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Chapitre 4

Systmes et composants de la transmission par fibre optique

 

 

Objectifs: Dans ce chapitre, vous devriez apprendre :

Comment fonctionnent les liaisons de donnŽes ˆ fibre optique et les systmes de transmission

Quels composants sont utilisŽs dans les Žmetteurs-rŽcepteurs

Les types de sources et de dŽtecteurs utilisŽs dans les Žmetteurs-rŽcepteurs

Les paramtres de performance des systmes de transmission ˆ fibres optiques

 

 

Liaisons de donnŽes ˆ fibre optique

 

 

Les systmes de transmission ˆ fibres optiques utilisent des liaisons de donnŽes qui travaillent de manire similaire au schŽma ci-dessus. Chaque maillon de fibre se compose dÕun Žmetteur sur une extrŽmitŽ dÕune fibre et dÕun rŽcepteur ˆ lÕautre extrŽmitŽ. La plupart des systmes fonctionnent par transmission dans un sens sur une fibre et dans le sens inverse sur une autre pour un fonctionnement en duplex intŽgral. Il est possible de transmettre dans les deux sens sur une fibre mais il faut pour cela des coupleurs et la fibre est moins chre que les coupleurs. Les rŽseaux optiques passifs FTTH (PON) sont parmi les seuls systmes utilisant la transmission bidirectionnelle sur une seule fibre, car leur architecture de rŽseau est basŽe autour de coupleurs.

 

 

La plupart des systmes utilisent un Ç Žmetteur-rŽcepteur È qui inclut ˆ la fois lՎmetteur et le rŽcepteur dans un seul et mme module. LՎmetteur prend une entrŽe Žlectrique et la convertit en un signal de sortie optique ˆ partir dÕune diode laser ou LED. La lumire provenant de lՎmetteur est couplŽe dans la fibre avec un connecteur et est transmise ˆ travers le rŽseau de c‰bles ˆ fibre optique. La lumire provenant de lÕextrŽmitŽ de la fibre est couplŽe ˆ un rŽcepteur, o un dŽtecteur convertit la lumire en un signal Žlectrique qui est ensuite conditionnŽ de manire appropriŽe pour son utilisation par lՎquipement de rŽception.

 

Analogique ou numŽrique

Les signaux analogiques sont des signaux ˆ variation continue o lÕinformation contenue dans le signal est contenue dans lÕamplitude du signal au cours du temps. Les signaux numŽriques sont ŽchantillonnŽs ˆ des intervalles de temps rŽguliers et lÕamplitude est convertie ˆ des octets numŽriques afin que lÕinformation soit un nombre digital. Les signaux analogiques sont la forme naturelle de la plupart des donnŽes, mais ils sont sujets ˆ une dŽgradation ˆ cause du bruit dans le systme de transmission. A mesure quÕun signal analogique sÕaffaiblit dans un c‰ble, le rapport signal / bruit devient moins bon, aussi la qualitŽ des signaux se dŽgrade-t-elle. Les signaux numŽriques peuvent tre transmis sur de longues distances sans dŽgradation, Žtant donnŽ que le signal est moins sensible au bruit.

 

  

 

Les liaisons de donnŽes ˆ fibres optiques peuvent tre de nature soit analogique soit numŽrique, mais la plupart sont numŽriques. Les rŽseaux tŽlŽphoniques et informatiques sont numŽriques, la c‰blodistribution est actuellement analogique mais est en train dՐtre convertie au numŽrique, les systmes de surveillance par tŽlŽvision ˆ circuit fermŽ peuvent tre les deux.

Les liaisons analogiques et numŽriques ont certains paramtres critiques communs et des diffŽrences majeures. Pour les deux, la marge de perte optique ou bilan ŽnergŽtique est ce quÕil y a de plus important. Les liaisons de donnŽes analogiques seront testŽes par rapport au rapport signal / bruit pour dŽterminer la marge de liaison, tandis que les liaisons numŽriques utilisent le taux dÕerreur binaire comme mesure de la performance. Les deux liaisons nŽcessitent des tests sur toute la largeur de bande prŽvue pour le fonctionnement, mais la plupart des liaisons de donnŽes sont maintenant prŽvues pour une application de rŽseau spŽcifique, comme la c‰blodistribution AM ou des moniteurs couleur RVB pour des liaisons analogiques et de rŽseau optique synchrone (SONET), Ethernet ou canal ˆ fibre pour les liaisons numŽriques.

 

Conditionnement

Les Žmetteurs-rŽcepteurs sont gŽnŽralement emballŽs dans des paquets standard de lÕindustrie pour permettre ˆ plusieurs sources dՐtre logŽes dans des Žquipements de transmission. Les modules se connectent ˆ un connecteur duplex sur lÕextrŽmitŽ optique et une interface Žlectrique standard ˆ lÕautre bout. Les Žmetteurs-rŽcepteurs sont alimentŽs par lՎquipement sur lequel ils sont construits.

 

Sources pour les Žmetteurs ˆ fibre optique

 

Les sources utilisŽes pour les Žmetteurs de fibres optiques doivent rŽpondre ˆ plusieurs critres : elles doivent tre ˆ la longueur dÕonde correcte, tre capables de moduler suffisamment rapidement pour transmettre des donnŽes de manire efficace et tre couplŽes ˆ la fibre.

Quatre types de sources sont couramment utilisŽs, LED, lasers Fabry-Perot (FP), lasers ˆ rŽtroaction rŽpartie (DFB) et Žmetteurs-rŽcepteurs ˆ base microlaser (VCSEL). Tous convertissent les signaux Žlectriques en signaux optiques, mais sont par ailleurs des dispositifs tout ˆ fait diffŽrents. Toutes les quatre sont de minuscules dispositifs semi-conducteurs (puces). Les LED et VCSEL sont fabriquŽs sur des plaquettes semi-conductrices de telle sorte quÕils Žmettent de la lumire ˆ partir de la surface de la puce, tandis que les lasers DFB et PF Žmettent du c™tŽ de la puce, ˆ partir dÕune cavitŽ laser crŽŽe au milieu de la puce.

 

 

Les LED ont des puissances beaucoup plus faibles que les lasers et leurs modles de lumire en sortie, plus grands et divergents, les rendent plus difficiles ˆ coupler aux fibres, ce qui les limite ˆ un usage en fibres multimodes. Les lasers ont des sorties de lumire plus petites et plus resserrŽes et sont faciles ˆ coupler ˆ des fibres monomodes, ce qui les rend idŽaux pour les liaisons longue distance ˆ haute vitesse. Les LED ont beaucoup moins de bande passante que les lasers et sont limitŽes aux systmes dÕexploitation ˆ environ 250 MHz ou ˆ 200 Mb/s. Les lasers ont une capacitŽ de bande passante trs ŽlevŽe, la plupart dÕentre eux Žtant utile ˆ des valeurs bien supŽrieures ˆ 10 GHz ou 10 Gb/s.

En raison de leur procŽdŽ de fabrication, les LED et VCSEL ne sont pas chers ˆ fabriquer. Les lasers sont plus chers parce que la crŽation de la cavitŽ laser ˆ lÕintŽrieur du dispositif est plus difficile, la puce doit tre sŽparŽe de la plaquette de semi-conducteur et ˆ chaque extrŽmitŽ doit tre revtue avant que le laser puisse tre finalement testŽ pour voir sÕil fonctionne.

 

SpŽcifications de sources typiques pour fibres optiques

 

Type de pŽriphŽrique longueurs dÕonde (nm) Puissance en

Type dÕappareil

Longueur dÕonde (nm)

Puissance dans la fibre (dBm)

Bande passante

Types de fibre

LED

850, 1300

-30 ˆ -10

<250 MHz

MM

Laser Fabry-Perot

850,1310 (1280-1330), 1550 (1480-1650)

0 ˆ +10

>10 GHz

MM, SM

Laser DFB

1550 (1480-1650)

0 ˆ + 13

(+25 avec amplificateur ˆ fibre)

>10 GHz

SM

VCSEL

850

-10 ˆ 0

>10 GHz

MM

 

Les LED ont une bande passante limitŽe, tandis que tous les types de lasers sont trs rapides. Une autre grande diffŽrence entre les LED et les deux types de lasers est la sortie spectrale. Les LED ont un trs large spectre de sortie qui les fait souffrir de dispersion chromatique dans la fibre, alors que les lasers ont une sortie spectrale Žtroite qui souffre trs peu de dispersion chromatique. Les lasers DFB, qui sont utilisŽs dans les systmes DWDM et longue distance, ont la largeur spectrale la plus Žtroite, ce qui minimise la dispersion chromatique sur les liaisons les plus longues. Les lasers DFB sont Žgalement trs linŽaires (cÕest-ˆ-dire que la sortie de lumire suit directement lÕentrŽe Žlectrique), de sorte quÕils peuvent tre utilisŽs en tant que sources dans les systmes de tŽlŽvision par c‰ble AM.

 

 

Le choix entre ces dispositifs est dŽterminŽ principalement par des questions de vitesse et de compatibilitŽ de la fibre. Comme de nombreux systmes locaux utilisant de la fibre multimode ont dŽpassŽ des dŽbits de 1 Gb/s, les lasers (pour la plupart VCSEL) ont remplacŽ les LED. La sortie de la LED est trs large mais les lasers sont trs concentrŽs, et les sources auront un remplissage modal trs diffŽrent dans les fibres. Le lancement restreint du VCSEL ou de nÕimporte quel laser rend la largeur de bande effective de la fibre plus ŽlevŽe, mais la fibre optimisŽe pour le laser, habituellement OM3, est le choix qui sÕimpose pour les lasers.

 

 

 

LՎlectronique dÕun Žmetteur est simple. Ils permettent de convertir une impulsion dÕentrŽe (voltage) en une impulsion de courant prŽcis pour conduire la source. Les lasers sont gŽnŽralement pondŽrŽs ˆ un courant continu bas et modulŽs au-dessus de ce courant pondŽrŽ pour maximiser la vitesse.

 

DŽtecteurs pour rŽcepteurs ˆ fibres optiques

 

Les rŽcepteurs utilisent des dŽtecteurs ˆ semi-conducteurs (photodiodes ou photodŽtecteurs) pour convertir les signaux optiques en signaux Žlectriques. Les photodiodes de silicium sont utilisŽes pour les liaisons de courtes longueurs dÕonde (650 pour FOP et 850 pour la fibre de verre MM). Les systmes de longues longueurs dÕonde utilisent gŽnŽralement des dŽtecteurs InGaAs (arsŽniure de gallium indium) car ils ont moins de bruit que le germanium, ce qui permet des rŽcepteurs plus sensibles.

 

 

 

Les systmes ˆ trs grande vitesse utilisent parfois des photodiodes ˆ avalanche (APD) qui ont une capacitŽ de bande passante plus ŽlevŽe que les autres photodiodes. Les APD sont pondŽrŽs ˆ haute tension pour crŽer du gain dans la photodiode, ce qui augmente la sensibilitŽ et la capacitŽ de frŽquence. Ces appareils sont plus cožteux et plus compliquŽs ˆ utiliser, mais offrent des gains de performances.

 

Composants de transmission ˆ fibres optiques spŽciaux

 

Multiplexage en longueur dÕonde

Etant donnŽ que la lumire de diffŽrentes longueurs dÕonde ne se mŽlange pas ˆ lÕintŽrieur de la fibre, il est possible de transmettre des signaux ˆ plusieurs longueurs dÕonde diffŽrentes sur une seule fibre, et ce simultanŽment. Si la fibre elle-mme est peu cožteuse, lÕinstallation de nouveaux c‰bles peut tre onŽreuse, donc lÕutilisation de fibres installŽes pour transporter des signaux supplŽmentaires peut tre trs rentable.

Le multiplexage en longueur dÕonde (WDM) a ŽtŽ utilisŽ pour la premire avec la fibre multimode dans les premiers temps de la fibre optique, en utilisant ˆ la fois du 850 et du 1310 nm sur une fibre multimode. Actuellement, les rŽseaux monomodes peuvent transporter des signaux ˆ 10 Gb/s sur 64 longueurs dÕonde ou plus, ce qui est appelŽ Multiplexage en longueur dÕonde dense (DWDM). Les systmes multimodes par WDM ont eu moins de popularitŽ, mais certaines normes utilisent le WDM pour transporter des signaux multiples ˆ plus de 1 Gb/s sur de la fibre multimode optimisŽe pour le laser.

 

RŽpŽteurs et amplificateurs ˆ fibre

Mme sÕil est vrai que la faible perte de la fibre optique permet aux signaux de voyager des centaines de kilomtres, des lignes extrmement longues et les c‰bles sous-marins requirent des rŽgŽnŽrateurs ou rŽpŽteurs pour amplifier pŽriodiquement le signal. Au dŽbut, les rŽpŽteurs Žtaient essentiellement composŽs dÕun rŽcepteur suivi dÕun Žmetteur. Le signal dÕentrŽe Žtait converti dÕun signal lumineux ˆ un signal Žlectrique par un rŽcepteur, nettoyŽ pour enlever autant de bruit que possible, puis retransmis par un autre Žmetteur laser. Ces rŽpŽteurs ajoutaient du bruit au signal, consommaient beaucoup de puissance et Žtaient compliquŽs, raisons pour lesquelles ils Žtaient une source de problmes. Ils devaient Žgalement tre faits pour un dŽbit de transmission spŽcifique et la mise ˆ niveau rendait nŽcessaire le remplacement de tous les rŽpŽteurs : une t‰che vraiment difficile pour un c‰ble sous-marin !

 

La solution pour les rŽpŽteurs de fibre optique est lÕamplificateur ˆ fibre. LÕamplificateur ˆ fibre typique fonctionne dans la bande de 1480 ˆ 1650 nm. Il se compose dÕune longueur de fibre dopŽe ˆ lÕerbium pompŽe par un laser ˆ 980 ou 1480 nm. Le laser ˆ pompe fournit lՎnergie pour lÕamplificateur, tandis que le signal entrant stimule lՎmission de lÕimpulsion lorsquÕil passe ˆ travers la fibre dopŽe. LՎmission stimulŽe stimule plus dՎmission, il y a donc une croissance rapide et exponentielle de la puissance optique dans la fibre dopŽe. Des gains de > 40 dB (10Õ000 X) sont possibles avec des puissances de sortie de >+26 dBm (400 mW).

 

En plus dՐtre utilisŽs en tant que rŽpŽteurs, les amplificateurs ˆ fibre sont utilisŽs pour augmenter le niveau du signal pour les systmes de tŽlŽvision par c‰ble, qui exigent des niveaux de puissance ŽlevŽs au niveau du rŽcepteur pour maintenir le signal adŽquat en fonction de la performance de bruit, ce qui permet de plus longues longueurs de c‰ble ou, en utilisant des diviseurs, de Ç diffuser È un signal unique, ˆ travers un coupleur, vers de nombreuses fibres, ce qui permet dՎconomiser le cožt dՎmetteurs supplŽmentaires. Dans la tŽlŽphonie, les amplificateurs ˆ fibre sont combinŽs avec les DWDM (multiplexages en longueur dÕonde dense) pour surmonter les inefficiences de coupleurs DWDM pour la transmission longue distance.

 

Performance de liaison de donnŽe et bilan ŽnergŽtique de liaison

 

Mesurer la qualitŽ de la transmission de donnŽes

Tout comme avec le fil de cuivre ou la transmission radio, la performance de la liaison de donnŽes avec la fibre optique peut tre dŽterminŽe par la faon dont celle-ci transmet des donnŽes ; dans quelle mesure le signal Žlectrique reconverti sur le rŽcepteur correspond ˆ lÕentrŽe de lՎmetteur.

 

  

 

La capacitŽ dÕun systme ˆ fibres optiques pour transmettre des donnŽes dŽpend en dŽfinitive de la puissance optique au niveau du rŽcepteur, comme indiquŽ ci-dessus, o lÕon peut voir le taux dÕerreur binaire dans la liaison de donnŽes en fonction de la puissance optique au niveau du rŽcepteur. (BER, le taux dÕerreur binaire, est lÕinverse de rapport signal-sur-bruit, par exemple un haut BER signifie un pauvre rapport signal sur bruit.) Trop ou trop peu de puissance entra”nera des taux dÕerreur binaire ŽlevŽs. Trop de puissance et lÕamplificateur de rŽception sature, trop peu et le bruit devient un problme car il interfre avec le signal. La puissance du rŽcepteur dŽpend de deux facteurs fondamentaux : combien de puissance est envoyŽe dans la fibre par lՎmetteur et combien est perdue par lÕaffaiblissement dans lÕinstallation de c‰bles de fibre optique qui relie lՎmetteur au rŽcepteur.

 

Bilan ŽnergŽtique de la liaison

Le bilan ŽnergŽtique optique de la liaison est dŽterminŽ par deux facteurs, la sensibilitŽ du rŽcepteur, qui est dŽterminŽe dans la courbe de taux dÕerreur binaire ci-dessus, et la puissance de sortie de lՎmetteur dans la fibre. Le niveau de puissance minimum qui produit un taux dÕerreur binaire acceptable dŽtermine la sensibilitŽ du rŽcepteur. La puissance de lՎmetteur couplŽe dans la fibre optique dŽtermine la puissance transmise. La diffŽrence entre ces deux niveaux de puissance dŽtermine la marge de perte (bilan ŽnergŽtique) de la liaison.

 

 

 

Les liaisons ˆ haut dŽbit comme les LAN Ethernet dÕ1 ou 10 Gigabit sur ​​fibre multimode ont des facteurs de dŽclassement pour la bande passante de la fibre causŽs par la dispersion qui Žtale les impulsions des donnŽes numŽriques. Les anciennes fibres OM1 62,5/125 ne fonctionnent gŽnŽralement que sur des liaisons plus courtes alors que les liaisons sur fibre OM3 50/125 optimisŽe pour laser permettent de travailler sur de plus longues distances. Mme les liaisons interurbaines sur fibre monomode peuvent prŽsenter des restrictions causŽes par la dispersion chromatique ou modale de polarisation.

 

 

Si la liaison est conue pour fonctionner ˆ diffŽrentes vitesses de transmission, il est nŽcessaire de gŽnŽrer une courbe de performance pour chaque dŽbit binaire. Puisque la puissance totale du signal est fonction de la largeur dÕimpulsion et que la largeur dÕimpulsion varie selon le dŽbit binaire (les dŽbits binaires plus ŽlevŽs impliquent des impulsions plus courtes), la sensibilitŽ du rŽcepteur se dŽgrade aux dŽbits binaires plus ŽlevŽs.

 

Tous les fabricants de composants et de systmes de liaisons de donnŽes spŽcifient la sensibilitŽ de rŽcepteur de leurs liaisons (cela peut tre une puissance minimale requise) et la puissance minimum couplŽe dans la fibre depuis la source. Les valeurs typiques de ces paramtres sont indiquŽes dans le tableau ci-dessous. Pour pourvoir les tester correctement, un fabricant ou un concepteur de systme doit conna”tre les conditions dÕessai. Pour les composants de liaison de donnŽes, ceci comprend la frŽquence dÕentrŽe de donnŽes ou le taux binaire et le rapport cyclique, les tensions dÕalimentation et le type de fibre couplŽe ˆ la source. Pour les systmes, ce sera le logiciel de diagnostic que requiert le systme.

 

Paramtres de performance liaison/systme typiques de la fibre optique

 

Type de liaison

Fibre

Type de source/fibre

Longueur dÕonde (nm)

Puissance de transmission (dBm)

SensibilitŽ du rŽcepteur (dBm)

Marge de la liaison (dB)

TŽlŽcom

SM

Laser

1310/1550

+3 to -6

-30 ˆ -45

30 ˆ 40

 

SM

DWDM

1550

+20 ˆ 0

-30 ˆ -45

40 ˆ 50

DonnŽes

MM

LED/VCSEL

850

-3 ˆ -15

-15 ˆ -30

3 ˆ 25

 

MM ou SM

Laser

1310

-0 ˆ -20

-15 ˆ -30

10 ˆ 25

C‰blodistribution (AM)

SM

Laser

1310/1550

+10 ˆ 0

0 ˆ -10

10 ˆ 20

 

   

 

Parmi les connexions et rŽseaux de communications de donnŽes, il y a beaucoup de systmes ˆ fibres optiques spŽcifiques au fournisseur, mais il y a aussi un certain nombre de rŽseaux standards ˆ cette industrie, tels quÕEthernet, qui ont des versions spŽcifiques pour la fibre. Ces rŽseaux ont convenu de spŽcifications communes pour les produits de tous les fabricants afin dÕassurer lÕinteropŽrabilitŽ. Ç FOA Tech Topics È comprend un rŽsumŽ des spŽcifications pour nombre de ces systmes.

 

 

 

Questions de rŽvision

 

Vrai/Faux

Indiquez si lÕaffirmation est vraie ou fausse.

 

____            1. Les liaisons de fibre optique utilisent gŽnŽralement deux fibres pour les liaisons en duplex intŽgral (bidirectionnel).

 

____            2. Les LED ont une puissance de sortie et une bande passante supŽrieures aux lasers.

 

Choix multiples

Identifiez lÕoption qui complte le mieux lÕaffirmation ou rŽpond ˆ la question.

 

____            3. Les systmes de fibre multimode fonctionnant ˆ des vitesses dÕ1 Gb/s ou plus utilisent des sources _______________________.

A.

LED

B.

VCSEL

C.

Laser F-P

D.

Laser DFB

 

 

 

 

____            4. Le/la _______________________ dÕun laser rend la bande passante effective dÕune fibre multimode plus haute quÕavec des LED.

A.

Lancement de mode restreint

B.

Puissance supŽrieure

C.

Puissance infŽrieure

D.

Bande passante

 

 

____            5. Des liaisons de longueur dÕonde courte de 850 nm peuvent tre utilisŽes avec des dŽtecteurs de _______________________ dans le rŽcepteur.

A.

Silicone

B.

Germanium

C.

InGaAs

 

 

____            6. Des liaisons monomode de longues longueurs dÕonde dans la gamme de 1300-1650 nm doivent utiliser des dŽtecteurs de _____________________ dans le rŽcepteur pour une meilleure performance de sensibilitŽ.

A.

Silicone

B.

Germanium

C.

InGaAs

 

 

____            7. Les amplificateurs de fibre et DWDM fonctionnent dans la gamme de longueurs dÕonde de _______________________.

A.

650-850

B.

850-1300

C.

1300-1550

D.

1480-1650

 

 

RŽponses multiples

Identifiez la ou les option(s) qui complte(nt) le mieux lÕaffirmation ou rŽpond(ent) ˆ la question.

 

 

____            8. Les Žmetteurs-rŽcepteurs utilisent des sources ____________________ en raison de leur puissance couplŽe et bande passante supŽrieures.

A.

LED

B.

VCSEL

C.

Lasers F-P

D.

Lasers DFB

 

 

____            9. Les Žmetteurs-rŽcepteurs multimodes utilisent des sources ____________ selon leurs besoins en puissance couplŽe et bande passante.

A.

LED

B.

VCSEL

C.

Lasers F-P

D.

Lasers DFB

 

 

 

Etudes additionnelles et projets

Parcourez des sites internet de fabricants de sources, dŽtecteurs et Žmetteurs-rŽcepteurs pour la fibre optique et voyez quelles sont les spŽcifications de performances qui sont mentionnŽes et quelles sont les applications qui sont supportŽes.

En classe ou au laboratoire, montez une liaison de fibre optique et voyez comment cela fonctionne. La liaison peut tre construite ˆ partir de composants ou de convertisseurs de supports disponibles sur le marchŽ.

 

 

 

Table des matires 

 

 

T1-T2

 

The Fiber Optic Association, Inc.

1119 S. Mission Road #355, Fallbrook, CA 92028

TŽl : 1-760-451-3655 Fax 1-781-207-2421

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