Systmes 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 systmes
de
transmission
Quels
composants sont
utilisŽs dans les Žmetteurs-rŽcepteurs
Les
types de
sources et de dŽtecteurs utilisŽs dans les Žmetteurs-rŽcepteurs
Les
paramtres de
performance des systmes de transmission ˆ fibres optiques
Liaisons de donnŽes ˆ fibre
optique
Les
systmes de transmission
ˆ fibres optiques utilisent des liaisons de donnŽes qui travaillent de
manire
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 systmes 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 chre que les coupleurs. Les
rŽseaux
optiques passifs FTTH (PON) sont parmi les seuls systmes utilisant la
transmission bidirectionnelle sur une seule fibre, car leur
architecture de
rŽseau est basŽe autour de coupleurs.
La
plupart des systmes
utilisent un Ç Žmetteur-rŽcepteur È qui inclut ˆ la fois lÕŽmetteur et
le
rŽcepteur dans un seul et mme module. LÕŽmetteur prend une entrŽe
Žlectrique
et la convertit en un signal de sortie optique ˆ partir dÕune diode
laser ou
LED. La lumire provenant de lÕŽmetteur est couplŽe dans la fibre avec
un
connecteur et est transmise ˆ travers le rŽseau de c‰bles ˆ fibre
optique. La
lumire provenant de lÕextrŽmitŽ de la fibre est couplŽe ˆ un
rŽcepteur, o un
dŽtecteur convertit la lumire en un signal Žlectrique qui est ensuite
conditionnŽ de manire appropriŽe pour son utilisation par
lÕŽquipement 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 systme 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 dÕtre
convertie au numŽrique, les systmes de surveillance par tŽlŽvision ˆ
circuit
fermŽ peuvent tre les deux.
Les
liaisons
analogiques et numŽriques ont certains paramtres 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 dÕtre 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 lÕŽquipement 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
critres : elles doivent tre ˆ la longueur dÕonde correcte, tre
capables de
moduler suffisamment rapidement pour transmettre des donnŽes de
manire
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 lumire 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 modles de
lumire 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 lumire 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 systmes dÕexploitation ˆ environ 250 MHz ou ˆ 200
Mb/s. Les
lasers ont une capacitŽ de bande passante trs 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 revtue 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 trs
rapides.
Une autre grande diffŽrence entre les LED et les deux types de lasers
est la sortie
spectrale. Les LED ont un trs 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 trs peu de dispersion chromatique. Les
lasers
DFB, qui sont utilisŽs dans les systmes 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 trs
linŽaires
(cÕest-ˆ-dire que la sortie de lumire suit directement lÕentrŽe
Žlectrique),
de sorte quÕils peuvent tre utilisŽs en tant que sources dans les
systmes 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 systmes 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 trs large mais
les lasers
sont trs concentrŽs, et les sources auront un remplissage modal trs
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.
LÕŽlectronique
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 systmes 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
systmes ˆ
trs 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 lumire 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-mme est peu cožteuse, lÕinstallation de nouveaux c‰bles peut
tre
onŽreuse, donc lÕutilisation de fibres installŽes pour transporter des
signaux
supplŽmentaires peut tre trs rentable.
Le
multiplexage
en longueur dÕonde (WDM) a ŽtŽ utilisŽ pour la premire 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 systmes
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
Mme
sÕil est
vrai que la faible perte de la fibre optique permet aux signaux de
voyager des
centaines de kilomtres, des lignes extrmement longues et les c‰bles
sous-marins requirent 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 problmes. 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 lÕŽnergie pour lÕamplificateur, tandis que le
signal
entrant stimule lÕŽmission de lÕimpulsion lorsquÕil passe ˆ travers la
fibre
dopŽe. LÕŽmission stimulŽe stimule plus dÕŽmission, 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
dÕtre
utilisŽs en tant que rŽpŽteurs, les amplificateurs ˆ fibre sont
utilisŽs pour
augmenter le niveau du signal pour les systmes 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 dÕŽconomiser le cožt dÕŽmetteurs
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 faon dont
celle-ci
transmet des donnŽes ; dans quelle mesure le signal Žlectrique
reconverti sur
le rŽcepteur correspond ˆ lÕentrŽe de lÕŽmetteur.
La
capacitŽ dÕun
systme 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 problme car il interfre avec
le
signal. La puissance du rŽcepteur dŽpend de deux facteurs
fondamentaux :
combien de puissance est envoyŽe dans la fibre par lÕŽmetteur et
combien est
perdue par lÕaffaiblissement dans lÕinstallation de c‰bles de fibre
optique qui
relie lÕŽmetteur 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 lÕŽmetteur dans la
fibre. Le
niveau de puissance minimum qui produit un taux dÕerreur binaire
acceptable
dŽtermine la sensibilitŽ du rŽcepteur. La puissance de lÕŽmetteur
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. Mme les
liaisons interurbaines
sur fibre monomode peuvent prŽsenter des restrictions causŽes par la
dispersion
chromatique ou modale
de polarisation.
Si la
liaison est
conue 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 systmes 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 paramtres sont indiquŽes dans le
tableau
ci-dessous. Pour pourvoir les tester correctement, un fabricant ou un
concepteur de systme 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 systmes, ce sera le
logiciel
de diagnostic que requiert le systme.
Paramtres
de
performance liaison/systme 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
systmes
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 systmes.
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 complte le
mieux
lÕaffirmation ou rŽpond ˆ la question.
____ 3.
Les systmes 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
complte(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 |
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.
The Fiber Optic Association, Inc.
TŽl : 1-760-451-3655 Fax 1-781-207-2421
E-mail : info@thefoa.org Site internet : http://www.thefoa.org