d'accès nécessite une synchronisation entre les stations ;

- L'AMRC (accès multiples à répartition par code) : dans cette technique on attribue à chaque voie de communication un code.

Les informations codées sont envoyées simultanément, elles sont extraites du flux par décodage.

La bande des fréquences satellitaire est donnée par le tableau 1 ci-dessous (23).

Désignation

Gamme de fréquences

Bande L

De 1 à 2 GHz

Bande S

De 2 à 4 GHz

Bande C

De 4 à 8 GHz

Bande X

De 8 à 12 GHz

Bande Ku

De 12 à 18 GHz

Bande K

De 18 à 26 GHz

Bande Ka

De 26 à 40 GHz

Bande Q

De 30 à 50 GHz

Bande U

De 40 à 60 GHz

Tableau 1 : bandes de fréquence micro-ondes ou satellitaires

La synthèse des caractéristiques des différents systèmes satellitaires est donnée par le tableau 2 ci-dessous (24).

 

GEO

Géostationary Eart orbit

MEO Medium Eart orbit

LEO

Low

Eart orbit

Altitude

36.000 Km

2.000 à 12.000 Km

800 à 200 Km

Type d'orbite

Circulaire

Elliptique ou circulaire

Elliptique ou circulaire

Plan de rotation

Equatorial

Quelconque

Quelconque

Temps de transmission terres satellite

240 ms

110 à 150 ms

Environ 50 ms

Rémanence spatiale et temporelle (spatiale communiquer en tout point temporelle en un point à tout moment)

Oui

3 satellites couvrent la terre sauf les pôles

Non

L'orbite défilante constellation des satellites

Non

L'orbite défilante constellation des satellites

23 KISOKI, H., Cours d'hyper fréquence, (ISIPA, TM3, 2012) inédit, P.21

24 SERVIN, Cl., Op.cit. P.63

25 SERVIN, Cl., Op.cit. P.60

26 Idem,

17

Application

Téléphone fixe, télévision, transmission des données

Téléphone mobile, transmission des données

Téléphone mobile, transmission des données

Débit

Jusqu'à 155 Mbits/s

De 9,6 à 36 Kbits/s

De 2,4 Kbits/s à 155 Mbits/s

Tableau 2 : système des caractéristiques des différents systèmes de satellites

1.3.3. SUPPORT IMMATERIEL

Les ondes radioélectriques peuvent, dans certains cas, remplacer avantageusement les liaisons filaires (cuivre ou optique).

Les faisceaux hertziens, par analogie aux réseaux câbles peuvent être analogiques ou numériques.

Les débits peuvent atteindre 155 Mbits/s ils sont principalement utilisés pour des réseaux :

- De téléphonie (multiplexage fréquentiel ou temporel) ; - De transmission des données ;

- De diffusion d'émissions télévisées

Pour diminuer les puissances d'émission, la technique des faisceaux hertziens utilise des antennes très directives.

L'antenne réelle est placée au foyer optique d'une parabole qui réfléchit les ondes en un faisceau d'ondes parallèles très concentré, limitant ainsi la dispersion de l'énergie radio diélectrique (25).

En réception, l'antenne est aussi placée au foyer optique de la parabole, tous les rayons reçus parallèlement à l'axe optique de celle-ci sont réfléchis vers le foyer optique, on recueille ainsi le maximum d'énergie (figure 1.11) (26).

Figure 1.11 : principe des faisceaux hertziens

18

Les distances franchissables par les systèmes de transmission hertzienne peuvent atteindre 100 Km.

Pour couvrir des distances plus importantes, il faut disposer des relais passif qui sont utilisés dans les zones ou le relief est important.

Il s'agit des simples réflecteurs utilisés pour guider l'onde, par exemple : la suivie d'une vallée.

Les relais actifs nécessitent une infrastructure plus complexe, le signal recueilli est réuni en forme, amplifié puis retransmis.

Les faisceaux hertziens utilisent les bandes de 2 à 15 GHz et autorisent des débits de 155 Mbits/s.

Les faisceaux hertziens sont sensibles aux perturbations atmosphériques et aux interférences électromagnétiques une infrastructure hertzienne repose sur l'existence de canaux de secours qu'ils soient hertziens ou filaires.

Elles sont généralement utilisées, pour interconnecter deux réseaux privés, sur de courtes distances, de l'ordre de quelques certaines de mètres.

En cas d'obstacle à la place des infrarouges, on utilise le Bluetooth (27).

1.4. CONCLUSION

Les caractéristiques intrinsèques des supports conditionnent leur limite d'utilisations.

Cependant, le progrès important réalisé par l'électronique numérique recule de plus en plus ces limites.

Les modes de transformation des informations à un guide d'onde constituent une voie de recherche importante.

La présentation de ce guide d'onde (fibre optique) fera l'objet de l'étude du chapitre suivant.

27 KISOKI, H; op.cit.

Lorsqu'une fibre optique n'est pas encore alimentée, on parle de la fibre optique noire.

19

CHAPITRE 2 : PRESENTATION D'UNE FIBRE OPTIQUE

2.1. INTRODUCTION

La fibre optique est un guide d'onde qui exploite les propriétés réflectrices de la lumière.

Elle est habituellement constituée d'un coeur entouré d'une gaine (figure 2.1), le coeur de la fibre optique a une indice de réfraction légèrement plus élevée que la gaine confine la lumière qui se trouve entièrement réfléchie plusieurs fois à l'interface entre deux matériaux (en raison du phénomène réflexion totale interne).

L'ensemble est généralement recouvert d'une gaine plastique de protection.

2.2. PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT

Lorsqu'un rayon lumineux entre dans une fibre optique à l'une de ses extrémités avec un angle adéquat, il subit de multiples réflexions totales internes.

Ce rayon se propage alors jusqu'à l'autre extrémité de la fibre optique sans perte, en empruntant un parcours en zigzag.

La propagation de la lumière dans la fibre peut se faire avec très peu de pertes même lorsque la fibre est courbée.

Figure 2.1 : fibre optique

Un câble des fibres optiques contient généralement plusieurs paires de fibre. Chacune d'elle conduit un signal lumineux dans chaque sens.

20

2.3. FABRICATION

Pour la fabrication d'une fibre optique, la première étape est la réalisation d'une « préforme » : barreau de silice très pure, qui est composé d'un diamètre de plusieurs centimètres.

Il existe un grand nombre de processus pour concevoir une préforme des internes comme la méthode PCVD (Plasma Chemical Vapor Deposition), ou externes comme la méthode VAD (Vapor Axial Deposition).

Le paragraphe suivant décrit la méthode MCVD (Modified Chemical Vapor Deposition, dépôt chimique en phase vapeur modifiée) qui est la plus utilisée.

Un tube substrat est placé en rotation horizontale dans un tour verrier, des gaz sont injectés à l'intérieur et vont se déposer à l'intérieur sous l'effet de la chaleur produite par un chalumeau.

Ces gaz vont modifier les propriétés du verre (par exemple l'aluminium permet d'augmenter l'indice).

Les couches déposées sont ensuite vitrifiées au passage du chalumeau. Ensuite le tube est chauffé à haute température et va se refermer sur lui-même pour former la préforme (28).

L'opération de manchonnage permet par la suite de rajouter une couche de silice autour de la préforme pour obtenir la ration coeur/gaine voulue pour la future fibre.

La société ALCATEL a développé une technologie propriétaire APVD (Advanced Plasma and Vapor Deposition) pour remplacer l'opération de manchonnage qui est très coûteuse.

Le procédé APVD (communément appelé recharge plasma) consiste à faire fondre des grains de quartz naturel très pur sur la préforme primaire à l'aide d'un chalumeau plasma inductif.

L'association du procédé MCVD et de la recharge plasma pour la fabrication des fibres optiques monomodes qui a été mis au point en 1994 par la société ALCALTE.

Le procédé concerné consiste essentiellement à nourrir le plasma en grains de silice naturels ou synthétiques avec un composé additionnel fluoré ou chloré mélangé à un gaz porteur (29).

28 MAURY, J., Étude et caractérisation d'une fibre optique amplificatrice et compensatrice de dispersion chromatique (Thèse), Université de Limoges, 2003.

29 Il a révolutionné la fibre optique, in Arts et Métiers Magazine n°317, mars 2009

21

Ce procédé de purification constitue la seule alternative rentable connue aux techniques de dépôt externe.

Lors de la seconde étape, la préforme est placée en haut d'une tour de fibrage d'une quinzaine de mètres de hauteur.

L'extrémité de la préforme est alors dans un four porté à une température voisine de 2 000 °C.

Elle est alors transformée en une fibre de plusieurs centaines de kilomètres, à une vitesse d'un kilomètre par minute.

La fibre est ensuite revêtue d'une double couche de résine protectrice (cette couche peut être déposée par la tour de fibrage, juste après l'étirement) avant d'être enroulée sur une bobine.

Cette couche est particulièrement importante pour éviter toute humidité, car la fibre devient cassante sous l'effet de l'eau : l'hydrogène interagit avec la silice.

2.4. TYPES DE FIBRE OPTIQUE

Les fibres optiques sont classées en deux catégories selon le diamètre de leur coeur et la longueur d'onde utilisée.

Nous citons :

- Les fibres monomode ; - Les fibres multi-mode.

2.4.1. FIBRES MONOMODES (figure 2.2)

On préfère utiliser des fibres monomodes (dites SMF : Single Mode Fiber), pour de plus longues distances ou encore pour de plus hauts débits qui sont technologiquement plus avancées et plus fines.

Leur coeur très fin n'admet qu'un mode de propagation, le plus direct possible c'est-à-dire dans l'axe de la fibre.

Les pertes sont donc minimes (moins de réflexion sur l'interface coeur/gaine) que cela soit pour de très hauts débits et de très longues distances.

Les fibres monomodes sont de ce fait adaptées pour les lignes intercontinentales (câbles sous-marin), une fibre monomode n'a pas de dispersion intermodale.

22

Ces fibres monomodes sont caractérisées seulement des quelques micromètres par un diamètre de coeur (figure 2.2) (le coeur monomode est de 10 um pour le haut débit) (30).

Figure 2.2 : diamètre de coeur de la fibre monomode

2.4.2. FIBRES MULTI-MODES

Les fibres multi-modes (dites MMF, pour Multi Mode Fiber), ont été les premières sur le marché.

Elles ont pour caractéristique de transporter plusieurs modes (trajets lumineux).

Du fait de la dispersion modale, on constate un étalement temporel du signal proportionnel à la longueur de la fibre.

En conséquence, elles sont utilisées uniquement pour des bas débits ou de courtes distances.

La dispersion modale peut cependant être minimisée (à une longueur d'onde donnée) en réalisant un gradient d'indice dans le coeur de la fibre.

Dans cette catégorie de fibre optique, nous avons :

- Les fibres optiques à saut d'indice - Les fibres à gradient d'indice

a. FIBRE A SAUT D'INDICE

Les fibres optiques les plus simples consistent en un cylindre d'indice de

réfraction , entouré d'une gaine d'indice (figure 2.3).

Une telle fibre s'appelle fibre à saut d'indice, elle est souvent entourée d'un revêtement supplémentaire, généralement en plastique, qui offre une protection mécanique et chimique.

30 BISSIERES, Ch., Op.cit., P.6

23

Figure 2.3 : fibre optique à saut d'indice

Comme dans le cas du guide d'ondes plan, le rayonnement électromagnétique se propage le long de l'axe de la fibre dans une série de modes.

Les équations qui décrivent ces modes sont nettement plus compliquées que dans le cas du guide plan.

Nous ne les développons pas ici, mais nous nous contentons d'adapter les concepts étudiés dans le cas du guide d'ondes plan.

Dans le cas de ce dernier, le confinement se fait dans une seule direction (Oy), ce qui entraîne les modes caractérisés par un indice unique m.

Dans une fibre cylindrique à saut d'indice, le confinement se fait dans deux directions (Ox et Oy).

Les modes sont alors caractérisés par deux indices, l et m.

Comme dans le cas du guide d'ondes plan, on définit la fréquence normalisée dans la fibre optique à saut d'indice qui est donnée par la relation suivante :

2~[a / 2 2

V n1 -- n2 (14)

Avec :

et n2: d'indice de réfraction, où "a" est le rayon du coeur de la fibre.

La fibre ne propage qu'un seul mode si seulement V < 2,405.

Si V » 1, le nombre de modes est donné par la relation ci-après :

(15)

Le fait que le nombre de modes est proportionnel à V2 plutôt qu'à V est une conséquence dont chacun des indices l et m peut prendre un nombre de valeurs proportionnelle à V, ce qui donne un nombre de combinaisons proportionnelle à V2 qui est donné par le tableau 3 ci-dessous :

24

Tableau 3 : la fréquence, condition monomode et nombre de modes

En général, le nombre de modes dans les fibres multi-mode est très grand. On peut alors considérer que les directions de propagation sont distribuées de manière continue dans le coeur de la fibre.

b. FIBRE A GRADIENT D'INDICE

Nous savons que la dispersion modale limite fortement la bande passante d'une fibre optique.

Cette dispersion vient de la différence de temps de propagation des différents modes, suite à la différence de longueur des chemins parcourus.

Pour réduire cette dispersion, on fabrique des fibres telles que l'indice du coeur diminue progressivement vers l'extérieur, de sorte que les rayons qui s'écartent de l'axe de la fibre se propagent dans des vitesses très grandes.

Une telle fibre s'appelle fibre A GRADIENT D'INDICE (angl.: graded-index fiber, GRIN-fiber).

Le profil d'indice peut être décrit comme suit :

( ) v ( ) (16)

( ) v ( ) (17)

Avec :

- : coefficient caractérisant le profil d'indice

- : l'indice du coeur pour r=0,

- : l'indice de la gaine,

- : est le rayon du coeur et Ä est défini par :

25

(18)

[( ) ]

La figure 2.4 montre le profil d'indice d'une fibre à gradient d'indice dans le cas = 2.

Figure 2.4 : profil d'indice d'une fibre à gradient d'indice avec = 2

Pour comprendre la propagation de la lumière dans une fibre A GRADIENT D'indice, nous considérons un modèle plus simple.

Supposons que l'indice ne varie pas de manière continue, mais que le coeur de la fibre est constitué d'une série de couches cylindriques concentriques d'indice de réfraction de plus en plus petit (Figure 2.5).

Figure 2.5 : Propagation de la lumière à travers une fibre dont le coeur est composé de couches
minces d'indice de réfraction

Lors du passage d'une couche à la suivante, la réfraction dévie les rayons vers l'axe de la fibre.

A un moment donné, l'angle d'incidence sur la surface de séparation avec la couche suivante, est tel qu'il y a réflexion totale.

Les rayons suivent donc des trajectoires telles que celles indiquées à la figure 2.5, si la lumière entre dans la fibre sous un angle trop grand par rapport à l'axe, la condition de réflexion totale n'est jamais réalisée, et la lumière n'est pas guidée par la fibre.

Si on fait tendre l'épaisseur des couches vers zéro et qu'on augmente le nombre de couches, on obtient une fibre A GRADIENT D'indice réelle.

26

Dans ce cas, la lumière suit donc des chemins tels que ceux de la figure 2.6, pour autant qu'elle entre dans le cône d'acceptante de la fibre.

Figure 2.6 : propagation de la lumière dans une fibre à gradient d'indice

2.5. CARACTERISTIQUE

Les principaux paramètres caractérisant une fibre optique pour la transmission sont les suivant :

2.5.1. ATTENUATION

L'atténuation caractérise l'affaiblissement du signal au cours de

la propagation.

Soient et les puissances à l'entrée et à la sortie d'une fibre de longueur L,

l'atténuation linéaire se traduit alors par une décroissance exponentielle de la puissance en fonction de la longueur de la fibre (31) :

(19)

Avec :

: Coefficient d'atténuation linéaire, exprimé en dB/Km et relié à par dB= 4,343 .

Le principal de toutes les fibres optiques est une atténuation extrêmement faible.

L'atténuation se varie suivant la longueur d'onde.

La diffusion Rayleigh limite ainsi les performances dans le domaine des courtes longueurs l'onde.

Les fibres en silice connaissent un minimum d'atténuation vers 1 550 nm. Cette longueur d'onde du proche infrarouge sera donc privilégiée pour les communications optiques.

31 Loi de Beer-Lambert, in http// www.wikipedia.com: les caractéristiques de la fibre optique.

La dispersion modale de polarisation (PMD) est exprimée en Ps/km1/2 et caractérise l'étalement du signal.

27

De nos jours, la maîtrise des procédés de fabrication permet d'atteindre couramment une atténuation aussi faible que 0,2 dB/km à 1 550 nm : après 100 km de propagation, il restera donc encore 1 % de la puissance initialement injectée dans la fibre, ce qui peut être suffisant pour une détection.

Si l'on désire transmettre l'information sur des milliers de kilomètres, il faudrait avoir recours à une ré-amplification périodique du signal, plus généralement par l'intermédiaire d'amplificateurs optiques qui allient simplicité et fiabilité. Le signal subira des pertes supplémentaires à chaque connexion entre les fibres, soit par des traverses ou bien par soudure, cette dernière technique réduit très fortement ces pertes.

2.5.2. DISPERSION CHROMATIQUES

La dispersion chromatique est exprimée en Ps/nm ou km et caractérise l'étalement du signal lié à sa largeur spectrale (deux longueurs d'ondes différentes ne se propagent pas exactement à la même vitesse).

Cette dispersion dépend de la longueur d'onde considérée et résulte de la somme de deux effets : la dispersion propre aux matériaux, et la dispersion du guide, liée à la forme du profil d'indice.

Il est donc possible de la minimiser en adaptant le profil.

Pour une fibre en silice, le minimum de dispersion se situe vers 1 300-1 310 nm.

2.5.3. NON LINEARITE

Un canal de transmission est dit non linéaire lorsque sa fonction de transfert dépend du signal d'entrée.

L'effet Kerr, la diffusion Raman et l'effet Brillouin sont les principales sources de non linéarité dans les fibres optiques.

Parmi les conséquences de ces effets non-linéaires, on peut citer : - Auto-modulation de phase

- Mélanges à quatre ondes intra- et inter-canaux.

2.5.4. DISPERSION MODALE DE POLARISATION (PMD)

Dans de milieu à forte concentration d'ondes, il devient donc difficile d'utiliser ce type de câbles même en les protégeant par un blindage.

28

Ce phénomène est dû à des défauts dans la géométrie des fibres optiques qui entraînent une différence de vitesse de groupe entre les modes se propageant sur différents axes de polarisation de la fibre.

2.6. APPLICATION

2.6.1. TELECOMMUNICATION

La fibre optique grâce aux performances avantageuses qu'elle permet, est utilisée de plus en plus à l'intérieur des réseaux de télécommunications.

L'utilisation de boum d'Internet et des échanges numériques, se généralise petit à petit jusqu'à arriver chez le particulier.

Vue leur importance, les opérateurs et les entreprises ont été les premiers acquéreurs de fibres optiques.

Elles sont particulièrement appréciées chez les militaires pour son insensibilité aux IEM (Interférences électromagnétiques) et surtout pour sa légèreté.

Il faut cependant distinguer les fibres multi-modes et monomodes.

Les fibres multi-modes sont réservées aux réseaux informatiques à courtes distances (data center, entreprises et autres) alors que les fibres monomodes sont installées pour des réseaux à très longues distances.

Elles sont notamment utilisées dans les câbles sous-marins qui relient une partie des continents.

En arrivant dans les habitations via le réseau FTTH, la fibre optique apporte une révolution dans les télécommunications tant pour les particuliers qu'aux opérateurs publics ou privés.

2.6.2. RESEAUX INFORMATIQUES

Historiquement, les réseaux informatiques locaux, permettant de relier des postes informatiques qui jusque-là ne pouvaient pas communiquer entre eux, furent construits avec des câbles réseaux à base de fils de cuivre.

Le gros inconvénient de ces câbles est qu'il est très sensible aux perturbations électromagnétiques en tout genre (ascenseurs, courants forts, émetteurs, ...).

29

Mais surtout, l'inconvénient majeur est : le signal électrique transporté s'atténue très rapidement.

Si l'on veut relier deux équipements distants ne fût-ce que de quelques centaines de mètres (pour relier deux bâtiments entre eux par exemple), cela devient compliqué car le signal n'est presque plus perceptible une fois arrivé au bout du câble.

Sauf pour les cas particuliers liés notamment à des contraintes électromagnétiques spécifiques, les réseaux locaux (quelques dizaines de mètres) sont généralement réalisés sur de cuivre.

Lorsque la distance entre deux machines augmente, la transmission devient intéressante d'utiliser une fibre optique.

Une fibre optique peut notamment relier deux bâtiments, ou constituer un maillon d'un réseau informatique local, régional, continental, ou intercontinental.

La fibre optique fut très vite introduite dans les réseaux informatiques pour pallier les points faibles des câbles de cuivre.

En effet, la lumière qui y circule n'est pas sensible aux perturbations électromagnétiques et elle s'atténue beaucoup moins vite que le signal électrique transporté sur le cuivre.

2.6.3. AMPLIFICATION OPTIQUE

Les fibres dopées sont utilisées pour amplifier un signal. On les trouve également dans les lasers à fibres.

Les fibres à double-gaine sont de plus en plus utilisées pour le pompage optique de haute puissance.

2.6.4. CAPTEUR

Suite à des travaux de recherche dans les années 80, les fibres optiques peuvent être utilisées dans le domaine des capteurs (32).

32 Réseaux de capteurs à fibres optiques, Éd : techniques de l'ingénieur

30

Il y a :

- le gyromètre à fibre optique est un instrument utilisé par les navires, les sous-marins, les avions ou les satellites pour donner la vitesse angulaire. Il contient des fibres à maintien de polarisation;

- un réseau de Bragg inscrit dans une fibre optique peut donner des informations de contrainte ou de température.

2.6.5. DOMAINE DE L'ECLAIRAGE

Dès les années 1970, la fibre optique fut utilisée dans des luminaires décoratifs à variation de couleur.

À partir des années 1990, la fibre optique est utilisée pour véhiculer la lumière sur un trajet de quelques dizaines de centimètre depuis une source vers l'objet à mettre en valeur, permettant d'obtenir l'éclairage ponctuel et discret, pouvant être élégamment intégré à une vitrine de présentation, et offrant l'avantage de rayonner très peu d'infrarouge, en limitant ainsi le risque d'élévation de température à l'intérieur de la vitrine, néfaste aux oeuvres d'art.

2.6.6. MEDECINE

Un type d'endoscope, appelé fibroscope, utilise de la fibre optique pour véhiculer l'image de la zone à explorer jusqu'à l'oeil du médecin réalisant l'examen exploratoire.

2.6.7. CABLAGE EN RESEAU DANS LA CONSTRUCTION NEUVE

Le pré-câblage en fibre optique est en France obligatoirement pour les nouvelles constructions dont le permis de construire est délivré depuis le 1er janvier 2010 pour les bâtiments de plus de 25 logements.

Les copropriétés installeront les fibres de lignes à très haut débit dans les parties communes et sur des supports propres (avec éventuellement ceux des câbles téléphoniques).

31

2.7. CONNECTEURS DES FIBRES OPTIQUES

Les connecteurs des fibres optiques sont les dispositifs normalisés terminant une fibre optique et permettant de les raccorder aux équipements terminaux comme les SWITCHS, les HBA, les contrôleurs disques ou les librairies de sauvegarde dans un réseau de stockage SAN ou divers équipements utilisant la fibre optique.

Le domaine des connecteurs fibre comporte de très nombreux connecteurs différents existant sur le marché.

Mais un petit nombre d'entre eux est utilisé de façon significative.

La plupart des connecteurs sont normalisés par la commission électronique internationale (IEC).

Certains connecteurs comme le TOSLINK peuvent être utilisés dans le domaine de l'audionumérique.

Les différents types des connecteurs sont repris dans le tableau 4 ci-après (33) :

Nom

Norme

Type

Remarque

DIN LSA

IEC

61754-3

 

Obsolète

EC

IEC

61754-B

 

Telecom

FC

IEC

1754-13

 

Telecom

ESCOM

 
 

Mainfram IBM et compatible

ST

IEC

61754-2

Bainnette

Développé par AT&T

LX5

IEC

61754-23

 

Rarement utilisé

LC

IEC

61754-20

Snap

Lucent connector

MIC

 
 

Media interface connector (FDDI)

MU

IEC

61754-6

 

Utilisé au Japon

SC

IEC

61754-4

 

Très utilisé

MTRJ

IEC

61754-18

 

Media termination recommended Jack

SMA

905

 
 

Lasers industriels

TOSLINK

 
 
 

E-2000

IEC

61754-15

Snap

Telecom

Tableau 4 : différent types de connecteurs

33 KEISER, G., Optical Communications Essentials : 2003.

32

2.8. CONCLUSION

La fibre optique représente assurément le meilleur moyen actuel pour transporter de très hauts débits d'informations numériques, et les besoins dans ce domaine vont probablement augmenter très fortement dans un avenir proche.

Il est vraisemblable que la demande concernant un simple accès d'internet, d'ici quelques années, sera identique à ce que l'on attend aujourd'hui d'un réseau local (10 Mbits/s au moins).

Dans ces conditions, le panorama de l'information aura complètement changé. La téléphonie, la radio, la télévision et les transferts des données "informatiques" seront assurés par la même connexion, les interpénétrations de ces divers moyens d'informations seront beaucoup plus grands, c'est du moins un scénario tout à fait réalisé.

33

CHAPITRE 3 : LES DIFFERENTS PRINCIPES DE TRANSMISSION DES DONNEES PAR FIBRE OPTIQUE

3.1. INTRODUCTION

Depuis la nuit des temps, des peintures préhistoriques aux médias actuels, l'homme a toujours ressenti le besoin de communiquer, de transférer des données, de l'information au moyen d'un support de transmission appropriée.

Le "vouloir toujours plus" de l'homme l'a poussé à rechercher le moyen de transférer le maximum d'informations entre deux points de plus en plus éloignés et de plus en plus rapide.

A l'heure actuelle, ce besoin est rempli en utilisant la lumière (faisceaux lasers) comme onde porteuse dans un guide appelé : fibre optique.

Dans ce dernier chapitre, nous allons examiner les différents principes de transmission des données par fibre optique.

3.2. SCHEMA ET ELEMENTS D'UNE LIAISON OPTIQUE

La figure 3.1 ci-dessous nous indique le schéma simplifié d'une liaison optique

(34).

Figure 3.1 : schéma d'une liaison optique guidée

A partir du schéma de la figure 3.1 ci haut, nous avons comme éléments :

a. LE CODEUR :

Il adapte l'information numérique à transmettre (détection d'erreur, modulation numérique).

b. LE MODULE D'EMISSION :

Il transforme les signaux logiques en impulsions de courant

d'injection.

34 BISSIERES, Ch., Op.cit., P.4

34

c. L'EMETTEUR :

Il convertit les impulsions de courant en puissance lumineuse envoyée à l'entrée de la fibre optique.

d. LA FIBRE OPTIQUE (canal de transmission) : Il guide l'onde lumineuse.

e. LE RECEPTEUR :

Il reçoit la puissance lumineuse et la transforme en impulsion de courant (photodiode).

f. LE MODULE DE RECEPTION :

Il transforme les impulsions de courant en signaux logiques et élimine les distorsions dues à la propagation.

g. LE DECODEUR :

Il reconstitue l'information numérique de (démodulation et détection d'erreur).

3.3. AVANTAGES ET DESAVANTAGES D'UNE FIBRE OPTIQUE

Les fibres optiques offrent de nombreux avantages pour la télécommunication à savoir :

- Pertes très faibles : En fonction du type de fibre, l'atténuation du signal peut atteindre environ 0,2 dB/km pour une longueur d'onde de 1,55 11m, et d'environ 0,35 dB/km à 1,3 11m, ce qui correspond à une diminution de la puissance de 50% après 15 et 8,6 km respectivement.

Cela permet de réaliser des communications optiques sur des distances supérieures à 100 km sans amplification intermédiaire.

En diminuant ainsi le nombre d'amplificateurs intermédiaires, on augmente la fiabilité du système et on réduit les coûts de maintenance ;

- Bande passante très grande : Grâce aux fibres optiques, on peut transmettre des signaux digitaux à 5 Tb/s sur des distances de 1500 km (1 Tb/s = 0 2 bit/seconde) ;

35

- Immunité au bruit : Les fibres optiques sont des isolants, la transmission dans la fibre ne sera donc pas perturbée par des signaux électromagnétiques externes car Il ne sera pas nécessaire de prévoir un blindage électromagnétique coûteux.

Ceci représente un avantage particulièrement important dans l'environnement industriel où les perturbations électromagnétiques sont fréquentes ;

- Absence de rayonnement vers l'extérieur : La lumière est confinée à l'intérieur de la fibre optique.

Par conséquent, il n'est pas possible de détecter le signal entre l'émetteur et le récepteur.

Cela est particulièrement important pour garantir la confidentialité de la communication.

De plus, par son caractère isolant, la fibre optique ne rayonne pas d'ondes électromagnétiques et ne crée donc pas des perturbations électromagnétiques dans son environnement ;

- Absence de diaphonie : Pour la même raison, le problème de la diaphonie (passage du signal d'un câble à un autre voisin) qui est bien connu dans la communication par câble en cuivre, celle-ci n'existe pas dans les câbles des fibres optiques ;

- Isolation électrique : Comme les fibres optiques sont isolantes, le contact accidentel entre deux fibres ne provoque pas de court-circuit et de dégâts à l'électronique associée.

Par ailleurs, il n'y a aucun risque d'étincelle, comme il en est le cas avec les câbles en cuivre pendant le mauvais contact.

Les fibres optiques peuvent donc être installées sans risque dans les atmosphères inflammables ;

- Résistance aux températures élevées et aux produits corrosifs : Les fibres de verre résistent mieux aux produits corrosifs que les câbles en cuivre.

De plus, les fibres en verre supportent des températures proches à 800°C, ce qui les permet de résister au feu plus longtemps que les câbles en cuivre ;

Toutefois, d'autres parties du système de communication restent sensibles aux températures élevées (le revêtement protecteur en plastique, les connecteurs optiques, l'émetteur et le récepteur,) ;

36

- Poids et dimensions réduites : Le poids très faible des fibres par rapport à un câble en cuivre de la même capacité leur donne un avantage économique lors de leur installation.

En plus, elles conviennent particulièrement aux installations soumises à des contraintes de poids ou de volume sévère, telles que les avions, les bateaux, ...

3.4. NOTION SUR LA PROPAGATION DE LA LUMIERE

Lorsque la lumière est envoyée vers un corps, de nombreux phénomènes peuvent se reproduire suivant la nature du corps. D'où, il y a la réfraction et la réflexion (35).

3.4.1. REFRACTION

L'indice n d'un milieu est défini par la relation :

(20)

Avec :

- c = 3.108. m. s 1 (vitesse de la lumière dans le vide). - v = vitesse de la lumière dans un milieu (Cfr1.3.1.C)

Quelques indices de réfraction sont donnés par le tableau 5 ci-après :

Tableau 5 : quelques indices de réfraction

Loi de Descartes pour la réfraction (Cfr 1.3.2.c)

35 http://maths-sciences.fr: la réflexion et réfraction de la lumière

37

Lorsqu'un rayon lumineux passe d'un milieu transparent d'indice

à un milieu transparent d'indice , le rayon réfracté est dévié d'un angle
tel que :

(21)

Comme nous montre la figure 3.2 ci-après :

Figure 3.2 : loi de Descartes pour la réfraction

3.4.2. REFLEXION TOTALE

Supposons que le rayon incident provienne du milieu d'indice le plus élevé (n1>n2).

Quand on augmente l'angle jusqu'à avoir = ð/2 et on note l'angle.

Si on augmente encore , le rayon se réfléchit complètement sur la surface de séparation des deux milieux.

C'est le phénomène de réflexion totale (figure 3.3 ci-dessous).

Figure 3.3 : réflexion total

3.5. EMETTEUR OPTIQUE

3.5.1. DIODE ELECTROLUMINESCENTE (LED ou DEL)

Une diode électroluminescente (DEL) se symbolise comme suit (figure 3.4) :

Figure 3.4 : DEL

38

Une diode électroluminescente ou diode émettrice de lumière, abrégée sous les sigles DEL ou LED (de l'anglais light-emitting diode), est un composant optoélectronique capable d'émettre de la lumière lorsqu'elle est parcourue par un courant électrique.

Une diode électroluminescente ne laisse passer le courant électrique que dans un seul sens (le sens passant, comme une diode classique ; l'inverse étant le sens bloquant) et elle produit un rayonnement monochromatique ou polychromatique incohérent à partir de la conversion d'énergie électrique lorsqu'elle est traversée par le courant.

? Principaux semi-conducteurs (classement en fonction de X0 : longueur d'onde) :

- Si ? X0 = 1127 nm : (infrarouge lointain)

- GaAs ? X0 = 885 nm : (proche infrarouge)

- GaAs0, 6 P0, 4 ? X0 = 650 nm: (rouge)

- GaAs0, 35 P0, 65 ? X0 = 620 nm :( orange)

- GaAs0, 15 P0, 85 ? X0 = 564 nm : (jaune)

- GaPN ? X0 = 540 nm : (vert)

- GaN ? X0 = 354 nm : (bleu) mise au point récente.

? Répartition spectrale de l'énergie :

La courbe de la figure 3.5 ci-dessous représente la répartition spectrale d'énergie pour une diode infrarouge de type TIL32 utilisée, par exemple, dans les télécommandes.

On remarque que le spectre est large, ce qui signifie que l'énergie est répartie sur une large plage de longueur d'onde (la couleur n'est pas très "pure") (36)

Figure 3.5 : répartition spectrale d'énergie pour une diode infrarouge de type TIL32

36 BISSIERES, Ch., Op.cit., P.5

39

3.5.2. DIODE LASER (Light Amplification by stimulated emission of radiation)

Le symbole de la diode laser est donné par la figure 3.6 ci-dessous :

Figure 3.6 : diode laser

Une diode laser est un composant optoélectronique à base des matériaux semi-conducteurs.

Elle émet de la lumière monochromatique cohérente (une puissance optique) destinée, entre autre, transporter un signal contenant des informations (dans le cas d'un système des télécommunications) ou apporter de l'énergie lumineuse pour le pompage de certains lasers (lasers à fibre, laser DPSS) et amplificateurs optiques (OFA, Optical Fiber Amplifier).

La diode laser est un composant essentiel des lecteurs et graveurs de disques optiques.

Dans ce cas, elle émet le faisceau lumineux dont la réflexion sur le disque est détectée par une photodiode ou encore par un phototransistor.

Les lasers sont étiquetés en 5 classes selon le niveau de risque qu'ils représentent (37) :

- Classe 1 : sans danger

- Classe 2 (1mW) : émet uniquement dans le visible, sa puissance est suffisamment faible pour que le réflexe palpébral protège l'oeil (fermeture des paupières).

Exemple : pointeur laser.

- Classe 3A : lasers à rayonnement visible de puissance n'excédant pas 5 fois à la puissance d'un laser de classe 2 (5mW), de sorte que l'oeil soit encore protégé par le réflexe palpébral.

Exemple : mini-laser de spectacle ou lasers à rayonnement non visible de puissance.

- Classe 3B (15 mW) : lasers dangereux pour la vue en rayonnement direct, mais non pour la peau et rayonnement indirect.

Exemple : laser de spectacle.

37 KINCADE, K., Laser Marketplace 2005: Consumer applications boost laser sales 10% », in Laser Focus World, vol. 41, no 1, 2005

40

- Classe 4 : laser dangereux pour l'oeil et pour la peau.

La courbe figure 3.7 ci-dessous représente la répartition spectrale d'énergie pour une diode laser de type 670 nm (rouge) et 3mW utilisée, par exemple, pour des "visées laser" (38).

On remarque que l'énergie d'émission est concentrée sur une plus faible plage de longueur d'onde que pour une DEL, dont la couleur est assez "pure".

Figure 3.7 : répartition spectrale d'énergie pour une diode laser de type 670 nm

3.6. RECEPTEUR OPTIQUE

3.6.1. PHOTORESISTANCE

Son symbole se présente de la manière suivante (figure 3.8) :

Figure 3.8 : photorésistance

La photorésistance est une résistance variable en fonction de l'éclairement qu'elle reçoit.

Son principe est basé sur l'effet photoélectrique dans un semi-conducteur de type N (39).

Exemple : photorésistance VT 935 G :

- Pointe des réponses spectrales : 550 nm (vert - jaune) - Résistance pour E = 10 lux : 10 KO

38 BISSIERES, Ch., Op.cit., P.5

39 MAYE, P., Optoélectronique industrielle : conception et applications. Electronique, Paris, Dunod, 2001.

41

- Résistance d'obscurité : 1 Mû - Temps des réponses : 20 ms.

Caractéristiques générales :

- Bonne sensibilité

- Inertie élevée (temps des réponses importants) - Bruit de fond important.

La photorésistance est en général utilisée pour le contrôle automatique de luminosité (éclairage, appareils photo et caméra).

Elle est très peu utilisée dans les liaisons optiques à cause de son temps des

réponses élevées.

3.6.2. PHOTODIODE

Une photodiode a comme symbole (figure 3.9) ci-dessous :

Figure 3.9 : photodiode

Ce sont des diodes à jonction PN avec la région P fortement dopée.

Elles sont branchées en inverse (sens bloqué) et le courant négligeable dans l'obscurité deviendra important sous l'éclairement de la jonction.

Une photodiode est un composant électronique ayant la capacité de détecter un rayonnement du domaine optique et elle le transforme en signal électrique.

Exemple : photodiode Centronics AEPX 65 (grande vitesse) :

- Plage de longueur d'onde : 400 - 1000 nm (visible + infrarouge). - Pointe des réponses spectrales : 800 nm (rouge).

- Sensibilité (U = 5V et X = 820 nm) : 0,35 A / W.

- Temps de monté de courant photo : 1 ns.

Caractéristiques générales :

- Bonne sensibilité.

- Temps des réponses très faibles.

42

La photodiode est généralement utilisée dans les systèmes d'alarme, les codeurs optiques, la détection de fluctuation de lumière et la détection d'impulsions lumineuses rapides (fibres optiques).

3.6.3 PHOTOTRANSISTOR Voici son symbole (figure 3.10) :

Figure 3.10 : Phototransistor

Elle a le même caractéristique que la photodiode, sa sensibilité est très élevée, son courant de sortie est supérieur d'une centaine de fois à celui d'une photodiode, mais sa rapidité est moindre.

Le phototransistor joue le rôle de capteur, il laisse passer un courant d'intensité proportionnelle à l'intensité lumineuse reçue et il module le signal électrique dans le circuit en fonction de l'onde reçue.

Un phototransistor est un transistor bipolaire dont la base est sensible au rayonnement lumineux ; sa base est alors dite flottante puisqu'elle est dépourvue de connexion.

Lorsque la base n'est pas éclairée, le transistor est parcouru par le courant de fuite ICE0.

L'éclairement de la base conduit à un photo-courant Iph qu'on nomme courant de commande du transistor.

Celui-ci apparaît dans la jonction collecteur-base sous la forme suivant :

(22)

Le courant d'éclairement du phototransistor est donc le photo-courant de la photodiode collecteur-base multiplié par l'amplification â du transistor.

Sa réaction photosensible est donc nettement plus élevée que celle d'une photodiode (de 100 à 400 fois plus).

Par contre le courant d'obscurité est plus important.

43

3.7. CONCLUSION

La conduite à bon port de la fibre optique constitue le socle de moyen de transférer rapidement le maximum d'informations entre deux points éloignés et elle renforce l'intégration sous régionale.

44

CONCLUSION GENERALE

Nous voici arrivé au terme de notre travail intitulé : "Etude sur les différents principes de transmission des données par fibre optique".

Ce support de transmission présente certainement un meilleur moyen actuel pour le transport et échanges d'informations à de très haute débit.

Pour se faire, le dit travail a été subdivisé en trois chapitres.

Au premier chapitre, nous avons évoqué l'aspect général sur la transmission des données en insistant sur les éléments d'une transmission et les différents canaux utilisés dans la télécommunication.

Au deuxième chapitre, nous avons fait la présentation d'une fibre optique qui fait l'objet important dans ce travail.

C'est ainsi, nous avons expliqué sa fabrication, ses différents types d'utilisations et aussi ses quelques applications.

Au dernier chapitre, nous avons évoqué les différents principes de transmission des données par fibre optique en représentant les éléments essentiels d'une liaison optique.

Retenons que le déploiement à la fibre optique, nous sera très utile pour l'accès internet, la téléphonie, la radio, la télévision et les transferts des données à des très grandes distances et aussi à des débits importants (grande capacité des données).

Nous vous recommandons à connaitre les différentes classes de la fibre optique afin de la manipulée en tenant compte de niveau de leur risque pour ne pas préjudicier votre vie.

Ce travail étant une oeuvre humaine, il est plein d'irrégularité. Sur ce, vos remarques et suggestions constructives seront les bienvenues en vue de son amélioration.

45

BIBLIOGRAPHIE

I. OUVRAGES

1. Il a révolutionné la fibre optique, in Arts et Métiers, Magazine n°317, mars 2009.

2. KEISER, G., Optical communications essentials, 2003.

3. LECOY, P., Télécom sur Fibres Optiques, Hermès-Lavoisier, Paris, 2007 (ISBN 978-27462-1844-4).

4. MALVINO, A.P. et BATES, D.J., Electronic principles, McGraw-Hill Science, 2006 (ISBN 0073222771 et 0071108467), p. 563-577.

5. MAYE, P., Optoélectronique industrielle, conception et applications. Electronique, Paris, Dunod, 2001.

6. Réseaux de capteurs à fibres optiques, Techniques de L'ingénieur.

II. COURS, TRAVAUX ET ARTICLES

1. BISSIERES, Ch., Transmission du signal (physique appliquée), (Cours).

2. COLLADON, J.D., Les réflexions d'un rayon de lumière à l'intérieur d'une veine liquide parabolique, in Comptes Rendus 15, 800 (1842), in La fontaine laser (laboratoire de physique des lasers) (archives).

3. KINCADE, K., Laser Marketplace 2005 : Consumer applications boost laser sales 10% », in Laser Focus World, vol. 41, no 1, 2005.

4. KISOKI, H., Cours d'Hyper fréquence, (ISIPA, TM3, 2012), Inédit.

5. Loi de Beer Lambert, in http// www.wikipedia.com : recherche sur les caractéristiques de la fibre optique.

6. Loi de Descartes, in http://maths-sciences.fr: la réflexion et réfraction de la lumière.

7. MAURY, J., Étude et caractérisation d'une fibre optique amplificatrice et compensatrice de dispersion chromatique, (Thèse), Université de Limoges, 2003.

8. SERVIN, Cl., Cours RÉSEAUX ET TÉLÉCOMS : Exercices corrigés, Paris.

III. SITE WEB

- http://maths-sciences.fr: la réflexion et réfraction de la lumière

- http/ www.wikipedia.com : Livre blanc sur les autoroutes de l'information 1994 ;

- http/ www.wikipedia.com : 5.5 millions de nouveaux abonnés à la fibre optique [archive], blog Pixmania ;

- Http/ www.Wikipedia.com : recherche sur la fréquence - Http/ www.Wikipedia.com : recherche sur la période

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TABLE DE MATIERES

EPIGRAPHE I

DEDICACE II

REMERCIMENTS III

INTRODUCTION GENERALE 1

CHAPITRE 1 : GENERALITES SUR LA TRANSMISSION DES DONNEE 5

1.1. Introduction 5

1.2. Etude sur la propagation du signal 5

1.2.1. Organisation d'une chaine de transmission 5

1.2.2. Grandeur liée a la propagation 6

1.2.3. Milieu de transmission 8

1.3. Support de transmission 8

1.3.1. Caractéristique du support de transmission 8

1.3.2. Supports matériels 11

1.3.3. Supports immatériels 17

1.4. Conclusion 18

CHAPITRE 2 : PRESENTATION D'UNE FIBRE OPTIQUE 19

2.1. Introduction 19

2.2. Principe de fonctionnement 19

2.3. Fabrication 20

2.4. Types de fibre optique 21

2.4.1. Fibres monomodes 21

2.4.2. Fibres multi-modes 22

2.5. Caractéristique 26

2.5.1. Atténuation 26

2.5.2. Dispersion chromatiques 27

2.5.3. Non linéarité 27

2.5.4. Dispersion Modale de polarisation (PMD) 27

2.6. Application 28

2.6.1. Télécommunication 28

2.6.2. Réseaux informatiques 28

2.6.3. Amplification optique 29

2.6.4. Capteur 29

2.6.5. Domaine de l'éclairage 30

2.6.6. Médecine 30

2.6.7. Câblage en réseau dans la construction neuve 30

2.7. Connecteur optique 31

2.8. Conclusion 32

47

CHAPITRE 3 : les différents principes de transmission des données par fibre optique 33

3.1. Introduction 33

3.2. Schéma et éléments d'une liaison optique 33

3.3. Avantage et désavantage d'une fibre optique 34

3.4. Notion sur la propagation de la lumière 36

3.4.1. Réfraction 36

3.4.2. Réflexion totale 37

3.5. Emetteur optique 37

3.5.1. Diode électroluminescente 37

3.5.2. Diode laser 39

3.6. Récepteur optique 40

3.6.1. Photorésistance 40

3.6.2. Photodiode 41

3.6.3. Phototransistor 42

3.7. Conclusion 43

CONCLUSION GENERALE 44

BIBLIOGRAPHIE 45

TABLE DE MATIERES 46






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"Il faut répondre au mal par la rectitude, au bien par le bien."   Confucius