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Contrôle de la dispersion chromatique dans les fibres optiques à  cristaux photoniques à  profil d'indice non standard

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par Ahmed OUADGUI
Université Abd El Malek Assaadi - Master 2010
  

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Chapitre 1 : ETUDE DE LA FIBRE OPTIQUE

1. HISTORIQUE ET GENERALITES [1.1]

1.1 Définition de la fibre optique

Une fibre optique est un guide d'onde cylindrique qui transmet l'information sous forme de lumière à travers des longues distances avec un débit élevé. Elle peut être représentée par une partie centrale (coeur) d'indice de réfraction n1 entourée d'une gaine dont l'indice de réfraction n2 est légèrement plus faible (Figure 1). Le coeur, constitué d'un matériau diélectrique transparent, est généralement de la silice dopée en oxyde de germanium GeO2 et/ou de potassium P2 O5.

La plupart des fibres optiques ont un coeur de symétrie cylindrique autour d'un axe noté Oz appelé axe de propagation. La section transverse présente une différence d'indice entre le coeur et la gaine qui peut être discontinue (fibre à saut d'indice) ou graduelle (fibre à gradient d'indice).

Figure.1 : schéma simplifié de la fibre optique

1.2. Historique

Dans les années 70 Les réseaux de télécommunication reposent sur deux types de systèmes : le câble coaxial et les faisceaux hertziens :

+ le câble coaxial possède, quant à lui, une longueur du pas de régénération beaucoup plus faible du fait de la très forte atténuation du milieu.

Le système de base de ces réseaux a une capacité de 140 Mbit/s avec un espacement entre chaque répéteur de l'ordre de 2 km. Les derniers développements sur ces lignes de transmission ont permet d'obtenir une capacité de 560 Mbit/s avec le même espacement entre répéteurs. Comme à l'époque les câbles interurbains disposaient typiquement de 8 à 12 paires, la capacité d'une ligne atteignait 2 ou 3 Gbit/s

+ Le réseau hertzien est basé sur une infrastructure de relais (distant d'environ 50 km les uns des autres) et utilise diverses bandes de fréquences essentiellement autour de 6/7 GHz et 11 GHz. De 1975 à 1985, la recherche se concentre sur les problèmes que pose l'augmentation de la bande passante liée au passage de l'analogique au numérique, et des développements importants voient le jour. Ainsi, des faisceaux hertziens permettant la transmission de 8 canaux (7 plus un canal de secours) à 140 Mbit/s, soit environ 1 Gbit/s sur un lien sont disponibles dès la fin des années 80. Le rendement spectral, qui représente l'efficacité dans l'utilisation du spectre, atteint alors environ 4 bit/s/Hz, grâce à des schémas de modulation performants.

En 1980, les premiers systèmes de transmission optique apparaissaient. Ce développement commercial est l'aboutissement de plus de deux décennies de recherche de base pour obtenir des composants et dispositifs (en particulier des sources), mais aussi des fibres dont l'atténuation est compatible avec les exigences d'un réseau de télécommunication : en 1970, la compagnie Corning Glass Works de New York, produit la première fibre optique avec des pertes suffisamment faibles (20dB/km) pour être utilisée dans les réseaux de télécommunications (actuellement les pertes sont de l'ordre de 0,15 dB/km).

Les premières années de la fibre optique sont marquées par des évolutions importantes :

> Le passage consécutif de la première fenêtre de transmission autour de

850 nm (fibre multimode) à la deuxième autour de 1310 nm (minimum

d'atténuation d'environ 0,3 à 0,4 dB/km), puis à celle autour de 1550 nm (minimum d'atténuation de 0,15 dB/km), qui est la norme aujourd'hui en matière de réseau. Ces changements de fenêtre de transmission ont été rendus possibles par l'amélioration des techniques de fabrication des préformes et au développement des sources optiques.

> Le passage de la fibre multimode, utilisée dans les premières expérimentations, à la fibre monomode dont la connexion est plus problématique mais, qui propose des débits sans rapport avec la première. La fibre multimode conserve cependant sa pertinence dans d'autres domaines tels que l'aéronautique par exemple.

Même si, dans les premières années, le réseau optique a un débit qui ne surpasse pas encore celui des lignes de transmission utilisant le câble coaxial, il présente quand même un avantage indéniable face à ce dernier : l'espacement entre chaque répéteur est plus important, de l'ordre de quelques dizaines de kilomètres (par exemple environ 70 km pour un système à 560 Mbit/s à 1550 nm).

L'avantage de la fibre optique par rapport au câble coaxial (augmentation du pas de régénération et donc diminution des répéteurs et des coûts de fabrication des lignes de transmission) va trouver un champ d'application dans le domaine des télécommunications très longues distances (en particulier dans les lignes de transmission sous-marines) : des câbles optiques furent envisagés dès lors que la fiabilité des composants optiques permet de les immerger. Le premier câble sousmarin transatlantique TAT 8 (Trans-ATlantic cable) utilisant des fibres optiques fut posé en 1988 et offre une capacité de 280 Mbit/s par paire de fibres à 1310 nm. TAT 9 qui suivit en 1991, travaille quant à lui à 1550 nm, avec une capacité de 560 Mbit/s par paire de fibres.

La notion de ligne de transmission «tout-optique» faisant appel exclusivement à la fibre optique apparaît au début des années 1990.

De 1992 à 1996, vont se bâtir les réseaux « tout-optique » de grande capacité utilisant la fibre monomode standard appelée G-652 dans la norme ITU-T, chaque fibre étant capable de transporter un débit de 2,5 Gbit/s avec un pas moyen de régénération de 90 km.

Cette évolution technologique des réseaux « tout-optique » a été rendue possible par la mise au point d'amplificateurs optiques dès la fin des années 80. En général, l'amplificateur utilise une fibre dopée à l'erbium dans laquelle se produit un mécanisme de transfert de puissance entre une pompe optique et le signal à transporter ; ainsi cela permet de contrôler sans conversion électrooptique la puissance des signaux transmis et compense les pertes subies lors de la propagation.

En 1995 le premier réseau sous-marin utilisant la technologie de l'amplification optique à fibre dopée à l'erbium (EDFA pour Erbium Doped Fiber Amplifier) est mis en service. Cette liaison longue de 6300 km (TAT 12, TAT 13) comporte 133 répéteurs en ligne et propose un débit total de 10 Gbit/s transmis sur deux fibres, équipées chacune d'une longueur d'onde modulée à 5 Gbit/s.

Enfin la véritable révolution technologique va se produire avec l'apparition du multiplexage en longueur d'onde ou WDM (pour Wavelength Division Multiplexing) qui amène donc une multiplication par un facteur considérable de la capacité du réseau. L'intérêt principal de cette technique, qui a fait sa popularité, est de pouvoir réutiliser la fibre déjà installée, ce qui n'entraîne pas de surcoût pour de nouvelles infrastructures

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