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Un câble à fibre optique est un média réseau capable de conduire des impulsions lumineuses modulées. Comparativement aux autres médias réseau traités dans ce cours, la fibre optique est plus onéreuse, mais elle est insensible aux interférences électromagnétiques et prend en charge des débits de données considérablement plus élevés. Un câble à fibre optique ne transporte pas d'impulsions électriques, contrairement aux médias réseau qui utilisent le fil de cuivre. Les signaux représentant les bits sont convertis en faisceaux lumineux. Bien que la lumière soit une onde électromagnétique, la transmission par fibre optique n'est pas considérée comme une transmission sans fil, car les ondes électromagnétiques sont guidées dans la fibre optique. Le terme sans fil est réservé aux ondes électromagnétiques rayonnantes ou non guidées par un média.

Les origines de la communication par fibre optique remontent à plusieurs inventions du XIXème siècle. Cependant, son utilisation date seulement des années 60, au moment de l'apparition des sources lumineuses du laser à semi-conducteurs et du verre de grande qualité exempt d'impuretés.  L'utilisation de la fibre optique a été déployée par les compagnies de téléphone qui ont rapidement évalué les avantages qu'elle présentait pour les communications longue distance. Le câble à fibre optique utilisé dans les réseaux comprend deux fibres logées dans des enveloppes distinctes. Lorsque vous examinez la coupe transversale d'un câble à fibre optique, vous voyez que chaque fibre est entourée d'un tampon protecteur généralement en matière plastique tel que le Kevlar

et que l'ensemble des fibres est protégé par une gaine externe. Cette gaine protège l'ensemble du câble. La gaine, habituellement en matière plastique, est conforme aux codes du bâtiment et de prévention des incendies. Le but du Kevlar est de fournir une protection supplémentaire aux fibres de verre qui sont très fragiles. Lorsque les câbles à fibre optique doivent être enfouis en raison des réglementations en vigueur, ils comportent parfois un fil d'acier inoxydable qui assure une plus grande résistance mécanique. Les parties de la fibre optique guidant la lumière sont appelées cœur et enveloppe.

Le cœur est habituellement en verre pur dont l'indice de réfraction est élevé. Il est enrobé d'une enveloppe de verre ou de matière plastique à faible indice de réfraction afin de retenir la lumière au cœur de la fibre. Ce processus, appelé réflexion interne totale, permet à la fibre optique d'agir comme un tuyau guidant la lumière sur de grandes distances, y compris dans les courbes.

Technique Réseau 1

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Il y a plusieurs manières pour coupler de la fibre optique:

- Le couplage mécanique de deux connecteurs mis bout à bout au moyen d'une pièce de précision. Le dessin ci-dessous montre l'union de deux connecteurs ST, mais il existe des coupleurs ST/SC ou ST/MIC.

 - Le raccordement par Splice mécanique qui est utilisé pour les réparations à la suite de rupture ou pour raccorder une fibre et un connecteur déjà équipé de quelques centimètres de fibre que l'on peut acquérir dans le commerce(Pig tail).

 La fusion au moyen d'un appareil à arc électrique appelé fusionneuse.

Technique Réseau 2

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Voyage au coeur de la fibre   :

Lorsqu'un faisceau lumineux heurte obliquement la surface qui sépare deux milieux plus ou moins transparents, il se divise en deux : une partie est réfléchie tandis que l'autre est réfractée, c'est à dire transmise dans le second milieu en changeant de direction. L'indice de réfraction est une grandeur caractéristique des propriétés optiques d'un matériau. Il est obtenu en divisant la vitesse de la lumière dans le vide (Cv=299 792 Km/s) par la vitesse de cette même onde dans le matériau. Plus l'indice est grand, et plus la lumière est lente. Ainsi, dans l'air, la vitesse de la lumière est à peu près égale à Cv ; dans l'eau, elle est égale à 75% de Cv; dans le verre, elle est égale à environ 55% ou 60% de Cv selon le type de verre.

C'est ce principe qui est utilisé pour guider la lumière dans la fibre. La fibre optique comprend ainsi deux milieux : le coeur, dans lequel l'énergie lumineuse se trouve confinée, grâce à un

second milieu, la gaine, dont l'indice de réfraction est plus faible. Les recherches menées dans les années 1970 ont conclu que la silice était un bon support pour des longueurs d'onde prises dans le proche infrarouge (850 nm - 1300 nm - 1500 nm).

La fabrication en série de lasers à semi-conducteurs dans ces longueurs d'onde est venue par la suite confirmer ce choix. Rappelons qu'un laser (light amplification by stimulated emission of

Technique Réseau 3

αδ

η1

η2 β

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radiation) ou amplification de la lumière par émission de radiation stimulée, est un dispositif qui amplifie la lumière et la rassemble en un étroit faisceau, dit cohérent, où ondes et photons associés se propagent en phase, au lieu d'être arbitrairement distribués. Cette propriété rend la lumière laser extrêmement directionnelle. Techniquement le laser combine trois phénomènes d'optique fondamentale : le pompage optique, l'émission stimulée de lumière et la résonance optique.

La fabrication d'une fibre optique passe par la réalisation d'une préforme cylindrique en barreau de silice. La silice est un composé oxygéné du silicium, de formule SiO2, présent dans un grand nombre de minéraux, tels que le quartz, la calcédoine et l'opale.

La fibre est ensuite étirée à partir de ce barreau. Son centre, qui constitue le coeur de la fibre, nécessite une silice très pure avec un minimum d'ions hydroxyles OH- .

Le coeur est entouré d'une silice de moindre qualité qui forme la gaine optique. On réalise un écart d'indice entre le coeur et la gaine en incorporant des dopants, tels que :- le germanium et le phosphore qui accroissent l'indice dans le coeur, - le bore et le fluor qui le font décroître dans la gaine.

Une préforme de verre d'une longueur de 1 m et d'un diamètre de 10 cm permet d'obtenir par étirement une fibre monomode d'une longueur d'environ 150 Km.

Les conditions de propagation   :

Rappel :η = C/V ≥ 1 connaissons que la vitesse de lumièreC = 3 ×108 =300000 Km/s

Technique Réseau

β

4

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Exemple : prenons le verre η = 1.4VV =(3 ×108) / 1.4 = 2 × 108 m/s = 200000

Constitution d'une fibre optique multimode.

On a : {η1 sin(α )=η2sin( β ) ¿¿¿¿

=> β ≥ 90° Pour que toute la lumière soit réfléchi on doit fabriquer une fibre à deux couches avec différance de cœfficient de réflexion pour ce la :

β = 90° => β2 = 90°

=>

η1 sin (α )=η2 sin 900

=> sin( α )=

η2

η1≤1

=> η1¿η2¿

Il existe deux types de la Fibre Optique : La fibre monomode :

Dont le cœur est fin, où le chemin de Propagation des différentes modes est pratiquement direct. La dispersion devient quasiment nulle, la bande passante transmise est presque infinie (10Ghz/km), cette fibre est utilisée essentiellement pour les sites à distance.

Le petit diamètre du cœur (10m) nécessite une grande puissance d’émission, donc des diodes au laser qui sont relativement onéreuses.

La fibre multimode : 

Les fibres multimodes ont un diamètre de cœur important (de 50 à 200 microns). Un rayon lumineux pénétrant dans le cœur de la fibre et à l'une de ses extrémités se propage longitudinalement jusqu'à l'autre extrémité grâce aux réflexions totales sur les parois de cylindre.

Technique Réseau

Cœur η1

Gaine η2

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Parmi les fibres multimodes, on distingue les fibres à faible indice* (saut d'indice) et les fibres à gradient d'indice (débit limité à 1 Gb/s). C’est le type de Fibre qui est utilisé à l’intérieur de bâtiment de l’entreprise et entre certains sites desservis par les PTT.

La fibre à saut d'indice 200/380 constituée d'un coeur et d'une gaine optique en verre de différents indices de réfraction. Cette fibre prov

oque de par l'importante section du coeur, une grande dispersion des signaux la traversant, ce qui génère une déformation du signal reçu.

La fibre à gradient d'indice dont le coeur est constituée de couches de verre successives ayant un indice de réfraction proche. On s'approche ainsi d'une égalisation des temps de propagation, ce qui veut dire que l'on a réduit la dispersion nodale. Bande passante typique 200-1500Mhz par km. C'est ce type de fibre qui est utilisé à l'intérieur des bâtiments de l'Université (62.5/125) et entre certains sites desservis par les PTT (50/125).

Figure 17 - Propagation de la lumière dans les trois types de fibres –

La longueur d’onde de la fibre optique   :

- La longueur d’onde de la lumière envoyée sur une fibre dépend principalement de l’émetteur.- A chaque fois que la longueur d’onde est importante, la vitesse sera importante.- Pour le multimode on utilise des LED qui peuvent générer des longueurs d’onde de 850 nm ou 1300

nm. - Pour le monomode on utilise des lasers qui peuvent générer des longueurs d’onde de 1310 nm ou 1550

nm.

Technique Réseau 6

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Affaiblissement de la lumière

en fonction de la longueur d'onde de la source

L'affaiblissement de la lumière dans la fibre est fonction de la longueur d'onde de la source. Elle est constante pour toutes les fréquences du signal utile transmis. Le dessin ci-dessus montre que l'affaiblissement est plus important dans le rouge (850nM) que dans l'infrarouge (1300-1550nM). 

L’atténuation du signale   :

L’atténuation du signale est minimisée en utilisant un diamètre du cœur faible et une longueur d’onde importante.

Le dessin indique comment se produit la réflexion des signaux lumineux en fonction de leur angle d'émission.

Ce qui démontre que le chemin parcouru n'a pas la même longueur pour tous les rayons. C'est ce que l'on appelle la dispersion nodale.

λ = 850 nm λ = 1300 nmMultimode 62,5 / 125 3.5 db/Km 1.5 db/Km

50 / 125 3.0 db/Km 1.0 db/KmMonomode 9 / 125 λ =1310 nm λ = 1550 nm

0.4 db/Km 0.3db/Km

La distance   :

λ = 850 nm λ = 1300 nmMultimode 62,5 / 125 d = 300 m d = 550 m

50 / 125 d = 550 m d =550 mMonomode 9 / 125 λ =1310 nm λ = 1550 nm

Technique Réseau 7

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(3 à 5) Km plus que 10 Km

La distance du signale est relative aux diamètre du cœur, plus le diamètre est petite la distance est longue.

Les Avantages   :

Très grande bande passante Faible volume, Grande légèreté (quelques grammes par Km), Très faible atténuation (régénération > 10 Km) Très bonne qualité de transmission, Résistance au chaud et au froid, pas de rayonnement (protection en cas d’application militaire),

Les Inconvénients   :

Coût d’installation et de maintenance très élevé. Difficile à mettre en œuvre. Difficulté de connectique (très délicate). Matériels actifs implémentés très coûteux.

Conversion des signaux électriques en signaux optiques :

Dans cette forme simplifiée de communication par fibre optique, les signaux électriques sont envoyés à partir de l’organe émetteur (PC, Téléphone) vers le modulateur celui ci module en suite l’intensité optique de la source, les signaux optiques ainsi obtenus sont transmis par guide d’onde en fibre optique puis détecté à la réception par un détecteur optique, ces signaux sont finalement convertir en signaux électriques par le démodulateur et sont reçus par l’organe récepteur.

Système de communication à fibre optique :

Organe Modulation Source Détecteur Démodulation Organe émetteur lumineuse optique récepteur

Signal lumineux

Le transceiver optique a pour fonction de convertir des impulsions électriques en signaux optiques véhiculés au cœur de la fibre. A l’intérieur des deux tranceivers partenaires.

Les signaux électriques seront traduit en impulsions optiques par une LED et lu par un phototransistor ou photodiode.

Technique Réseau 8

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Un système de transmission optique comporte 3 composants principaux :

- Un émetteur de lumière qui peut être :

* Une diode électroluminescente (LED Light Emitting Diode), Diode qui fonctionnent dans le rouge visible (850nM). C'est ce qui est utilisé pour le standard Ethernet FOIRL* Les diodes à infrarouge qui émettent dans l'invisible à 1300nM

- Transceiver optique -

* Les lasers, utilisés pour la fibre monomode, dont la longueur d'onde est 1300 ou 1550nM

- un guide cylindrique qui n’est autre qu’une fibre optique de 100 à 300 microns de diamètre et recouvert d’un isolant.

- un récepteur de lumière qui peut être :* une photo diode,* un photo transistor (Phototransistor).

Technique Réseau 9