(2) transmission optique

108
A travers ce modeste travail, nous tenons à remercier vivement notre promoteur Mr –BOUNKHALA Mostéfa (MA) pour l’intéressante documentation qu’il a mise à notre disposition, pour ses conseils précieux et pour toutes les commodités et aisances qu’il nous a apportées durant notre étude et réalisation de ce projet. Nos remerciements les plus vifs s’adressent aussi aux messieurs le président et les membres de jury d’avoir accepté d’examiner et d’évaluer notre travail. Nous exprimons également notre gratitude à tous les professeurs et enseignants qui ont collaboré à notre formation depuis notre premier cycle d’étude jusqu’à la fin de notre cycle universitaire. Sans omettre bien sur de remercier profondément tous ceux qui ont contribué de prés ou de loin à réalisation du présent travail. Et enfin, que nos chers parents et familles, et bien avant tout, trouvent ici l’expression de nos remerciements les plus sincères et les plus profonds en reconnaissance de leurs sacrifices, aides, soutien et encouragement afin de nous assurer cette formation d’ingénieur dans les meilleures conditions. kaabache & Gacemi Remerciements

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Page 1: (2) Transmission Optique

AA ttrraavveerrss ccee mmooddeessttee ttrraavvaaiill,, nnoouuss tteennoonnss àà rreemmeerrcciieerr vviivveemmeenntt

nnoottrree pprroommootteeuurr MMrr ––BBOOUUNNKKHHAALLAA MMoossttééffaa ((MMAA)) ppoouurr ll’’iinnttéérreessssaannttee

ddooccuummeennttaattiioonn qquu’’iill aa mmiissee àà nnoottrree ddiissppoossiittiioonn,, ppoouurr sseess ccoonnsseeiillss

pprréécciieeuuxx eett ppoouurr ttoouutteess lleess ccoommmmooddiittééss eett aaiissaanncceess qquu’’iill nnoouuss aa aappppoorrttééeess

dduurraanntt nnoottrree ééttuuddee eett rrééaalliissaattiioonn ddee ccee pprroojjeett..

NNooss rreemmeerrcciieemmeennttss lleess pplluuss vviiffss ss’’aaddrreesssseenntt aauussssii aauuxx mmeessssiieeuurrss

llee pprrééssiiddeenntt eett lleess mmeemmbbrreess ddee jjuurryy dd’’aavvooiirr aacccceeppttéé dd’’eexxaammiinneerr eett

dd’’éévvaalluueerr nnoottrree ttrraavvaaiill..

NNoouuss eexxpprriimmoonnss ééggaalleemmeenntt nnoottrree ggrraattiittuuddee àà ttoouuss lleess pprrooffeesssseeuurrss

eett eennsseeiiggnnaannttss qquuii oonntt ccoollllaabboorréé àà nnoottrree ffoorrmmaattiioonn ddeeppuuiiss nnoottrree pprreemmiieerr

ccyyccllee dd’’ééttuuddee jjuussqquu’’àà llaa ffiinn ddee nnoottrree ccyyccllee uunniivveerrssiittaaiirree..

SSaannss oommeettttrree bbiieenn ssuurr ddee rreemmeerrcciieerr pprrooffoonnddéémmeenntt ttoouuss cceeuuxx qquuii oonntt

ccoonnttrriibbuuéé ddee pprrééss oouu ddee llooiinn àà rrééaalliissaattiioonn dduu pprréésseenntt ttrraavvaaiill..

EEtt eennffiinn,, qquuee nnooss cchheerrss ppaarreennttss eett ffaammiilllleess,, eett bbiieenn aavvaanntt ttoouutt,,

ttrroouuvveenntt iiccii ll’’eexxpprreessssiioonn ddee nnooss rreemmeerrcciieemmeennttss lleess pplluuss ssiinnccèèrreess eett lleess

pplluuss pprrooffoonnddss eenn rreeccoonnnnaaiissssaannccee ddee lleeuurrss ssaaccrriiffiicceess,, aaiiddeess,, ssoouuttiieenn eett

eennccoouurraaggeemmeenntt aaffiinn ddee nnoouuss aassssuurreerr cceettttee ffoorrmmaattiioonn dd’’iinnggéénniieeuurr ddaannss lleess

mmeeiilllleeuurreess ccoonnddiittiioonnss..

kaabache & Gacemi

Remerciements

Page 2: (2) Transmission Optique

Transmission des données par voie optique

1

Résumé

En effet, la fibre optique est une innovation relativement récente qui a rapidement pris un

rôle prépondérant dans le monde des télécommunications pour ça capacité à véhiculer un

grand nombre d’information sur une longue distance.

Les fibres optiques ont pour rôle principal de propager la lumière avec un affaiblissement

aussi faible que possible d’un module d’un émetteur à un module récepteur. La principale

limitation des systèmes de transmission sur fibres optiques est aujourd’hui l’atténuation et

la dispersion du signal occasionné par la propagation dans la fibre optique.

Les systèmes optiques font appelle a une technologie souvent très complexe et pointue.

Il s’avers nécessaire de pouvoir prédire les performances et choisir les composants avant

de la réalisation d’un système. Des études de cas sont effectuées à l’aide du logiciel de

simulation (COMSIS).

Cette étude se compose de deux sous ensembles.

Dans un premier temps, nous avons étudié la caractéristique d’une liaison optique

point à point.

Dans un second temps, nous avons utilisé le logiciel de simulation COMSIS, outil qui

permet de modéliser, simuler, analyser et concevoir tout système complet de

communication optique. Les exemples de simulation effectués sur COMSIS traitent la

transmission des données on forme binaire codé NRZ et HDBn

Bounkhala Mostéfa

Page 3: (2) Transmission Optique
Page 4: (2) Transmission Optique

Transmission des données par voie optique

Sommaire

Chapitre I : I.1 Introduction ………………………………………………………………………..3 I.2 la fibre optique ………………………………………………………………..……5 I.2.1 description……………………………………………………………………5 I.2.2 le guidage de signal optique dans une fibre ………………………………….5 I.2.3 la réflexion totale interne…………………………………………………..…7 I.2.4 caractérisation de la fibre……………………………………………………..8 a) atténuation…………………………………………………………..…....…8 b) dispersion………………………………………………………...…………9

Dispersion chromatique ……………………………….………....…9 Dispersion modale…………………………………………..………10 Effet de la dispersion chromatique et modale ……………………....10 Dispersion de polarisation………………………………………..…11

c) bande passante……………………………………………………...………11 Bande modale………………………………….………………….…12 Bande chromatique………………………………………………….12

I.2.5 les différent types de fibre optique……………………………………………13 a) fibre multimode……………………………………………………………13

Fibre multimode a saut d’indice……………………………………13 Fibre multimode a gradient d’indice………………………………..13

b) fibre monomode…………………………………………………………..14 I.2.6 Fibre en telecom………………………………………………………………15 a) comparaison entre différente fibre optique………………………………..15 b) les applications de la fibre optique………………………………………..15 c) avantages et inconvénient de fibre optique………………………………..15 I.3 Evolution de la capacité de transmission…………………………………………….17 I.4 Evolution des services………………………………………………………………..17 Chapitre II II.1 introduction…………………………………………………………………………20 II.2 la liaison point à point ……………………………………………………………...20 II.2.1 introduction……………………………………………………………………20 II.2.2 module d’émission ……………………………………………………………21 II.2.2.1 catégories des émetteurs………………………………………………21

a) les diodes électroluminescentes DEL………………………………21 b) les diodes laser DL………………………………………………...23

II.2.2.2 la différance DEL/DL………………………………………………….25 II.2.2.3 caractéristiques générale ………………………………………………26 II.2.2.4 la modulation…………………………………………………………..27

a) modulation directe…………………………………………………27 b) modulation externe…………………………………………………27

II.2.3 module de réception……………………………………………………….…..28 II.2.3.1 introduction……………………………………………………………28

Page 5: (2) Transmission Optique

Transmission des données par voie optique

Sommaire

II.2.3.2 photodétecteur…………………………………………………………29 a) principe de la photodétection……………………………………….30 b) caractéristiques d’une photodétection ……………………………...30 c) catégories de photodiodes PIN, APD……………………………….32 d) comparaison PIN, APD …………………………………………….36

II.2.4 canal de transmission ………………………………………………..36 II.2.4.1 fibre optique………………………………………………………..36 II.2.4.2 caractéristique de transmission …………………………………….37 II.2.4.3 raccordement des fibres optiques…………………………………..38 II.2.4.4 type de raccordement……………………………………………….38

a) les raccordements fixes ……………………………………………..38 b) les raccordements semi fixes………………………………………..39 c) les raccordements démontables……………………………………...39

II.2.4.5 répéteur ou régénérateur de signal …………………………………39 Chapitre III : III.1 amplification optique………………………………………………………………….42 III.1.1 généralités sur l’amplification optique…………………………………………43 III.1.2 les amplificateurs a semi-conducteur (AOSC) ………………………………...43 III.1.3 les amplificateurs a fibre dopée (EDFA) ……………………………………...45 III.1.4 comparaison des amplificateurs………………………………………………..46 III.1.5 utilisation de l’amplificateur optique ………………………………………….46 III.2 les isolateurs…………………………………………………………………………...47 III.3 les coupleurs…………………………………………………………………………..48 III.4 les filtres optiques……………………………………………………………………..50 Chapitre IV : IV.1 introduction …………………………………………………………………………...52 IV.1.1 information analogique et numérique …………………………………………52 IV.1.2 les codages en bande de base ………………………………………………….52 IV.1.3 la modulation numérique ……………………………………………………...53 IV.2 codage binaire à signal………………………………………………………………...53 IV.2.1 quelques exemples en code en ligne…………………………………………...53 IV.2.2 choix de code de transmission ………………………………………………...54 IV.2.3 représentation des signaux code ……………………………………………...54

a) codage NRZ ……………………………………………………….55 b) codage HDBn………………………………………………………55 c) codage NRZI……………………………………………………….56 d) codage Manchester………………………………………………...57

IV.3 les modulations de base ………………………………………………………………58 IV.3.1 modulation de fréquence (FSK) ……………………………………………….58 IV.3.2 modulation de phase (PSK) …………………………………………………...59 IV.3.3 modulation d’amplitude (ASK) ……………………………………………….59 IV.3.3 modulation QAM………………………………………………………………60 IV.4 type de transmission …………………………………………………………………..62 IV.4.1 transmission asynchrone …………………………………................................62 IV.4.2 transmission synchrone ……………………………………………………..…63 IV.5 les techniques de multiplexage………………………………………………………..63 IV.5.1 multiplexage TDM……………………………………………………………63 IV.5.2 multiplexage FDM………………………………………………………….…66 IV.5.3 multiplexage WDM/ DWDM…………………………………………………67

Page 6: (2) Transmission Optique

Transmission des données par voie optique

Sommaire

Introduction …………………………………………………………………………….……73 V .1 Composants de la liaison………………………………………………………….……73

a) L’émetteur…………………………………………………………………………….73 b) La ligne de transmission ……………………………………………………………..75 c) Le Récepteur ………………………………………………………………………..76

V .2 Interprétation des résultats ……………………………………………………………...77

à 2.5 Gbits et 10 Gbits codé par NRZ …………………………….…….77 V.I.1 Sans compensation………………………………………………………………..…….77 V.I.2 Avec compensation ………………………………………………………………….....81

à 2.5Gbits et 10Gbits codé par HDB3………………………………..…..83 V.II.1 Sans compensation………………………………………………………………...….83 V.II.2 Avec compensation …………………………………………………………….…….86

Chapitre V : Introduction …………………………………………………………………………....... V .1 Composants de la liaison…………………………………………………….

a) L’émetteur……………………………………………………………………….. b) La ligne de transmission ………………………………………………………… c) Le Récepteur …………………………………………………………………….

V .2 Interprétation des résultats …………………………………………………………. V.I. Simulation I : Liaison point à point à haut débit à 2.5 Gbits et 10 Gbits codé par NRZ ……………………………… V.I.1 Sans compensation………………………………………………………………… V.I.2 Avec compensation ……………………………………………………………….. V.II Simulation II: Liaison point à point à haut débit . à 2.5Gbits et 10Gbits codé par HDB3……………………………….. V.II.1 Sans compensation……………………………………………………………….. V.II.2 Avec compensation ……………………………………………………………… Conclusion générale Annexe Bibliographie

Page 7: (2) Transmission Optique

Chapitre I Caractéristiques de la fibre optique

Transmission des données par voie optique 2

Page 8: (2) Transmission Optique

Chapitre I Caractéristiques de la fibre optique

Transmission des données par voie optique 3

I.1 introduction :

La possibilité de transporter de la lumière le long de fines fibres de verre fut exploitée au

cours de la première moitié du XXe siècle. En 1927, Baird et Hansell tentèrent de mettre au

point un dispositif pour le transport d'images de télévision à l'aide de fibres. Hansell put

faire breveter son invention, mais elle ne fut jamais vraiment utilisée. Quelques années

plus tard, soit en 1930, Heinrich Lamm réussit à transmettre l'image d'un filament de lampe

grâce à un assemblage rudimentaire de 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 eut lieu au début des années 1950,

lorsque le fibroscope flexible fut inventé par VANHeel et Hopkins. Cet appareil permettait

la transmission d'une image le long de fibres en verre. Il fut particulièrement utilisé en

endoscopie, pour observer l'intérieur du corps humain, et pour inspecter des soudures dans

les réacteurs d'avions. Malheureusement, la transmission ne pouvait pas être faite sur une

grande distance étant donné la piètre qualité des fibres utilisées.

Les télécommunications par fibre optique ne furent pas possibles avant l'invention du

laser en 1960. Le laser offrit en effet une occasion de transmettre un signal avec assez de

puissance sur une grande distance. Dans sa publication de 1964, Charles Kao, des Standard

Telecommunications Laboratories, décrivit un système de communication à longue

distance à faible perte en mettant à profit l'utilisation conjointe du laser et de la fibre

optique. Peu après, soit en 1966, il démontra expérimentalement, avec la collaboration de

Georges Hockman, qu'il était possible de transporter de l'information sur une grande

distance sous forme de lumière grâce à la fibre optique. Cette expérience est souvent

considérée comme la première transmission de données par fibre optique.

Cependant, les pertes par absorption dans une fibre optique étaient telles que le signal

disparaissait au bout de quelques centimètres, ce qui la rendait peu avantageuse par rapport

au fil de cuivre traditionnel. Les trop grandes pertes encourues par un verre de mauvaise

qualité constituaient le principal obstacle à l'utilisation courante de la fibre optique.

Page 9: (2) Transmission Optique

Chapitre I Caractéristiques de la fibre optique

Transmission des données par voie optique 4

En 1970, trois scientifiques de la compagnie Corning Glass Works de New York, Robert

Maurer, Peter Schultz et Donald Keck, produisirent la première fibre optique avec des

pertes suffisamment faibles pour être utilisée dans les réseaux de télécommunications (20

décibels par kilomètre; aujourd'hui la fibre conventionnelle affiche des pertes de moins de

0,25 décibel par kilomètre). Leur fibre optique était en mesure de transporter 65000 fois

plus d'information qu'un simple câble de cuivre.

Les premières années de l’optique sont marquées par des évolutions importons :

• Le passage de la fibre multimode, utilisée dans les premières expérimentations, à

la fibre monomode dont la connexion et plus problématique mais, qui propose des

débits sans rapport avec la premier. la fibre multimode conserve ce pondant sa

pertinence dans d’autres domaines tels que l’aéronautique par exemple.

• Le passage successif de la premier 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

0.2 dB/km), qui le norme aujourd’hui en matière de réseau. Ces changements des

fenêtre de transmission on été rendus possibles par l’amélioration des techniques

de fabrication des préformes et au développement des sources optiques.

La notion de ligne de transmission « tout optique » faisant appel exclusivement à la fibre

optique apparaît au début des années 1990.

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 principale de cette technique, qui a fait sa popularité, est de pouvoir réutiliser la

fibre déjà installer, ce qui n’entraîne pas de surcoût pour de nouvelles infrastructures.

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 fibres optiques partout

dans le monde.

Page 10: (2) Transmission Optique

Chapitre I Caractéristiques de la fibre optique

Transmission des données par voie optique 5

I.2 La fibre optique

I.2.1 Description

Une fibre optique est un guide d’onde diélectrique cylindrique qui possède généralement

une symétrie de révolution.

Une fibre est constituée par deux couches de matériaux transparents à base de silice

appelées le cœur, d’indice de réfraction n1, et la gaine optique qui entoure le cœur,

d’indice n2 (Figure I.1).

L’indice n1 est supérieur a n2 ce qui garantie la réalisation de la condition de la réflexion

totale sur la gaine d’un rayon se propageant dans le cœur et qui permet le guidage.

Une fibre a des dimensions de l’ordre de la centaine de micromètre. Le diamètre de la

gaine .2b, est en général de 125 µm mais peut aussi être de 140 µm (cas de certaines fibres

multimodes ). Le rayon a de cœur, quant à lui, varie de 1à 100 µm.

ab

Z

gaine

coeur

Figure I.1 : Réflexion interne total dans une fibre optique

Page 11: (2) Transmission Optique

Chapitre I Caractéristiques de la fibre optique

Transmission des données par voie optique 6

I .2.2 Le guidage de signal optique dans une fibre :

Dans une fibre optique standard, la différance d’indice entre le cœur et la gaine est

souvent faible, de l’ordre de quelques 10-3 .On réalise alors l’approximation en guidage

faible

Lorsque :

Avec∆, différence relative d’indice.

Dans ce cadre, certaines modes dits dégénères possédant la même constante de

propagation axiale. Ces champ modaux sont polarisés de manière rectiligne et sont appelés

modes LP (linearly polarised ou en français linéairement polarisés).

Le guidage du signal optique est basé sur la loi de Descartes. La lumière se propage le

long de la fibre par réflexions successives entre le cœur et la gaine (figureI.2). Cela n’est

possible que si le cœur et la gaine sont constitués de matériaux transparents et que l’indice

de la gaine est inférieur a celui de cœur (une différance de quelques % est suffisante).

La seconde condition est d’envoyer le signal lumineux dans la fibre avec un angle,

par rapport a l’axe, inférieur a l’ouverture numérique. L’ouverture numérique (O.N)

représente l’ouverture angulaire limite avant une transmission et non une réflexion totale

sur le dioptre cœur gaine de la fibre.

( ) 22

21sin nnON OL −== θ

Figure .I.2 : Ouverture numérique d'une fibre optique

1

21

nnn −

=∆ I.1

I.2

Page 12: (2) Transmission Optique

Chapitre I Caractéristiques de la fibre optique

Transmission des données par voie optique 7

Afin de faciliter l'injection de la lumière dans la fibre à l'entrée, on a intérêt à avoir l'angle

limite ∅ 0L le plus grand possible. Ceci s'obtient pratiquement en choisissant des indices

n1 et n 2 très proches.

La plupart des fibre sont fabriquées a base de silice, matériau abondant et peu cher. Pour

façonner les profils d’indice, la silice est dopée avec du dioxyde de germanium ou du

pentoxyde de phosphore pour augmenter l’indice (donc plutôt pour le cœur de la fibre) et

avec de fluor ou de trioxyde de bore pour le diminuer (plutôt réserve a la gaine optique).

I .2.3 La réflexion totale interne

Le principe de la réflexion totale interne est à la base de la propagation des ondes

lumineuses dans la fibre optique. D'après ce principe, lorsqu'un rayon lumineux passe d'un

milieu à un autre dont l'indice de réfraction est plus faible, il peut être réfléchi. De plus,

lorsque l'angle d'incidence du rayon lumineux est plus grand que l'angle critique, la lumière

est réfléchie en totalité et il n'y a aucune perte de lumière (figure I.3).

La réflexion totale interne est régie par deux facteurs : les indices de réfraction des deux

milieux et l'angle critique.Ces facteurs sont reliés par l'équation suivante :

En connaissant les indices de réfraction des deux matériaux de l'interface, l'angle

critique peut facilement être calculé.

FigureI.3

I.3

Page 13: (2) Transmission Optique

Chapitre I Caractéristiques de la fibre optique

Transmission des données par voie optique 8

a) Réfraction d'un rayon lumineux pour , le rayon incident est aussi partiellement

réfléchi dans le premier milieu.

b) rayon critique lorsque

c) réflexion totale interne pour .

Physiquement, l'indice de réfraction d'une substance est le rapport entre la vitesse de

la lumière dans le vide (c) et sa vitesse dans le matériau (v).

La lumière voyage donc plus rapidement dans un matériau avec un indice de réfraction

plus petit. Il est à noter que l'indice de réfraction du vide est de 1. On dit aussi que l'indice

de l'air est égal à 1 puisque la vitesse de la lumière dans l'air est à peu près égale à celle

dans le vide. En comparaison, l'indice de réfraction de l'eau est de 1,33. Notez bien que

l'indice de réfraction est une quantité qui n'a pas d'unité, puisqu'il s'agit d'un rapport entre

deux vitesses, et qu'il est toujours plus grand ou égal à 1.

I .2.4 Caractérisation de la fibre :

Les principales caractéristiques des fibres optiques sont l'atténuation, la dispersion

chromatique, la dispersion modale, que nous allons présenter.

a. L’atténuation : L'atténuation dans les fibres optiques résulte de plusieurs

mécanismes.

Pertes intrinsèque : dépendent de la nature physico chimique de la fibre optique.

Pertes par absorption moléculaire : elles sont causées par l’absorption des rayons

optiques par la silice et les impuretés contenus dans celle-ci.

Les irrégularités involontaires de structure provoquent des pertes par diffusion

(diffusion Rayleigh).

Pertes extrinsèques : dépendent du couplage fibre-fibre ou fibre-composans.

Les pertes dues aux conditions d'utilisation des fibres. Toute courbure trop serrée

crée des pertes par rayonnement

I.4

Page 14: (2) Transmission Optique

Chapitre I Caractéristiques de la fibre optique

Transmission des données par voie optique 9

Les microcourbures sont des courbures très faibles, mais répétées et pratiquement

incontrôlables, dues au conditionnement des fibres dans les câbles.

Les fibres sont toujours utilisées par tronçons de longueur finie, raccordés entre

eux. Chaque jonction peut provoquer une perte de raccordement.

La FigureI.4 montre l'atténuation spectrale d'une fibre en silice, pour les

télécommunications.

L'atténuation minimale de 0,22 dB/km n'est pas très loin du minimum théorique pour la

silice. La différence s'explique par le fait que l'on ne peut pas utiliser de la silice pure. On

doit doper soit le coeur, soit la gaine et cela augmente les fluctuations de composition et

donc les pertes par absorption.

b. Dispersion : La dispersion d’un signal optique se manifeste par une distorsion

du signal et cause un élargissement des impulsions au cours de leur propagation

dans la fibre optique.

Il existe deux types de dispersion :

Dispersion chromatique (intramodale) : La dispersion chromatique est la combinaison

de deux types de dispersion : la dispersion du matériau et la dispersion du guide d’onde.

La dispersion du matériau est causée par la dépendance de l’indice de

réfraction de la longueur d’onde.

Longueur d’onde

Atténuation

FigureI.4

Page 15: (2) Transmission Optique

Chapitre I Caractéristiques de la fibre optique

Transmission des données par voie optique 10

En effet la dispersion du matériau est très petite à par rapport à la longueur d’onde

d’environ 1300nm, cette dispersion existe dans toute les fibres optique qu’elle soit

monomode ou multimode.

La dispersion du guide d’onde est particulièrement importante pour les fibres

monomodes. Elle est causée par le fait que la répartition de la lumière du

mode fondamental sur le cœur et la gaine dépend de la longueur d’onde.

La dispersion total est la somme des dispersions due au matériau et la dispersion du guide

d’onde.

Dispersion modale (ou intermodale) : Dans une fibre optique multimode se propagent

plusieurs modes, chacun suivant une trajectoire différente.

L’énergie lumineuse transmise dans la fibre se répartie entre les différents modes qui se

propage dans le cœur.

L’ensemble des retards entre les différents rayons composant le signal lumineux

détermine en réception une distorsion du signal électrique obtenu par le convertisseur

optique - électrique ; cette distorsion est la Dispersion Modale.

Effets de la dispersion modale et chromatique :

Les effets de la dispersion modale et chromatique sur la propagation de l’impulsion optique

le long de la fibre, illustrée par la figure et mettant en évidence, comment les différents

comportements des composantes de l’impulsion déterminent la distorsion de celle-ci en

réception.

Impulsion d’entrée impulsion composante de sortie

t t Dispersion modale a)

Page 16: (2) Transmission Optique

Chapitre I Caractéristiques de la fibre optique

Transmission des données par voie optique 11

t t Dispersion chromatique b)

a) L’impulsion en réception est la somme des impulsions composantes qui se propagent

en temps différents (parcours différents)

b) propagation avec des vitesses différentes, des différentes composantes du signal de

longueurs d’ondes diverses.

Il existe aussi un autre type de dispersion :

Dispersion de polarisation : Cette dispersion due à la biréfringence de la fibre, provoque

une déformation des impulsions lumineuses par le fait que les deux principaux états de

polarisation ont des constantes de propagation légèrement différentes.

Il en résulte que les états de polarisation des bords et du centre des impulsions différentes

de plus en plus au cours de la propagation, d’où leur déformation.

Pour pouvoir compenser avec précision la dispersion de polarisation de la fibre installée, il

est nécessaire de l’avoir préalablement mesurée. Les recherches effectuées dans ce

domaine ont surtout pour objectif de comparer la précision de différents procédés de

mesure.

c. Bande passante :

La bande passante est un des paramètres les plus importants pour définir les propriétés

de transmission d’une fibre optique.

La définition de la bande passante totale (BT) qui dépend de l’effet conjonctif des deux

phénomènes de dispersion modale et chromatique, permettra de stabiliser la fréquence

maximale transmissible en ligne. La bande totale est définie par l’expression :

BT =22

111

BcBm+

I.5

Page 17: (2) Transmission Optique

Chapitre I Caractéristiques de la fibre optique

Transmission des données par voie optique 12

Bm : bande résultante de la dispersion modale

Bc : bande dérivante de la dispersion chromatique

Dans la fibre multimodes la bande totale dépend uniquement de la bande modale.

Fibre multimode BT = Bm

Dans la fibre monomode la bande totale est déterminée uniquement par la bande

chromatique.

Fibre monomode BT = Bc

- bande modale : Bm

La valeur de la bande modale normalement référencée à 1000 m de longueur notée Bmo

est donnée par le constructeur. Pour calculer la bande modale ( Bm ) d’une liaison en fibre

optique on doit appliquer la relation :

Bm = γLBm0 I.6

Bmo : Bande modale par unité de longueur.

L : Longueur de la liaison fibre optique.

γ : Facteur de concaténation des modes renseigne sur le degré de couplage.

- bande chromatique : Bc

La dispersion chromatique est d’autant plus importante que la largeur du spectre

lumineux de la source est plus large. Pour cela on doit tenir compte dans le calcul de la

bande chromatique BC.

Bc = Lλµ∆

−610.44.0 I.7

∆λ : Largeur spectrale de la source à mi amplitude.

L : longueur de la liaison FO

µ : Coefficient de dispersion chromatique.

Page 18: (2) Transmission Optique

Chapitre I Caractéristiques de la fibre optique

Transmission des données par voie optique 13

I .2.5 Les différents types de fibre optique :

Il existe deux types de fibre monomode et multimode. Les fibres multimodes, a leur tour,

peuvent être divisées en :

a- Fibre multimode :

• Fibre multimode à saut d'indice :

Le cœur et la gaine présentent des indices de réfraction différents et constants. Le

passage d'un milieu vers l'autre est caractérisé par un saut d'indice .Le faisceau lumineux

injecté à l'entrée de la fibre va atteindre la sortie en empruntant des chemins optiques

différent ce qui se traduit par des temps de propagation différents et donc un étalement du

signal transmis . (fig.1.5)

Figure I.5 : la fibre multimode à saut d’indice

Les différents rayons empruntent des trajectoires différentes leurs chemins optiques et

leurs temps de propagation sont différents. Il en résulte donc une dispersion intermodale.

Pour diminuer cet effet, le profil d’indice de coeur peut être modifie de telle sorte a crée un

« gradient d’indice ».

• Fibre multimode à gradient d'indice :

Le cœur se caractérise par un indice variable qui augmente progressivement de n1 à

l'interface gaine-cœur jusqu'à n2 au centre de la fibre. Là aussi les rayons lumineux vont

emprunter des chemins différents, mais un choix judicieux du profil d'indice du cœur

permet de tendre vers des temps de parcours voisins et donc réduire l'étalement du signal

(fig. I.6).

Figure I.6 : La fibre multimode à gradient d’indice.

Page 19: (2) Transmission Optique

Chapitre I Caractéristiques de la fibre optique

Transmission des données par voie optique 14

b- Fibre monomode:

Dans une fibre monomode, on obtient un seul mode grâce à la très faible dimension du

coeur (diamètre de 10 µm et moins). Ainsi le chemin de la lumière est imposé, c’est le

mode TEM00. Le nombre de modes se propageant dans une fibre optique est donné par la

relation suivante :

Avec : d : le diamètre du cœur de la fibre,

λ: la longueur d'onde de la lumière utilisée,

ON : l'ouverture numérique de la fibre.

En choisissant d suffisamment faible, il est possible d'avoir un seul mode de

propagation (m=1⇔fibre monomode). Le chemin de propagation est ainsi unique et

parallèle à l'axe de la fibre (fig.I.7). Théoriquement le signal injecté en entrée va atteindre

la sortie sans aucune déformation. C'est ce type de fibre qui présente les plus grandes

performances mais son coût est relativement élevé par rapport aux fibres multimodes.

figure.I.7

La fibre monomode dont le cœur est si fin que le chemin de propagation des différents

modes est pratiquement direct. La dispersion modale devient quasiment nulle.

La bande passante transmise est presque infinie (>10 GHz/Km).cette fibre est utilisée

essentiellement pour les communications à grande distance.

Le petit diamètre du coeur (10um) nécessite une grande puissance d'émission, donc des

diodes au laser qui sont relativement onéreuses.

I.6

Page 20: (2) Transmission Optique

Chapitre I Caractéristiques de la fibre optique

Transmission des données par voie optique 15

I.2.6 Fibre en telecom :

A/Utilisation de différente fibre optique :

Fibre monomode Fibre multimode

Faible dispersion Forte dispersion

Connexion délicate Connexion facile

Faible atténuation Forte atténuation

Hauts débits, longues distances Réseaux locaux

B/Les applications de la fibre monomode

Les applications de la fibre optique monomode sont nombreuses, les plus connues

concernent :

les télécommunications, pour la réalisation des réseaux haut débit à grande distance

en technologie WDM, SDH, ATM.

l’audiovisuel, pour la réalisation des réseaux câblés de télévision en association

avec le câble coaxial utilisé pour le raccordement de l’abonné.

La médecine, ou la fibre optique est notamment utilisée.

En chirurgie, pour transporter le faisceau laser jusqu’au tissus a traiter.

En endoscopie, pour éclairer l’intérieur du corps et transmettre les images jusqu'au

médecin.

L’éclairage (muséographique, architectural, espaces d’agrément publics ou

domestiques).

La décoration/illumination de piscines, bassins, fontaines,

La signalétique d’orientation de l’information (panneaux de signalisation et

enseignes).

La signalisation routière (rond points, séparation de voies de circulation).

C/ Avantages et inconvénients des fibres optiques c.1- avantages

Ils sont nombreux, on peut les classer comme suit :

Page 21: (2) Transmission Optique

Chapitre I Caractéristiques de la fibre optique

Transmission des données par voie optique 16

performances de transmission : très faible atténuation, très grande bande passante,

multiplexage possible de plusieurs signaux ; elles permettent aux systèmes d’avoir

une portée et une capacité très supérieurs à celles des câbles conducteurs.

Avantage de mise en œuvre : très petite taille, grande souplesse, faible poids,

appréciables aussi bien en télécommunications que pour le câblage en informatique,

aéronautiques, applications industrielles.

Sécurité électrique : isolation totale entre terminaux, utilisation possible en ambiance

explosive ou sous forte tension.

Sécurité électromagnétique : la fibre optique n’est pas sensible aux parasites et n’en

crée pas elle-même.

Avantage économique : contrairement à l’aidée encore répandue, le coût globale d’un

système sur fibre optique et de plus en plus souvent inférieur à celui d’un système sur

cuivre.

c.2- inconvénients

la fibre optique ne permet pas le transport d’énergie.

Les répéteurs doivent être alimentés séparément, soit localement, soit par second

câble électrique, soit par un câble mixte optique et électrique.

les techniciens des installations doivent protéger ces yeux.

Il est indispensable de porter des verres de protection infrarouge pour travaille de prés

sur un dispositif en fonctionnement.

perte de raccordement entre différents composants optiques du système.

Parmi les pertes de raccordement on trouve :

-pertes de couplage à la source : une partie seulement de la puissance émise

par le laser sera captée par la fibre à cause de la désadaptation entre eux.

-pertes d’épissure : elle est due à cause d’une discontinuité des rayons, une

erreur d’espacement, une erreur d’excentrement, une erreur d’alignement angulaire.

Page 22: (2) Transmission Optique

Chapitre I Caractéristiques de la fibre optique

Transmission des données par voie optique 17

I.3 Évolution de la capacité de transmission : L’augmentation de la capacité de transmission des fibres optiques a été rendu possible

grâce à des avancées technologiques marquantes telle que :

La fibre monomode à faibles pertes.

Les fibres à dispersion décalée.

Les diodes lasers fonctionnant à 1.55µm.

L’amplificateur à fibre dopée.

La technique du multiplexage WDM.

I.4 Évolution des services :

En 2030, il est attendu que la vitesse de transmission soit plusieurs centaines de fois

supérieure qu’aujourd’hui (Figure I.8). Les prévisions les plus optimistes prévoient qu’il

sera possible de transmettre des données à 1 TB/s de et vers les particuliers.

D’autres prétendent que 70% du réseau sera encore à 1 Gb/s. Quoi qu’il en soit,

l’augmentation de la vitesse favorisera l’émergence du télé-travail, un des facteurs

favorisant le développement des télécommunications.

L’introduction de l’ISDN, suivi par l’ADSL a permis d’augmenter les vitesses de

transmission. Aujourd’hui, la vitesse est de 2 Mb/s.

Page 23: (2) Transmission Optique

Chapitre I Caractéristiques de la fibre optique

Transmission des données par voie optique 18

Figure I.8 : Evolution du trafic de données .

La croissance de la bande passante va entraîner le développement de nouveaux

composants avec de nouvelles fonctions. Le développement de composants, de modules et

de systèmes pour les télécommunications optiques est lié aux développements des services

(particuliers, entreprises). L’évolution des services et des applications/technologies

associées est cependant un cercle vicieux. La demande des utilisateurs est généralement un

besoin immédiat. La mise en place des services et applications est généralement rapide

mais l’augmentation des débits plus élevés à la connexion se fait plutôt sur le moyen terme.

L’infrastructure, elle, se fait sur le très long terme et les services et les applications

dépendent à leur tour de l’infrastructure.

Vitesse des données

Page 24: (2) Transmission Optique

Chapitre II Liaison à fibre optique

Transmission des données par voie optique

19

Page 25: (2) Transmission Optique

Chapitre II Liaison à fibre optique

Transmission des données par voie optique

20

II.1 Introduction :

Les transmissions par fibres optiques sont devenues techniques courantes et éprouvées

dans le domaine des télécommunications. Dans les réseaux interurbains, régionaux et inter

-centraux, l'utilisation de guides d'ondes optiques représente le mode de transmission le

plus fiable et le plus économique lorsqu'il s'agit d'acheminer des débits élevés sur de

grandes distances, mais aussi des nombres élevés de canaux.

La conception des systèmes de transmission par fibres optiques nécessite la connaissance

des caractéristiques de fonctionnement des sous ensembles impliqués. Ainsi le concepteur

doit prendre en considération des combinaisons variées de composants optoélectroniques et

de techniques de modulation afin d'obtenir les performances souhaitées pour la liaison.

II.2 La liaison point à point optique :

II.2.1 Introduction :

Une liaison point à point optique simple se compose d’un émetteur, d’un

multiplexeur/démultiplexeur, d’une ligne de transmission et d’un récepteur. La ligne de

transmission est composée par les fibres optiques et les amplificateurs optiques qui

substituent les régénérateurs électriques (figure.II.1).

FigureII.1 : Liaison point à point optique.

Page 26: (2) Transmission Optique

Chapitre II Liaison à fibre optique

Transmission des données par voie optique

21

II.2.2 le module d’émission :

Les systèmes de transmission par fibre optique nécessitent des émetteurs optiques devant

remplir certaines conditions :

• Faible encombrement.

• Fonctionnement à température ambiante.

• Commande par circuits à semi-conducteurs.

• Capacité à moduler la lumière émise a haute fréquence.

• Spectre d’émission étroit.

• Puissance d’émission importante.

• Grande durée de vie.

Les composants d’émission de lumière qui satisfont le mieux a ces critères sont des

composants à semi-conducteurs et se regroupent en deux catégories : les diodes

électroluminescentes et les diode laser. (Figure II-2)

II.2.2.1 Catégories des émetteurs :

A /Les diodes électroluminescentes : DEL

Les diodes sont constituées ,suivant le principe de base ,d’un cristal semi-conducteur

possédant deux couches dopées de manières : une couche P positive possédant des trous

(emplacements ou il manque un électron pour que les atomes soient complets)et une

couche N négative possédant des électrons libres.

Une diode semi-conductrice qui émet de la lumière par émission spontanée, est appelée

diode électroluminescente.

La qualité de conversion du courant électrique en lumière est décrite par le rendement

quantique, qui désigne le rapport entre le nombre de photons émis par unité de temps et le

nombre de charges transportées à travers la jonction-PN de la diode semi-conductrice.

Figure II-2: Structure d’un émetteur optique

Page 27: (2) Transmission Optique

Chapitre II Liaison à fibre optique

Transmission des données par voie optique

22

Rendement quantique

Le rendement quantique est défini comme étant le rapport entre le nombre de photon crées

et le nombre d’électrons injectés.

injectésélectronsdNombrecréésphotonsdeNombre

' L’absence d’amplification limite ce rendement quantique .les recombinaisons (électron-

trou) qui se produisent, ne sont pas toutes radiatives à cause des imperfections de la

structure cristalline et de la présence d’impuretés.

Ordre de grandeur

DEL à homojonction : qη ≤50%

DL à double hétérojonction : 60%≤ qη ≤80%

Comme le rendement quantique décroît avec des températures croissantes, il faut éviter

un échauffement de la zone de recombinaisons et en conséquence il faut donc assurer le

dégagement de la chaleur par une conformation appropriée de la DEL.

La longueur d’onde de lumière dégagée est un autre paramètre important relatif au

fonctionnement de la DEL. elle est surtout déterminée par l’intervalle de bande Eg et la

relation suivante est applicable :

Eg24,1

λ Longueur d’onde, en µm.

Eg intervalle de bande, en ev.

hν =1.24

La valeur de Eg d’une diode à l’arséniure de gallium (GaAs) est de 1,43 ev

et λ= 0.89 µm

Pour le phosphure d’indium (InP) Eg =1,35 ev et λ=0,92 µm.

Les diodes électroluminescentes de structure simple, ou homojonction, présentent

deux inconvénients majeurs : la lumière générer est émise dans toutes les directions d’où

pertes importantes et la largeur de signal émis est grande, environ 40nm. Par contre, leurs

avantages sont une grande facilité de " pilotage " et une durée de vie de l’ordre 105 à107

heures.

IIII--22

qη == IIII--11

Page 28: (2) Transmission Optique

Chapitre II Liaison à fibre optique

Transmission des données par voie optique

23

B/ Les diodes laser : DL

Depuis le début des télécommunications par fibre optique, le choix des sources

optiques c’est porté sur les émetteurs à semi conducteur à cause de leurs petites dimensions

en rapport avec celles du cœur des fibres optiques, de la relative facilité que l’on a à

moduler directement la lumière émise en agissant sur le courant, de leur spectre optique

relativement étroit et de leur faible consommation énergétique. Ainsi la diode laser est la

source la mieux adapter pour les télécommunications optiques car elle permet d’avoir la

meilleure efficacité de couplage optique avec la fibre.

LASER est l’abréviation de Light Amplification by Stimulated Emission of

Radiation signifie amplification de lumière par émission stimulée de rayonnement.

Contrairement à la diode électroluminescente ou l’émission est spontanée.

Les diodes laser se caractérisent par l’étroitesse de la longueur d’onde qu’elles émettent, le

spectre émis se composant de plusieurs raies centrées autour de la longueur d’onde

principale (Figure II.4)

40nm

λ (nm) 850 810

100%

50%

Figure II.3 : LED caractéristiques spectrales

4nm

100%

50%

0% 1540 1550 λ (nm)

Figure II.4 : diode laser, caractéristiques

Page 29: (2) Transmission Optique

Chapitre II Liaison à fibre optique

Transmission des données par voie optique

24

L’émission stimulée :

Un laser est un dispositif qui émet de la lumière grâce au phénomène d'émission stimulée.

En effet, dans un semi-conducteur, un électron peut passer d'un état à un autre de trois

façons (Figure II.5) :

a)L'émission spontanée : De sa propre initiative, l'électron peut tomber dans un état moins

énergétique non occupé (il passe d'un état ionisé à un état lié), en émettant un photon

spontané.

b) L’absorption : En absorbant un photon, l'électron peut être amené dans un état plus

énergétique. Il passe de l'état lié (électron et trou combinés) à l'état ionisé (électron dans la

bande de conduction et trou dans la bande de valence).

c)L'émission stimulée : Frappé par un photon, l'électron peut retomber dans l'état le moins

énergétique (état lié) en émettant un photon stimulé dont le rayonnement correspond à la

même longueur d'onde, la même phase, le même état de polarisation et la même directivité

spatiale que le photon incident. On parle alors de lumière cohérente. Avec l'émission

stimulée s'introduit la notion de gain ou d'amplification du rayonnement incident puisque, à

partir d'un photon, on en obtient deux.

Figure II- 5 : Schéma des processus d'émission spontanée (a), d'absorption (b) et

d'émission stimulée (c).

Statistiquement, à l'état naturel, un photon émis peut de nouveau être absorbé par

un électron et globalement, l'émission et l'absorption se compensent. Pour obtenir l'effet

laser et donc rendre l'émission stimulée prépondérante, deux conditions doivent être

réalisées :

Page 30: (2) Transmission Optique

Chapitre II Liaison à fibre optique

Transmission des données par voie optique

25

Il faut qu'il y ait suffisamment d'électrons dans l'état d'énergie supérieure. Ceci est

réalisé par ce qu'on appelle une inversion de population. Dans un semi-conducteur, cette

inversion est réalisée par l'opération de pompage qui consiste à fournir de l'énergie aux

électrons afin qu'ils passent dans la bande de conduction.

Il faut qu'il y ait suffisamment de photons excitateurs. Pour cela, on oblige l'énergie

lumineuse à s'accumuler sur place en enfermant le semi-conducteur dans une cavité

résonante constituée, par exemple, par un résonateur du type Pérot-Fabry.

Les photons d'émission spontanée amorçant la réaction, lorsque ces deux conditions sont

réunies, l'effet laser peut se produire.

II.2.2.2 La différence DEL / DL :

Pour montrer la différence entre une diode électroluminescente et une diode laser, la

(figure II.6) illustre les courbes caractéristiques de la puissance lumineuse en fonction du

courant.

Courant de seuil

Popti

I

Fonctionnement DL

Fonctionnement DEL

Figure II. 6: Fonction de transfert du LASER

FigureII.7 : Comparaison de la lumière émise par émission spontanée (haut) et par émission stimulée (bas).

Page 31: (2) Transmission Optique

Chapitre II Liaison à fibre optique

Transmission des données par voie optique

26

II.2.2.3 Caractéristiques générale :

Certains paramètres permettent de caractériser les composants d’émission, diodes

électroluminescentes ou diodes lasers.

Puissance d’émission : La puissance d’émission est exprimée pour une

valeur donnée du courant. Alors qu’une LED aura une puissance

d’émission est variant de 10 à 600µW pour un courant de 100mA, une diode

aura une puissance variant de 1 à 6mW pour un courant égal au courant de

seuil plus 30mA , soit environ 50mA.

Diagramme de rayonnement : Le diagramme de rayonnement donne une

image du flux lumineux tel qu’il se présente en sortie de composant.

De part sa nature, le diagramme de a diode laser sera plus étroit que celui de la

LED.

L’angle formé entre les rayons extrêmes et l’axe permet de déterminer l’ouverture

numérique du composant. Si cette ouverture numérique est supérieur a celle de la fibre

une part du flux ne pourra être injecté. Un raisonnement analogue peut être mené en se

basant sur les diamètres respectifs de la source et de la fibre.

La formule suivante permet le calcul de ces pertes :

Perte dia=10log source

fibre

diadia

II.3

LLEEDD LLAASSEERR

FigureII.8 : Digramme de rayonnement

2

Page 32: (2) Transmission Optique

Chapitre II Liaison à fibre optique

Transmission des données par voie optique

27

Bande passante : la rapidité à laquelle la source peut passer d’une absence

d’émission à un e émission maximale à l’état d’absence d’émission. Ces

temps permettent de donner une indication sur la bande passante que ces

sources pourrant supporter.

Durée de vie : la durée de vie d’une diode est de l’ordre de million

d’heures. Mais pendant cette période, la structure de la diode subit des

dégradations entraînant une perte de puissance d’émission. La diode sera

considéré en fin de vie lorsque la puissance de son émission aura diminué

de moitié, soit -3dB par rapport à la valeur d’origine

II.2.2.4 La modulation :

Un modulateur, c’est un système capable de modifier les paramètre de la lumière

(essentiellement amplitude et –ou phase ; mais cela pourrait être : polarisation, direction de

propagation, fréquence, répartition de modes, etc.) en fonction d’un signal de commande.

Un modulateur est un système d’interaction. Les interactions entre phénomène physique de

nature différente - mécanique (ou élastique), acoustique, magnétique, etc.

On peut moduler ces sources de deux manières différentes.

a/ Modulation directe : on agit sur le courant de jonction qui provoque l'effet laser. En

première approximation, la puissance optique délivrée varie linéairement en fonction du

courant.

Ce type de modulation provoque une modification dynamique du spectre due à la

conversion amplitude-fréquence (désignée par le terme anglo-américain de chirp) et du

diagramme de rayonnement, avec des effets nuisibles aux grandes vitesses de modulation.

b/ Modulation externe : le champ émis par la source n'est pas modulé et passe par un

circuit optique spécial où l'on peut provoquer une modulation de phase ou d'amplitude. Les

modulateurs d'amplitude ne présentent aucune propriété de linéarité mais introduisent

beaucoup moins de conversion amplitude-fréquence.

Page 33: (2) Transmission Optique

Chapitre II Liaison à fibre optique

Transmission des données par voie optique

28

Le signal modulé envoyé dans la fibre est donc nettement moins affecté par ce

phénomène mais également moins puissant que dans le cas de la modulation directe.

Le principe physique utilisé dans ces modulateurs externes est soit la variation de

l'indice de réfraction soit la variation de l'absorption (dispositifs à base de semi-

conducteurs).

II.2.3 les modules de réception :

II. 2.3.1 Introduction :

Les systèmes de transmission par fibre optique nécessitent des récepteurs optiques devant

remplir certaines conditions :

• Une grande sensibilité à la longueur d'onde de fonctionnement.

• Une grande bande passante (réponse à grande vitesse).

• Bruit minimum (courant d'obscurité le plus faible possible).

• Grande fidélité de reconstitution du signal.

• Bonne stabilité en température.

Les mêmes bruits que ceux des De même que pour les modules d'émission, de nombreux

efforts ont été fournis pour rendre les modules de réception de plus en plus performants. Le

rôle du récepteur est de convertir au mieux le signal optique en signal électrique. Ce

module est composé de plusieurs blocs fonctionnels.

On y retrouve trois parties (Figure II.10) :

Figure II.9: Structure bloc d’un récepteur optique

Page 34: (2) Transmission Optique

Chapitre II Liaison à fibre optique

Transmission des données par voie optique

29

• Le bloc de 'premier étage' composé du photodétecteur. Il peut être accompagné

d'un préamplificateur, qui a pour but de rendre le photocourant généré

suffisamment fort malgré le faible signal optique reçu ou la faible sensibilité du

photodétecteur.

• Le bloc 'linéaire', composé d'un amplificateur électrique à gain élevé et d'un filtre,

réducteur de bruit.

• Le bloc 'récupération des données', correspondant au dernier étage du récepteur.

On y trouve un circuit de décision et un circuit de récupération de rythme, encore

appelé circuit de synchronisation.

Figure II.10 : Schéma d'un récepteur de données à détection directe

Nous allons maintenant présenter chaque bloc afin de reconstituer le module de réception.

II.2.3.2 Le photodétecteur :

L'interface optique de réception, dans une liaison à fibre optique, est chargée de convertir

le signal lumineux en signal électrique, en lui apportant le minimum de dégradation. Ce

rôle est tenu par le photodétecteur, qui pour simplifier, se comporte comme un compteur de

photons et un générateur de courant. La première propriété requise est une sensibilité

importante pour la longueur d'onde utilisée. La deuxième est la rapidité : il doit être utilisé

dans des systèmes fonctionnant à 10 Gbits/s voire même 40 Gbits/s. La troisième propriété

demandée est un apport minimum de bruit.

Page 35: (2) Transmission Optique

Chapitre II Liaison à fibre optique

Transmission des données par voie optique

30

Afin de satisfaire la plupart de ces conditions, le choix se porte sur les

photodétecteurs à semi-conducteur, qui présente les avantages d'être très rapides et faciles

à utiliser, bien que d'autres dispositifs soient plus sensibles. Dans ce paragraphe, nous

rappellerons le principe de la photodétection avant d'étudier plus précisément deux

exemples de photodétecteurs : la photodiode PIN et la photodiode à avalanche (PDA).

a) Principe de la photodétection :

Les photons transmis par la fibre pénètrent dans le détecteur, constitué d'un matériau semi-

conducteur. Absorbés, ils peuvent provoquer le passage d'électrons d'un état de la bande de

valence à un état plus élevé de la bande de conduction. Dans cette dernière, les électrons

moins liés deviennent libres. Le photon a donc laissé place à une paire électron-trou. Une

différence de potentiel est appliquée afin d'empêcher les électrons de retomber dans son

état le plus stable. Sous l'effet du champ électrique, les deux catégories de porteurs sont

séparées et entraînées vers des zones où ils sont majoritaires (nommées P ou N). Les

porteurs ainsi générés sont alors recueillis sous forme de photocourant. Le nombre de

paires électron-trou est égal au nombre de photons absorbés.

b) Caractéristiques d'une photodétection :

Tout photon ne subira pas automatiquement la photodétection.

Tout d'abord, il doit posséder une énergie Ephoton égale ou supérieure à la hauteur de la

bande d'énergie interdite Eg pour faire passer l'électron de la bande de valence à la bande

de conduction. Cela implique une longueur d'onde de coupure cλ , au-delà de laquelle le

matériau devient transparent au rayonnement. c est déterminée par l'énergie de bande

interdite Eg du semi-conducteur selon la relation suivante :

Ensuite, il peut traverser le détecteur sans être absorbé. Le coefficient d'absorption du

semi-conducteur est donc un facteur essentiel qui va déterminer le rendement du

photodétecteur.

II.4

Page 36: (2) Transmission Optique

Chapitre II Liaison à fibre optique

Transmission des données par voie optique

31

Figure II.11 : Coefficient et longueur d'absorption des matériaux semi-conducteurs..

Ce coefficient dépend du matériau utilisé et de la longueur d'onde. Mais il y a d'autres

propriétés qui caractérisent un photodétecteur (Figure II.11) :

Le rendement quantique ( µ ) qui est le rapport du nombre de paires de porteurs "

photocréées et collectées " au nombre de photons incidents. Il ne peut être supérieur à 1 et

croît avec l'épaisseur de la zone absorbante.

La sensibilité (S) de la photodiode exprimée en ampères par watt et définissant le rapport

du photocourant Iph au flux énergétique (ou puissance optique Popt) reçu(e).

Ces grandeurs sont reliées par les relations suivantes, avec e représentant la charge

élémentaire de l'électron, h la constante de Planck, λ la longueur d'onde et c la vitesse de

la lumière :

υη

hpe

opt

ph

//Ι

= Et S (λ )=opt

ph

=hceλη. II.5

Le courant créé est proportionnel à la puissance lumineuse, ce qui signifie que la puissance

du signal électrique est proportionnel au carré de la puissance optique. Il s'agit d'une

détection quadratique.

Page 37: (2) Transmission Optique

Chapitre II Liaison à fibre optique

Transmission des données par voie optique

32

c) Les catégories de photodiodes PIN :

c.1) Les photodiodes PIN :

Pour effectuer la photodétection en évitant les recombinaisons des paires électron-trou, il

est nécessaire que les photons soient absorbés dans une zone dépourvue de porteurs

mobiles, assimilable à une zone de charge d'espace d'une jonction PN, encore appelée zone

déplétée. Pour favoriser le rendement quantique, il est préférable que cette zone soit large.

D'où l'intérêt de la photodiode PIN (Figure II.12)

Figure II.12 : Photodiode PIN.

La majorité des photons est absorbée dans la zone intrinsèque (I), où règne le champ

électrique pratiquement uniforme, qui sépare les porteurs. Une des zones traversée par la

lumière (P ou N) doit être de faible épaisseur, et recouverte d'une couche antireflet qui

améliore le rendement quantique externe, et qui protège le matériau.

Les paramètres importants, dépendant du matériau et de la structure, qui caractérisent une

photodiode PIN sont la sensibilité, le courant d'obscurité, le temps de réponse.

Comme nous l'avons présenté auparavant, la sensibilité dépend du rendement, elle varie

selon le coefficient d'absorption du matériau, et selon la largeur de la zone intrinsèque

On peut relever un courant d'obscurité, Iobs, qui circule dans la jonction en l'absence

d'éclairement. Ce courant ne provient donc pas des photons transmis par la fibre.

Page 38: (2) Transmission Optique

Chapitre II Liaison à fibre optique

Transmission des données par voie optique

33

Il peut avoir des origines multiples : génération thermique dans la zone intrinsèque,

courants de surface, courants de fuite... L'expression du courant total dans la photodiode

est donnée par l'Équation suivante

Le temps de réponse de la photodiode doit être très bref. Il est limité par deux facteurs.

D'une part, la capacité de jonction est d'autant plus réduite que l'on élargit la zone

d'absorption. D'autre part, le temps de transit diminue si on rétrécit cette zone. Un

compromis est donc à trouver. On améliore le temps de réponse en augmentant la tension

de polarisation inverse, ce qui réduit la capacité et le temps de transit. La longueur de la

zone intrinsèque est optimisée afin de maximiser le rendement et le temps de réponse.

Le signal électrique émis par la photodiode n'est pas parfait, il est bruité .Apparaît entre

autres le bruit quantique (encore appelé bruit photonique ou de grenaille ou bruit

Schottky). Il provient du caractère aléatoire de la création des paires électron-trou. Ce bruit

proportionnel à la puissance optique reçue par la photodiode est inévitable. L'expression de

la variance du bruit quantique s'écrit sous la forme :

Où e est la charge de l'électron ; S la sensibilité de la photodiode ; Popt la puissance optique

reçue par la photodiode et B la bande passante du signal.

Il est nécessaire de tenir compte aussi du bruit d'obscurité associé au courant d'obscurité.

La variance de ce bruit a pour expression :

Est présent également un bruit en 1/f (avec f la fréquence du signal) et un bruit thermique,

provenant des circuits de polarisation du photorécepteur et notamment du préamplificateur.

Iph = S. Popt + Iobs II.6

II.7

II.8

Page 39: (2) Transmission Optique

Chapitre II Liaison à fibre optique

Transmission des données par voie optique

34

Le bruit thermique a pour valeur :

(k étant la constante de Boltzmann, T la température et R la résistance du schéma

équivalent aux circuits du photorécepteur).

Il est possible d'accroître la sensibilité d'une photodiode par un processus de multiplication

interne à effet d'avalanche.

c.2) Les photodiodes à avalanche APD :

Afin que le rapport signal sur bruit soit suffisamment important, l'idée d'utiliser le

phénomène de multiplication interne pour qu'un photon incident n'engendre plus un seul

photo-électron, mais plusieurs a été soulevée, ceci pour augmenter la puissance du signal

électrique correspondant à une puissance optique incidente donnée.

En faisant croître le champ électrique dans la jonction PIN, l'énergie des porteurs s'élève,

jusqu'au point d'ioniser un atome en cas d'impact avec celui-ci. Des ionisations en chaîne

se produisent alors et les porteurs se multiplient. Ce photodétecteur à gain interne est

appelé photodiode à avalanche ou PDA (en anglais APD). Le gain de multiplication par

ionisation par impact, appelé aussi facteur de multiplication M, est le rapport entre le

nombre moyen de porteurs secondaires créés par ionisation et le nombre de porteurs

primaires provenant de la photodétection. La valeur du courant relatif au nombre de

photons absorbés devient :

IPDA = M (V) * S (λ ) * Popt II.10

Le gain augmente avec la différence de potentiel appliquée, mais est limité à une valeur

maximale. Si le champ devient trop fort, il y a risque de claquage. Cette valeur limite de

tension dépend du matériau et de la structure utilisés.

Tout comme pour les photodiodes PIN, il existe plusieurs structures possibles. Voici à titre

d'exemple le cas d'une structure dans le Silicium.

II.9

Page 40: (2) Transmission Optique

Chapitre II Liaison à fibre optique

Transmission des données par voie optique

35

Elle résulte d'un compromis entre une zone d'absorption large, et une jonction très

abrupte pour obtenir un très fort champ électrique. C'est le principe de la structure pπ pn

(Figure II-13).

Figure II-13 : Structure d'une photodiode à avalanche pπ pn.

L'absorption a lieu dans une zone large et peu dopée, dite π et la multiplication a lieu

dans la jonction abrupte pn+. En outre, pour une tension inverse élevée, la zone de charge

d'espace s'étend dans la zone π , dont la résistivité va augmenter avec la tension.

Ce principe introduit un effet stabilisateur : le champ électrique et le gain augmentent

lentement, ce dernier peut atteindre de fortes valeurs tout en le commandant avec

précision. Il est plus facile d'éviter le claquage.

Le courant d'obscurité observé, Iobs', est plus important dans une photodiode en régime

d'avalanche, mais il reste en général inférieur au gain, M, multiplié par le courant

d'obscurité non multiplié. En effet, toutes les composantes de celui-ci ne subissent pas le

phénomène d'avalanche.

Le courant débité par la PDA vaut :

Iph' = M . S . Popt + Iobs' II.11

La rapidité est affectée par le phénomène d'avalanche. Elle est donc inférieure à celle des

photodiodes PIN, à cause du temps de multiplication, mais reste élevée (de l'ordre de la

nanoseconde).photodiodes PIN affectent les photodiodes PDA .

Page 41: (2) Transmission Optique

Chapitre II Liaison à fibre optique

Transmission des données par voie optique

36

Il faut noter que le bruit quantique est également multiplié par le gain M. De plus,

chaque porteur primaire ne donne pas naissance à un même nombre m de porteurs

secondaires. Cette fluctuation de m donne naissance à un bruit supplémentaire.

d) Comparaison PIN, APD :

caractéristiques PIN APD

technologie simple complexe

Mise en œuvre simple délicate

Gain interne nom Oui (gain d’avalanche)

Tension de polarisation faible élevée

Courant d’obscurité faible moyenne

Facteur d’accès de bruit non oui

II.2.4 Canal de transmission :

II.2.4.1 la fibre optique

Fibre monomode (9/125)

Fibre dans laquelle un seul faisceau lumineux circule à la longueur d’onde considérée. Le

coeur d’une fibre monomode est de faible diamètre (typiquement 9 µm) (figure II.15).

Figure II.15 : Fibre monomode

Page 42: (2) Transmission Optique

Chapitre II Liaison à fibre optique

Transmission des données par voie optique

37

Coeur : Silice, ∅=9µm

Gaine optique: Silice, Ø= 125 µm

Revêtement de protection: Matériau plastique (ø=250 µm)

II.2.4.2 Caractéristiques de transmission : (figure II.16)

_ La fibre monomode est utilisée pour les liaisons à débits importants, pour les longues

distances supérieures à 1 km ou pour les réseaux nécessitant peu de points de

raccordement.

_ La fibre monomode est très performante. La bande passante permet de transmettre un

très grand nombre d’informations.

_ L’ouverture numérique faible (0,113 mm) nécessite une source lumineuse cohérente

(Laser).

_ Le coeur d’un diamètre faible nécessite des manipulations relativement délicates ainsi

qu’un matériel de haute précision.

Figure II.16 : Caractéristiques de transmission d’une fibre monomode

Page 43: (2) Transmission Optique

Chapitre II Liaison à fibre optique

Transmission des données par voie optique

38

II.2.4.3 Raccordement des fibres optique :

Le raccordement des fibres optiques pour les transmissions à grande distance est

indispensable, cela nécessite de les couper à la longueur appropriée à chaque répéteur et de

les connecter à d’autres composants.

Lorsque les câbles optiques ont été mis en place, vérifiés par un réflectométrie, pour

détecter des dégâts éventuels que la fibre aurait pu subir lors du tirage, il ne reste plus qu’à

poser les connectiques appropriés. Soit de type connecteurs ou des épissures, qui

permettent de réaliser ce raccordement.

II.2.4.4 Type de raccordement

Selon la nature de la liaison à établir, on peut distinguer trois types de raccordements

• les raccordements fixes.

• les raccordements semi-fixes.

• les raccordements démontables.

a. Les raccordements fixes

Ce sont des raccordement qu’il ne sera plus possible d’ouvrir une fois qu’ils sont posé, leur

destination principale et la mise bout à bout de plusieurs câbles optiques a fin de constituer

des liaisons à grande portée.

Trois techniques sont utilisées dans ce type de raccordement :

a.1 la soudure :

La soudure est une technique de raccordement fixe la plus récente, cela consiste à

chauffer les deux extrémités de la fibre de manière que la silice atteigne son point de

fusion. On obtient ainsi une soudure sans apport le matériau.

Les épissures par fusion présentent des pertes d’insertion très faibles moins de 0.1

dB, pas de réflexion parasite et encombrements très réduits.

a.2 Le collage :

Le principe est de noyer dans la colle deux fibres positionnées l’une en face de

l’autre. Pour cela on utilise un centreur en élastomère translucide dans lequel une rainure

est gravée. Ce type de raccordement présente un affaiblissement voisin de 0.1 dB.

Page 44: (2) Transmission Optique

Chapitre II Liaison à fibre optique

Transmission des données par voie optique

39

a.3 Le sertissage :

Le sertissage est un moyen d’épissurer deux fibres qui est simple d’utilisation, et

qui assure une bonne protection. Il existe différents types de sertissage, suivants les

fabricants qui les ont développées, le principe de fonctionnement est toujours le même.

Le sertissage présent l’avantage d’être facile et rapide, la qualité reste tout de même

très bonne, les pertes typiques sont de l’ordre de 0.1 dB.

b. Les raccordements semi-fixes :

Ce type de raccordement est un moyen qui permet de mettre les deux fibres bout à bout

d’une façon non permanente.

On trouve dans cette catégorie de raccordement :

• Le domaine optique: utilisé pour effectuer des mesures comme la vérification du

tirage d’un câble avant la mise en place de la connectique définitive.

• Le borner optique : se présente sous forme d’un raccordement modulaire.

• L’adaptateur pour fibre nue.

c. Les raccordements démontables :

On utilise dans ce type de raccordement, les connecteurs qui réalisent un raccordement

avec une bonne résistance mécanique, utilisé en un nombre de manœuvre importantes, il

est généralement constitué de deux fiches et d’un raccord ou d’une embase et d’une fiche,

les connecteurs sont utilisés aux extrémités de la liaison pour le raccordement aux

équipements d’émission et de réception et dans les répartiteurs optiques.

Aujourd’hui les connecteurs pour fibres monomodales ont une perte d’insertion moyenne

inférieure à 0.5dB.

II.2.4.5 Répéteur ou régénérateur de signal :

Il existe deux solutions d'ingénierie d'un répéteur : • solution électro-optique : le faible signal optique reçu est converti en signal

électrique par un photo-détecteur, est électriquement amplifié et module un

faisceau LASER en sortie (conversion électrique-optique) (figure II.17).

Page 45: (2) Transmission Optique

Chapitre II Liaison à fibre optique

Transmission des données par voie optique

40

• solution purement optique : le faible signal reçu est mélangé avec le signal issu d'un

LASER optique et est amplifié par un amplificateur optique à base d'ions Er3+

(figure II.18).

Exemple : Dans le cas d'une liaison transatlantique Paris-New York, 60 à 70 répéteurs

sont nécessaires.

Figure II.17 : Répéteur électro-optique

Figure II.18 : Répéteur purement optique

Page 46: (2) Transmission Optique

Chapitre III composants optique

Transmission des données par voie optique

41

Page 47: (2) Transmission Optique

Chapitre III composants optique

Transmission des données par voie optique

42

Introduction :

Le principal élément de la partie transmission est la fibre optique. Elle offre une très

grande capacité de transport, plus grande que les convertisseurs optique-électronique et les

composants électroniques. D'où l'idée de traiter le plus souvent possible le signal lumineux

avant sa conversion électrique. Pour cela, de nombreux progrès ont été réalisés sur les

composants optiques. Nous verrons tout d'abord les composant actifs certain de ces

composants sont détaillé en deuxième chapitre (laser, détecteur et modulateur) ont

s’intéresse à l'amplification optique et les différents amplificateurs permettant de la

réaliser. Seront abordés également dans ce paragraphe les composants passifs comme les

filtres optiques, les isolateurs et les coupleurs.

Aujourd'hui, on ne peut plus parler de systèmes de télécommunications sans ces

éléments.

III.1. Amplification optique

L'évolution des systèmes de transmission optique a connu une révolution avec la mise

au point et le développement industriel des amplificateurs optiques à la fin des années 80.

Trouvant désormais des fibres optiques à dispersion chromatique soit faible, soit

opposée (dite fibre à compensation de dispersion dont le sigle anglais est DCF), la

principale contrainte de ce support de transmission était devenue l'atténuation des signaux

durant la propagation. Or le photodétecteur émettra un courant de qualité, codant

correctement l'information à transmettre, seulement si le photocourant n'est pas noyé dans

le bruit, et donc si la puissance optique reçue est suffisamment importante. L'amplification

optique devient alors une alternative aux complexes répéteurs-régénérateurs

optoélectroniques. Elle permet de compenser ces pertes et de contrôler régulièrement la

puissance optique des signaux. Il est désormais possible de transmettre le signal optique

sans conversion sur une distance beaucoup plus importante.

L'amplification optique est à l'origine d'une véritable révolution dans le domaine des

télécommunications, vu les avantages que cette technologie procure en association avec le

multiplexage en longueur d'onde (WDM). En effet, cette amplification peut intervenir sur

Page 48: (2) Transmission Optique

Chapitre III composants optique

Transmission des données par voie optique

43

l'ensemble des N longueurs d'onde d'un multiplex, sans distorsion du signal utile. Il évite

donc une conversion optoélectronique et une amplification électrique sur chaque canal,

donc N amplificateurs électriques.

Avant d'étudier deux exemples d'amplificateurs optiques, l'amplificateur à semi-

conducteur et l'amplificateur à fibre dopée à l'erbium, quelques généralités et le principe de

l'amplification optique seront traités dans le premier paragraphe.

III.1.1) Généralités sur l'amplification optique

L'amplification optique repose sur le phénomène d'émission stimulée, déjà présentée

dans le paragraphe sur les diodes lasers. Le signal est amplifié dans un guide (semi-

conducteur ou fibre) grâce à un apport extérieur d'énergie appelé pompage (courant injecté

ou source de lumière) qui vient créer une inversion de population. La recombinaison

électron-trou peut ensuite être provoquée par un photon incident, ce qui donne naissance à

un deuxième photon de même fréquence, de même phase et même direction. Cette

émission est dite stimulée et conduit à une amplification du signal.

En même temps, la recombinaison peut se faire sans la présence d'un photon incident.

Ces photons, émis de façon spontanée, de manière non cohérente, constituent le bruit de

l'amplification optique.

L'ensemble des photons, originels ou pas, subissent une série d'amplifications. Les

photons spontanés seront aussi amplifiés, ce qui définit la source de bruit appelée ESA

(Émission Spontanée Amplifiée).

III.1.2) Les amplificateurs à semi-conducteur (AOSC)

Les premiers travaux sur les AOSC ont démarré au début des années 80, à partir du

moment où les lasers à semi-conducteur fonctionnaient en continu avec une fiabilité

acceptable. Leur structure de base est peu différente de celle d'une diode laser. Nous

retrouvons l'inversion de population, l'émission spontanée et stimulée, les recombinaisons

non radiatives, une source externe ... Contrairement aux lasers à semi-conducteur, il n'y a

Page 49: (2) Transmission Optique

Chapitre III composants optique

Transmission des données par voie optique

44

pas de miroirs aux extrémités mais un revêtement antireflets déposé sur les faces clivées

afin de diminuer les réflexions de la lumière vers l'intérieur du circuit. Figure III.1

Figure III.1: Configuration de base d'un amplificateur optique à semi-conducteur.

La lumière incidente entre dans le circuit, est amplifiée et sort par l'autre extrémité1

pour être couplée dans la fibre. Idéalement, il n'y a pas de réflexion du signal dans

l'amplificateur.

Les principales caractéristiques des AOSC sont :

Un gain élevé (jusqu'à 30 dB) selon le semi-conducteur, la longueur d'onde, le

courant injecté et la puissance du signal incident.

Une puissance de saturation en sortie autour de 5 - 10 mW.

Une bande passante optique importante, de l'ordre de 5 THz (soit environ 40 nm

autour de 1550 nm).

Les non-linéarités sont particulièrement importantes dans les conditions de

saturation du gain.

C'est de loin le dispositif amplificateur le plus compact qui existe, avec un

rendement (rapport gain à la consommation électrique) record. De plus, sa

technique de fabrication est compatible avec l'intégration monolithique de

nombreux autres composants actifs et passifs, ce qui offre des perspectives

attrayantes en matière de traitement optique du signal, et aussi probablement en

terme de coût.

Page 50: (2) Transmission Optique

Chapitre III composants optique

Transmission des données par voie optique

45

Les pertes de couplage du faisceau incident dans l'amplificateur sont élevées, en

raison de la supériorité du diamètre du faisceau sur l'épaisseur de la couche active

du semi-conducteur.

III.1.3) Les amplificateurs à fibre dopée (EDFA) :

Le milieu amplificateur est cette fois-ci le coeur d'une fibre optique monomode dopée

avec des ions de terre rare. Pour que la fibre ne soit pas absorbante, mais amplificatrice, il

faut l'associer à un pompage optique. Un multiplexeur permet de coupler le flux lumineux

puissant provenant d'une diode laser de pompe et le signal à l'intérieur de la fibre. Les

longueurs d'onde de pompe doivent permettre des transitions vers les états excités des ions

de terre rare et créer l'inversion de polarisation.

L'ensemble module de pompe, multiplexeur et fibre dopée forme l'amplificateur le plus

rudimentaire. La longueur de fibre est généralement comprise entre 10 et 20 mètres. Pour

l'amplification autour de 1550 nm, fenêtre spectrale la plus utilisée car de faible atténuation

des fibres optiques en silice, les dopants sont des ions Erbium Er3+. On parle alors

d'Amplificateur à Fibre Dopée à l'Erbium (AFDE ou EDFA, Erbium Doped Fiber

Amplifier en anglo-américain ). 980 et 1480 nm sont les deux longueurs d'onde de pompe

les mieux adaptées à l'EDFA. Et des diodes lasers à semi-conducteur sont disponibles à ces

longueurs d'onde (lasers en AlGaAs pour le 980 nm et lasers en InGaAsP pour le 1480

nm). Le multiplexeur optique, sélectif en longueur d'onde, doit présenter une perte

d'insertion faible à ces deux longueurs d'onde afin d'optimiser le rendement optique du

système. Des isolateurs présents à chaque extrémité en assurent aussi la stabilité en

bloquant tous les faisceaux lumineux susceptibles de revenir en aval. Le signal de pompe

peut être couplé dans la fibre en co-propagation (mêmes sens pour le signal et le signal de

pompe) afin de réduire le facteur de bruit ou en contre-propagation (sens opposés du signal

de pompe sur le signal utile) favorisant ainsi une plus forte puissance de saturation. Mais

afin d'augmenter et uniformiser dans la fibre dopée l'inversion de polarisation et donc

l'amplification du signal, un double pompage aux deux extrémités peut également être

réalisé. La (Figure III.2) représente la configuration d'un de ces amplificateurs à fibre

dopée.

Page 51: (2) Transmission Optique

Chapitre III composants optique

Transmission des données par voie optique

46

Figure III.2: Configuration d'un amplificateur optique à fibre dopée à l'erbium avec

pompage optique.

III.1.4) Comparaison des amplificateurs

L'amplificateur à semi-conducteur n'apparaît que très peu dans un système de

transmission, car il présente aujourd'hui des caractéristiques assez peu favorables, au

regard des EDFA. On notera cependant qu'il est le meilleur candidat à 1,3 µm. De plus, il

se prête à l'intégration monolithique, ce qui est difficilement réalisable avec les EDFA.

L'apparition de ces derniers a néanmoins eu des conséquences fondamentales. Ils ont

permis de fabriquer un milieu de propagation sans perte sur une très grande distance dans

les systèmes de transmission travaillant à 1,55 µm. En les insérant périodiquement, ils

trouvent leur application dans les liaisons sous-marines. Ils introduisent de plus faibles

pertes d'insertion, une faible distorsion du signal, un gain plus important et sont insensibles

à la polarisation de la lumière incidente contrairement aux AOSC. Ceci conduit à préférer

les EDFA. Leur plus gros défaut est leur limite à amplifier uniquement autour de 1550 nm.

III.1.5) Utilisation de l'amplificateur optique

Le choix d'un amplificateur optique doit cependant se faire en fonction de son rôle. Il

peut servir d'amplificateur de puissance en émission (booster), de préamplificateur en

réception ou d'amplificateur en ligne. Selon l'utilisation qui en est faite, les paramètres

diffèrent. On demandera par exemple à un amplificateur de puissance d'être capable de

délivrer une puissance de sortie élevée et ses caractéristiques de bruit seront assez peu

critiques, tandis qu'un préamplificateur doit être le moins bruyant possible. L'amplificateur

en ligne sera un compromis à tout cela afin à la fois de ne pas dégrader la qualité du signal

transmis et allonger la distance de transmission.

Page 52: (2) Transmission Optique

Chapitre III composants optique

Transmission des données par voie optique

47

Figure III.3: Configuration des amplificateurs optiques (A1 et A2 représentent les

fibres optiques).

III.2 .Les atténuateurs, isolateurs et les compensateurs de dispersion

Un atténuateur consiste en un assemblage de filtres, réduisant l’intensité de la lumière qui

le traverse. Ce composant est utilisé dans les télécommunications optiques pour réguler la

quantité de lumière arrivant sur les composant sensibles, tels que les photo_détecteur

Un isolateur optique consiste en un assemblage de lentilles et de prismes, transmettant la

lumière uniquement dans une seule et même direction. Ces composants sont généralement

utilisés pour stopper la réflexion ou pour isoler les sources émissives, comme les lasers.

Durant la transmission des multiples longueurs d’onde dans une fibre, les longueurs

d’onde les plus longues ont tendance à prendre de l’avance sur les plus courtes, du fait de

leurs modes de dispersion différents durant le trajet. De ce fait, le spectre du signal

transmis devient plus large que celui émis à l’origine.

Page 53: (2) Transmission Optique

Chapitre III composants optique

Transmission des données par voie optique

48

Pour réguler ce phénomène, on insère avant le récepteur du compensateur de dispersion,

constitues d’une fibre courte, ralentissant les longues d’onde longues et accélérant les

courtes.

III.3. Les coupleurs

Dans les réseaux de fibres optiques, les coupleurs permettent de distribuer le signal

optique vers plusieurs fibres ou inversement, acheminer le signal venant de plusieurs fibres

vers une seule. Le principe de base est celui du couplage par onde évanescente entre deux

fibres dont les coeurs sont très proches. Pour que les coupleurs permettent une diffusion

efficace d’informations, ils doivent satisfaire à deux conditions fondamentales :

• Leur panne ne doit pas perturber le système auquel ils donnent accès.

• Le prélèvement de données en un point ne doit pas soutirer plus de quelques pour-

cent de la puissance transmise.

Il existe plusieurs formes de coupleurs, telles que les coupleurs étoiles qui disposent de N

entrées et N sorties, les coupleurs séries qui disposent de deux entrées et une sortie ou

inversement, les coupleurs en T et les coupleurs en Y.

Compensateur de dispersion

Figure III.4 Principe d’un compensateur de dispersion

Page 54: (2) Transmission Optique

Chapitre III composants optique

Transmission des données par voie optique

49

Figure III 5: Coupleur Etoile

Le coupleur se compose de guides constituant ses entrées et ses sorties. En effet, la figure

suivante présente un exemple de coupleurs à deux entrées et une sortie.

Figure III.6 : coupleur à deux entrées et une sortie

Les puissances Pa et Pb injectées dans les deux guides du coupleur ont pour expressions :

Pa = Sin² (k.z) où z : Direction de propagation de la lumière le long du coupleur.

Pb = Cos² (k.z) k : Coefficient de couplage entre les modes des deux guides d’ondes.

Pour assurer le transfert de toute la puissance optique, le coupleur doit avoir une longueur

Lc.

Page 55: (2) Transmission Optique

Chapitre III composants optique

Transmission des données par voie optique

50

III.4. Les filtres optiques

Le filtrage a pour but de limiter l'occupation spectrale d'un signal. La séparation

spectrale est réalisée en réfléchissant une certaine gamme de longueurs d'onde et en

transmettant les autres. On caractérise donc le filtre par sa bande passante, c'est-à-dire le

domaine de fréquences (ou de longueurs d'onde) pour lequel il laisse passer la lumière et

par sa bande atténuée, c'est-à-dire le domaine de fréquences (ou de longueurs d'onde) pour

lesquelles il réfléchit la lumière incidente. Ces deux domaines spectraux peuvent être très

larges notamment pour les filtres passe-haut et passe-bas.

Conclusion :

Les fibres optiques possèdent de nombreuses qualités pour transmettre une grande

quantité d'informations sur de longues distances. Plusieurs de leurs défauts ont été

énumérés (par exemple la dispersion chromatique) et des solutions sont proposées pour les

corriger (fibres de compensation). Sont apparus sur le marché depuis quelques années des

amplificateurs optiques pour remédier à l'atténuation du signal dans les fibres.

Page 56: (2) Transmission Optique

Chapitre IV Techniques de codage et transmission sur fibre optique

Transmission des données par voie optique

51

Page 57: (2) Transmission Optique

Chapitre IV Techniques de codage et transmission sur fibre optique

Transmission des données par voie optique

52

IV.1 Introduction :

Transmettre un signal numérique consiste à reconstituer,à la réception, la signal original

et à en extraire l’horloge (phase et fréquence). Cette horloge est utilisée aussi bien pour

des opérations de décision que pendant les opérations de conversion (numérique

analogique) et éventuellement lors du multiplexage.

Au cours de sa propagation, le signal numérique subit une détérioration (élargissement de

l’impulsion) due au caractère dispersif de la fibre. Cet élargissement se traduit par le

phénomène d’interférences intersymboles.

La qualité d’une liaison numérique est caractérisée par le taux d’erreur qui est donné par :

reçusbitsdeNombreerronésbitsdeNombreTEB =

Un système de transmission pour objectif d’acheminer à partir d’une source. Ou émetteur,

une information vers un destinataire, ou récepteur. Nous allons donc commencer par

décrire brièvement qui doit être transmise.

IV.1.1 Information analogique et numérique :

Il convient de bien différencier l’information de la transmission l’information est

représentative de faits, de données. Ces données peuvent être d’origine analogique ou

numérique, c’est à dire représentées par une suite binaire.

Une information analogique peut être numérisée, par exemple la vidéo. Inversement, des

données numériques peuvent être transformées en signaux analogiques.

Un signal est dit numérique lorsque son amplitude ne prend que des valeurs discrètes par

intervalle.

Il est dit analogique lorsque son amplitude varie de manière continue dans le temps.

IV.1.2 Les codages en bande de base

Le signal binaire n’est généralement pas transmis directement sur la ligne et différents

codages numériques sont utilisés pour différentes raisons :

• La récupération de l’horloge nécessaire en transmission synchrone est facilitée par des

séquences qui présentent des changements d’états fréquents et évitent ainsi les longues

suites de 1 ou de 0.

Page 58: (2) Transmission Optique

Chapitre IV Techniques de codage et transmission sur fibre optique

Transmission des données par voie optique

53

• Le spectre d’un signal binaire est concentré sur les fréquences basses qui sont les

plus affaiblies sur la ligne.

• Les perturbations subies par un signal sont proportionnelles à la largeur de sa bande

de fréquence.

La transmission est dite en bande de base si elle ne subit aucune transposition de

fréquence par modulation. Les fréquences initiales du signal émis sont donc préservées. La

transmission en bande de base ne peut donc par essence être utilisée que sur support cuivre.

Les signaux bande de base sont sujets à une atténuation dont l’importance dépend du

support employé et doivent donc être régénérés périodiquement sur une longue distance.

IV.1.3 La modulation numérique

Différentes raisons rendent impossibles la transmission en bande de base à des vitesses

élevées et sur de grandes distances :

• Pas de propagation pour les fréquences en dehors de la bande passante du support.

• Pertes et affaiblissements du fait de la ligne.

• Impossibilités de différencier plusieurs communications sur un même support.

• Bruit, diaphonie.

• Ces raisons imposent la transformation des données numériques en un signal

analogique adapté au support de transmission.

IV.2 Codage binaire à signal

L’information que nous venons de définir est une grandeur abstraite et immatérielle,

dans le cas numérique c’est simplement une suite de nombres. Pour le transmettre il faut"

imprimer" sur des signaux physiques, en générale électriques ou électromagnétiques.

C’est cette opération que l’on appelle "codage binaire à signal ".

IV.2.1 Quelques exemples de codes en ligne :

Il existe une grande variété en ligne développes depuis le début de la transmission

numérique. Le choix est dicté en particulier par des spectrales, c'est-à-dire des

caractéristiques de la densité spectrale de puissance de signal aléatoire.

Le principe générale du codage peut être résumé ainsi : on dispose d’un ensemble de

Page 59: (2) Transmission Optique

Chapitre IV Techniques de codage et transmission sur fibre optique

Transmission des données par voie optique

54

signaux de durée T, constituant ce qu’on appelle un alphabet, et on associe à la donnée Ak

à transmettre dans l’intervalle de temps] kT, (k+1)T], k entier, l’un des signaux de cet

alphabet.

Lorsque le signal utilisé ne dépend que de la donnée Ak on dit que le code est à des

symboles indépendants. Lorsqu’au contraire une corrélation existe entre les signaux

successifs, comme ce qui rencontre par exemple dans une longue ou n’importe quelle lettre

ne peut pas succéder a n’importe quelle lettre on dit que le code à des symboles corréler.

IV.2.2 Choix du code de transmission :

Il dépend d’un certain nombre de paramètres :

• Spectre en bande de base

Il doit satisfaire aux spécifications suivantes :

- Un encombrement minimum.

- Une transmission nulle en continu.

L’encombrement minimum permet de réduire le bruit à la réception et éventuellement de

réaliser un multiplexage en longueur d’onde.

La polarisation des éléments actifs du récepteur oblige à découpler la source de

polarisation à l’aide de capacités bloquant ainsi toute composante continue. Pour éviter

tout problème de transmission, il est important que le signal transmis n’ait pas de

composante continue.

• Récupération du rythme

Elle est nécessaire lors de la prise de décision (1 ou 0) et également lors de la

régénération du signal numérique. Il faut donc que le code en ligne choisi permette la

récupération du signal d’horloge.

• Contrôle automatique du taux d’erreur

Pour que ce contrôle puisse se faire sans interruption de la transmission, il faudrait que

le code utilisé soit redondant.

Page 60: (2) Transmission Optique

Chapitre IV Techniques de codage et transmission sur fibre optique

Transmission des données par voie optique

55

IV.2.3 Représentation des signaux codes :

Parmi les codes les plus utilisés nous citerons les codes NRZ et HDBn :

Pour l’ensemble des différents codes décrits, nous prendrons la même suite binaire afin de

permettre la comparaison : 1 0 0 0 0 1 0 1 1 1 1

a) Codage NRZ (Non Return to Zero)

Principe : très proche du codage binaire de base, il code un 1 par +V, un 0 par -V

Le

codage NRZ améliore légèrement le codage binaire de base en augmentant la différence

d’amplitude du signal entre les 0 et les 1. Toutefois les longues séries de bits identiques (0

ou 1) provoquent un signal sans transition pendant une longue période de temps, ce qui

peut engendrer une perte de synchronisation.

Le débit maximum théorique est le double de la fréquence utilisée pour le signal : on

transmet deux bits pour un hertz.

. Particularités de code NRZ:

• Possède une composante spectrale non nulle.

• Plusieurs séquences de zéros ne contiennent aucune information sur le rythme. Pour

éviter de longues séquences de zéros (de un) on utilise un brouilleur à l’émission et

un débrouilleur à la réception. Le brouillage est une opération qui consiste à émettre

avec le signal, une séquence pseudo-aleatoire que l’on élimine à la réception à l’aide

du débrouilleur.

• Grande facilité de mise en œuvre.

Figure IV.1

Page 61: (2) Transmission Optique

Chapitre IV Techniques de codage et transmission sur fibre optique

Transmission des données par voie optique

56

b) Codage HDBn (Haute Densité Binaire d'ordre n) :

Utilisation : HDB3

Principe : le principe de base est le même que pour le codage bipolaire, mais pour éviter

une trop longue série de 0, on introduit un bit supplémentaire au signal pour terminer

une série de n 0 consécutifs. Ce bit supplémentaire est de même phase que le dernier 1

transmis pour pouvoir l’identifier, afin qu’il ne soit pas pris en compte dans l’information

transmise.

Les densités spectrales de puissance

Figure IV.2

Figure IV.3

NRZ

HDB3

Page 62: (2) Transmission Optique

Chapitre IV Techniques de codage et transmission sur fibre optique

Transmission des données par voie optique

57

c) Codage NRZI (Non Return to Zero Inverted)

Utilisation : Fast Ethernet (100BaseFX), FDDI

Principe : on produit une transition du signal pour chaque 1, pas de transition pour les 0.

Avec le codage NRZI, on voit que la transmission de longues séries de 0 provoque un

signal sans transition sur une longue période. Le débit binaire est le double de la fréquence

maximale du signal : on transmet deux bits pour un hertz.

d) Codage Manchester

Utilisation : Ethernet 10Base5, 10Base2, 10BaseT, 10BaseFL

Principe : dans le codage Manchester, l’idée de base est de provoquer une transition du

signal pour chaque bit transmis. Un 1 est représenté par le passage de +V à –V, un 0 est

représenté par le passage de -V à +V.

Figure IV.4

Page 63: (2) Transmission Optique

Chapitre IV Techniques de codage et transmission sur fibre optique

Transmission des données par voie optique

58

La synchronisation des échanges entre émetteur et récepteur est toujours assurée, même

lors de l’envoi de longues séries de 0 ou de 1. Par ailleurs, un bit 0 ou 1 étant caractérisé

par une transition du signal et non par un état comme dans les autres codages, il est très

peu sensible aux erreurs de transmission.

La présence de parasites peut endommager le signal et le rendre incompréhensible par le

récepteur, mais ne peut pas transformer accidentellement un 0 en 1 ou inversement.

Toutefois, le codage Manchester présente un inconvénient : il nécessite un débit sur le

canal de transmission deux fois plus élevé que le codage binaire. Pour 10 Mbit/s transmis,

on a besoin d’une fréquence à 10 Mhz.

Ceci le rend difficilement utilisable pour des débits plus élevés. L’utilisation de ce codage

pour une transmission à 1 Gbit/s nécessiterait une fréquence maximale du signal de 1 Ghz,

ce qui est incompatible avec les possibilités des câblages actuels ainsi qu’avec les normes

sur les compatibilités électromagnétiques. Plus la fréquence du signal est élevée, plus les

phénomènes de paradiaphonie pouvant perturber les installations avoisinantes du câble

sont sensibles. Les normes ISO 11801 et EN 50173 fixent entre autres les règles de

compatibilité électromagnétiques (EMC : Electro Magnetic Compatibility).

Figure IV.5

Page 64: (2) Transmission Optique

Chapitre IV Techniques de codage et transmission sur fibre optique

Transmission des données par voie optique

59

IV .3 Les modulations de base :

IV 3.1 Modulation de fréquence ou FSK (Frequency Shift Keying)

En modulation de fréquence, les niveaux logiques sont représentés par la variation de la

fréquence de la porteuse. Par exemple :

La modulation FSK est utilisée pour des transmissions à faible débit sur le réseau

téléphonique commuté.

IV.3.2 Modulation de phase ou PSK (Phase Shift Keying):

La modulation de phase associe à un code binaire une valeur de la phase de la porteuse. La

vitesse peut être facilement augmentée en utilisant un code binaire sur 2, 3 bits ou plus

sans augmentation de la fréquence de la porteuse.

Figure IV.6

Figure IV.7

Page 65: (2) Transmission Optique

Chapitre IV Techniques de codage et transmission sur fibre optique

Transmission des données par voie optique

60

IV.3.3 Modulation d'amplitude ou ASK (Amplitude Shift Keying)

La modulation d’amplitude s’applique en faisant varier l’amplitude du signal en fonction

des bits à coder. Par exemple :

A noter que la modulation d’amplitude est la seule utilisable sur fibre optique, car les

équipements utilisés actuellement ne sont pas en mesure d’appliquer une autre modulation

sur les ondes lumineuses. Dans ce cas, la modulation s’effectue par tout ou rien.

Par contre, elle est peu employée sur d’autres supports, car elle provoque une

détérioration du rapport signal sur bruit.

IV.3.4 Modulation QAM :

La modulation QAM (Quadrature Amplitude Modulation) ou modulation d’amplitude

en quadrature de phase est une technique qui emploie une combinaison de modulation de

phase et d’amplitude. Elle est largement employée par les modems pour leur permettre

d’offrir des débits binaires élevés.

Prenons par exemple un signal modulé QAM avec 3 bits transmis par baud. Une telle

modulation requiert donc 23 soit 8 combinaisons binaires différentes. Dans notre exemple,

nous prendrons 2 amplitudes combinées avec 4 décalages de phase différents. La table de

correspondance pourra être du type :

Figure IV.8

Page 66: (2) Transmission Optique

Chapitre IV Techniques de codage et transmission sur fibre optique

Transmission des données par voie optique

61

Exemple de codage de la suite binaire 1 0 0 0 0 1 0 1 1 1 1 0 à partir de la table ci-dessus :

Les combinaisons possibles en modulations QAM sont souvent représentées par une

constellation de points représentant chacun un groupe de bits.

Figure IV.9

Page 67: (2) Transmission Optique

Chapitre IV Techniques de codage et transmission sur fibre optique

Transmission des données par voie optique

62

Exemple de constellation QAM8 (3 bits par baud)

Dans une constellation QAM, l’éloignement du point par rapport à l’origine indique

l’amplitude, son angle indique le décalage de phase. Chacun des canaux définis par le

multiplexage DMT (Discrete MultiTone) en ADSL est modulé en QAM sur 15 bits au

maximum. 32768 combinaisons d’amplitudes et de décalages de phase sont donc

nécessaires.

Il existe également une variante de la modulation QAM, la modulation codée en treillis

TCM (Trellis Coded Modulation). Ce type de modulation est utilisé pour les modems

rapides (V32, V34, V90).

IV .4 Type de transmission :

IV .4.1 Transmission asynchrone :

Les transmissions asynchrones se réalisent pour des systèmes de transmission

possédant chacun une horloge différente

En transmission asynchrone, La transmission n'est donc pas continue mais par

paquets séparés par des "silences"

Figure IV.10 :

Page 68: (2) Transmission Optique

Chapitre IV Techniques de codage et transmission sur fibre optique

Transmission des données par voie optique

63

IV. 4.2 Transmission synchrone

Pour s'affranchir des erreurs de bits répétées ou ratées, l'émetteur et le récepteur doivent

avoir rigoureusement la même horloge.

IV.5 Les techniques de multiplexage

IV.5.1 Multiplexage TDM:

Le multiplexage TDM (Time Division Multiplexing) ou MRT (Multiplexage à répartition

dans le temps) consiste à af

Figure IV.11

Figure IV.12

Page 69: (2) Transmission Optique

Chapitre IV Techniques de codage et transmission sur fibre optique

Transmission des données par voie optique

64

fecter à un utilisateur unique la totalité de la bande passante pendant un court instant et à

tour de rôle pour chaque utilisateur.

Schéma de principe d’un multiplexage à répartition dans le temps

Le multiplexage TDM permet de regrouper plusieurs canaux de communications à bas

débits sur un seul canal à débit plus élevé.

2) Electronique (ETDM):

L’ETDM (Electronic Time Division Multiplexing). le codage RZ et " l'assemblage " des

données se font électriquement (Figure I- 14).

Figure IV.14: Synoptique du multiplexage ETDM.

Figure IV.13 :

Page 70: (2) Transmission Optique

Chapitre IV Techniques de codage et transmission sur fibre optique

Transmission des données par voie optique

65

Le haut débit obtenu est ensuite utilisé pour la modulation du courant de polarisation

d'une diode laser et il n'y a qu'un seul signal lumineux émis. Cette étape est schématisée

sur la Figure IV-15 par la présence de trois circuits électroniques et d'un multiplexeur

électronique(circuit rapide).

FigureIV.15: Schéma de principe du multiplexage ETDM dans les communications par

fibre optique.

On retrouve ce type de multiplexage temporel sur les canaux T1 aux Etats-Unis qui

regroupent 24 voies à 64 Kbits/s en une voie à 1,544 Mbits/s ou sur les canaux E1 en

Europe qui regroupent 30 voies analogiques en une voie à 2,048 Mbits/s.

Les canaux T1 ou E1 peuvent être multiplexés entre eux pour former des canaux à plus

hauts débits (Figure IV- 16). Cette hiérarchie des débits est appelée hiérarchie numérique

plésiochrone ou PDH (Plesiochronous Digital Hierarchy).

Page 71: (2) Transmission Optique

Chapitre IV Techniques de codage et transmission sur fibre optique

Transmission des données par voie optique

66

Figure IV.16 : Multiplexage temporel dans la hiérarchie PDH en Europe.

Cette technique présente toutefois un inconvénient dans le cas de la PDH. L'accès ou

l'insertion d'une information dans un canal E4 oblige à démultiplexer l'ensemble du train

numérique.

De même les technologies SONET (Synchronous Optical NETwork) et SDH

(Synchronous Digital Hierarchy) utilisées comme techniques de transport dans les réseaux

téléphoniques des grands opérateurs pratiquent un multiplexage temporel pour assembler

plusieurs lignes en une seule ligne de débit supérieur.

IV.5.2 Multiplexage fréquentiel (FDM, Frequency Division Multiplex :

Αncienne hiérarchie de la téléphonie analogique, la transmission ne s’effectue pas en

Bande de base mais avec différentes translations de fréquence sur un même support

Physique, chaque canal étant associé à une bande de fréquence et une porteuse (10 000

Voies entre 4 et 60 Mhz): défavorable en numérique.

Page 72: (2) Transmission Optique

Chapitre IV Techniques de codage et transmission sur fibre optique

Transmission des données par voie optique

67

IV.5.2 Multiplexage WDM/DWDM

A l’inverse de la technologie TDM qui n’utilise qu’une seule longueur d’onde par fibre

optique, la technologie WDM (Wavelength Division Multiplexing) met en œuvre un

multiplexage de longueurs d’onde. L’idée est d’injecter simultanément dans une fibre

optique plusieurs trains de signaux numériques sur des longueurs d’ondes distinctes.

La fibre optique se prête bien à ce type d’usage car sa bande passante est très élevée : de

l’ordre de 25 000 GHz. Elle présente donc un fort potentiel au multiplexage de très

nombreux canaux sur de longues distances.

La norme ITU-T G692 définit la plage de longueurs d’ondes dans la fenêtre de

transmission de 1530 à 1565 nm. L’espacement normalisé entre deux longueurs d’ondes

est de 1,6 ou 0,8 nm. La fibre optique utilisée est de type monomode.

Figure IV.17

Page 73: (2) Transmission Optique

Chapitre IV Techniques de codage et transmission sur fibre optique

Transmission des données par voie optique

68

Peigne des fréquences en DWDM

La technologie WDM est dite DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing) lorsque

l’espacement utilisé est égal ou inférieur à 0,8 nm ou lorsque plus de 16 canaux sont

utilisé. Des tests ont déjà été effectués avec des espacements de 0,4 et 0,2 nm.

L’utilisation d’une fibre peut-être unidirectionnelle ou bidirectionnelle.

DWDM unidirectionnel et bidirectionnel

Les systèmes commercialisés aujourd’hui proposent 4, 8, 16, 32 et même 80 canaux

optiques à 2,5 Gbit/s par canal. Les débits atteints avec de tels systèmes sont de 10, 20, 40,

80 et même 200 Gbit/s. Un système à 16 canaux de 2,5 Gbit/s, soit 40 Gbit/s permet

l’acheminement de 500 000 conversations téléphoniques simultanément sur une seule paire

de fibre optique. . Il faut également s’attendre à un accroissement du débit offert sur

chaque canal qui pourrait rapidement atteindre 10 Gbit/s.

Figure IV.18

Figure IV.19:

Page 74: (2) Transmission Optique

Chapitre IV Techniques de codage et transmission sur fibre optique

Transmission des données par voie optique

69

Principe d’une liaison WDM/DWDM

Un des éléments clefs est l’amplificateur à fibre dopée erbium, EDFA (Erbium Doped

Fiber Amplifier). Il compense les pertes d’insertion dues aux multiplexage/démultiplexage

des longueurs d’onde. Il permet également une réduction du bruit. Ce type de technologie

nécessite des amplificateurs tous les 50 à 100 km. Ceci est dû à des phénomènes non

linéaires qui se développent lors de la propagation du signal dans la fibre et qui

introduisent des risques de diaphonie et de mélange des canaux.

Les travaux récents du C.N.E.T (Centre National d’Études en Télécommunications) sur la

transmission soliton montrent que l’on peut repousser cette limite à 1000 kilomètres. Un

soliton est une onde qui se propage sans déformation remarquable de sa forme ni variation

de sa vitesse. Ce phénomène a été remarqué pour la première fois sous la forme d’une

vague dans un canal, mais il existe dans de nombreux domaines, dont la lumière.

Chaque train de signaux numériques est véhiculé sur sa propre longueur d’onde comme sur

une seule fibre. Ils peuvent dont être de débits et de formats différents.

Indépendance des débits et formats de chaque canal en WDM

Figure IV.20:

Figure IV.21

Page 75: (2) Transmission Optique

Chapitre IV Techniques de codage et transmission sur fibre optique

Transmission des données par voie optique

70

On peut trouver par exemple sur une même fibre optique et véhiculés simultanément de

la voix dans des trames SDH, de la vidéo dans des cellules ATM, des données dans des

trames IP, etc. WDM est une technologie de transport indépendante des protocoles utilisés.

Elle est donc capable de multiplexer sur une fibre optique ce que l’on sait faire transiter

unitairement sur ce type média.

Chaque canal peut être attribué à un usage particulier. Il est ainsi possible dans le cas

d’un réseau métropolitain ayant une architecture physique en anneau de déployer à travers

différents canaux des structures logiques maillées, en bus, point à point, en anneau ou en

diffusion. L’attribution d’une longueur d’onde pour une utilisation donnée se fait par

reconfiguration logicielle du système et ne nécessite aucune modification matérielle.

Les enjeux de cette technologie sont importants. Jusqu'à présent le développement des

réseaux de télécommunications était basé sur l’utilisation des technologies de type

SONET/SDH/TDM. Mais les besoins en bande passante ont dépassé les prévisions. Le

câble transatlantique Gemini a ainsi saturé dès 1997, alors que cela n’aurait pas dû se

passer avant 2001. Les opérateurs installent en moyenne des réseaux de 12, 24 voire 48

paires de fibres. La technologie DWDM va permettre de multiplier par au moins 16 la

bande passante disponible sur ces réseaux.

Figure IV.22

Page 76: (2) Transmission Optique

Chapitre IV Techniques de codage et transmission sur fibre optique

Transmission des données par voie optique

71

Il faut noter que d’autres composants sont essentiels au développement des réseaux

optiques pour qu’ils deviennent " tout optique ", il s’agit des multiplexeurs à

insertion/extraction optiques, des brasseurs optiques et des commutateurs optiques.

Schémas de principe d’un multiplexeur à insertion/extraction optiques

(Optical Add Drop Multiplexing : OADM)

Schéma de principe d’un brasseur optique

(Optical Cross-Connect : OXC)

Ces fonctions sont aujourd’hui encore assurées par du matériel électrique; mais le temps

de conversion des signaux électriques en signaux optiques et inversement est important.

Une meilleure exploitation de la fibre et de DWDM passe donc par la mise en place de

réseaux tout optiques.

Figure IV.23

Figure IV.24 :

Page 77: (2) Transmission Optique

Chapitre IV Techniques de codage et transmission sur fibre optique

Transmission des données par voie optique

72

Page 78: (2) Transmission Optique

Chapitre V Simulation d’un liaison haut débit

Transmission des données par voie optique

72

Page 79: (2) Transmission Optique

Chapitre V Simulation d’un liaison haut débit

Transmission des données par voie optique

73

Introduction :

Ce chapitre représente le corps de notre travail pratique qui a pour but d’étudier la

qualité de la transmission en fonction de différents types de codage, dans notre cas nous

avons choisi les deux types de codages suivants : NRZ, HDB3.

Pour illustrer la qualité da la transmission dans les deux types de codages précédents, nous

avons effectué nos essais sur une liaison point à point a haut débit dans un premier niveau

un débit de 2.5 Gbit/s et dans autre un débit de 10 Gbit/s. La liaison est composée de trois

principaux blocs : l’émetteur, la ligne de transmission et le récepteur.

Les paramètres de ces composants sont définis comme suit :

1/ L’émetteur : L’émetteur est composé par les éléments suivants :

L’entrée est une séquence binaire aléatoire :

Codeur non retour a zéro inversé (NRZ-I) :

Page 80: (2) Transmission Optique

Chapitre V Simulation d’un liaison haut débit

Transmission des données par voie optique

74

Codeur HDB3

L’alimentation du laser est un courant laser :

Laser systeme :

Page 81: (2) Transmission Optique

Chapitre V Simulation d’un liaison haut débit

Transmission des données par voie optique

75

Modulateur électro-absorption :

2/La ligne de transmission :

Fibre optique monomode

Page 82: (2) Transmission Optique

Chapitre V Simulation d’un liaison haut débit

Transmission des données par voie optique

76

3/le Récepteur :

Photodiode - PIN

Filtre électrique a basse fréquence

La sortie :

Page 83: (2) Transmission Optique

Chapitre V Simulation d’un liaison haut débit

Transmission des données par voie optique

77

Interprétation des résultats :

D’après les résultats obtenue on les traites a l’aide de :

La transformée de Fourier au niveau de chaque point dans la ligne.

La densité spectrale de puissance au niveau d’entrer et la sortie.

Concernons le diagramme de l’œil on a fait une comparaison entre les débits

2.5 Gbits/s et 10Gbits/s, d’une liaison codé en premier temps avec NRZ et en

second temps avec HDB3 ; avec et sans compensation

Simulation I: Liaison point à point à haut débit à 2.5 Gbits/s et 10 Gbits/s codé par

NRZ.

I.1) Sans compensation

Cette simulation permet d'illustrer une comparaison entre une liaison optique point à point

de débit 2.5Gbits/s et 10Gbits/s codée par NRZ.

On a réalisé le schéma suivant:

Schéma bloc de la liaison de simulation

Page 84: (2) Transmission Optique

Chapitre V Simulation d’un liaison haut débit

Transmission des données par voie optique

78

a) Diagramme de l’œil :

Liaison à 2.5Gbits:

Liaison à 10Gbits :

En l'absence de bruit (10Gbits/s), l'oeil est ouvert, si bien qu'il serait possible de détecter

les données sans erreur en plaçant un seuil de décision entre les deux valeurs extrêmes. En

2.5Gbits/s on observe des traces brouillées et élargies et la dégradation de la probabilité

d'erreur due à l’interférence entre symboles est d'autant plus grande que l'oeil est pas bien

ouvert.

Page 85: (2) Transmission Optique

Chapitre V Simulation d’un liaison haut débit

Transmission des données par voie optique

79

b) Densité spectrale de puissance :

D’après notre simulation on trouve les graphes au dessus, aux niveau les blocs suivants :

l’entre

laser

modulateur

la sortie

Page 86: (2) Transmission Optique

Chapitre V Simulation d’un liaison haut débit

Transmission des données par voie optique

80

c) Transformation de Fourier au niveau de chaque bloc :

Apres la modulation du signal d’entrée codes en NRZ avec un signal laser, on aura un

signal lumineux mais bruité par apport au signal d’entrée ; après la transmission, le signal

lumineux aura subit plus de bruit, une fois arrivé au photoditecteur PIN, il se converti

de la forme lumineuse a celle électronique. Et pour un meilleur signal à la sortie quasi

identique à celui de l’entrée, on filtre le bruit à la sortie.

Page 87: (2) Transmission Optique

Chapitre V Simulation d’un liaison haut débit

Transmission des données par voie optique

81

I.2) Avec compensation :

Cette simulation permet d'illustrer une comparaison entre une liaison optique point à point

à haut débit (2.5Gbits, 10Gbits) codé par NRZ.

On a réalisé le schéma suivant:

Schéma bloc de la liaison de simulation

a) Diagramme de l’œil : Liaison a 2.5Gbits :

Liaison à 10Gbits :

Page 88: (2) Transmission Optique

Chapitre V Simulation d’un liaison haut débit

Transmission des données par voie optique

82

La première fibre introduite de la dispersion, qui élargit les impulsions. La deuxième fibre

est de dispersion négative et permet, en ajustant sa longueur, de compenser exactement la

dispersion accumulée dans la première fibre. Alors une diminution de bruit qui est exprimé

par l’ouverture de l’oeil donc amélioration en qualité de transmission.

b) Densité spectrale de puissance :

Les graphes ces dessus représentes la DSP, au niveau de :

l’entre

laser

modulateur

la sortie

Page 89: (2) Transmission Optique

Chapitre V Simulation d’un liaison haut débit

Transmission des données par voie optique

83

c) Transformation de Fourier au niveau de chaque bloc:

Apres la modulation du signal d’entrée codes en NRZ avec un signal laser, on aura un

signal lumineux mais bruité par apport au signal d’entrée ; après la transmission, le signal

lumineux aura subit plus de bruit, pour le minimiser, on place un morceau de fibre dit fibre

de compensation qui élimine la dispersion chromatique de la ligne , une fois arrivé au

photoditecteur PIN, il se converti de la forme lumineuse a celle électronique. Et pour un

meilleur signal à la sortie quasi identique à celui de l’entrée, on filtre le bruit à la sortie.

Simulation II: Liaison point à point à haut débit à 2.5Gbits et 10Gbits codé par

HDB3.

II.1) Sans compensation

Cette simulation permet d'illustrer une comparaison entre une liaison optique point à point

à haut débit (2.5GHZ, 10GHZ) codé par HDB3.

Page 90: (2) Transmission Optique

Chapitre V Simulation d’un liaison haut débit

Transmission des données par voie optique

84

On a réalisé le schéma suivant:

Schéma bloc de la liaison de simulation

Analyse : a) Diagramme de l’œil :

Liaison à 2.5Gbits :

Liaison à 10Gbits :

Page 91: (2) Transmission Optique

Chapitre V Simulation d’un liaison haut débit

Transmission des données par voie optique

85

b) Densité spectrale de puissance :

D’après notre simulation on trouve les graphes au dessus, aux niveau les blocs suivants :

l’entre

codeur

laser

modulateur

la sortie

Page 92: (2) Transmission Optique

Chapitre V Simulation d’un liaison haut débit

Transmission des données par voie optique

86

c) Transformation de Fourier au niveau de chaque bloc :

Apres la modulation du signal d’entrée codes en HDB3 avec un signal laser, on aura un

signal lumineux mais bruité par apport au signal d’entrée ; après la transmission, le signal

lumineux aura subit plus de bruit, une fois arrivé au photoditecteur PIN, il se converti

de la forme lumineuse a celle électronique. Et pour un meilleur signal à la sortie quasi

identique à celui de l’entrée, on filtre le bruit à la sortie.

II.2) Avec compensation

Cette simulation permet d'illustrer une comparaison entre une liaison optique point à

point à haut débit (2.5Gbits, 10Gbits) codé par HDB3.

On a réalisé le schéma suivant:

Page 93: (2) Transmission Optique

Chapitre V Simulation d’un liaison haut débit

Transmission des données par voie optique

87

Schéma bloc de la liaison de simulation

II.2.1) Diagramme de l’œil :

Liaison à 2.5Gbits :

Liaison à 10Gbits :

Page 94: (2) Transmission Optique

Chapitre V Simulation d’un liaison haut débit

Transmission des données par voie optique

88

On voie que les résultats obtenus avec le code NRZ dans tous les cas (débit différent, avec

et sans compensation) sont plus performent au résultats obtenue avec le code HDB3.on ce

base à l’ouverture de l’œil

II.2.2) Densité spectrale de puissance :

Les graphes ces dessus représentes la DSP, au niveau de :

l’entre

codeur

laser

modulateur

la sortie

Page 95: (2) Transmission Optique

Chapitre V Simulation d’un liaison haut débit

Transmission des données par voie optique

89

II.2.3) Transformation de Fourier au niveau de chaque bloc :

Apres la modulation du signal d’entrée codes en HDB3 avec un signal laser, on aura

un signal lumineux mais bruité par apport au signal d’entrée ; après la transmission, le

signal lumineux aura subit plus de bruit, pour le minimiser, on place un morceau de fibre

dit fibre de compensation qui élimine la dispersion chromatique de la ligne , une fois arrivé

au photoditecteur PIN, il se converti de la forme lumineuse a celle électronique. Et pour un

meilleur signal à la sortie quasi identique à celui de l’entrée, on filtre le bruit à la sortie.

Page 96: (2) Transmission Optique

Chapitre V Simulation d’un liaison haut débit

Transmission des données par voie optique

90

Conclusion

Cette simulation permet de démontrer le code le plus performant pour la liaison point a

point à des débits différents 2.5Gbit/s et 10Gbits/s, en utilisant la technique de la fibre de

compensation pour minimisé la dispersion. On utilise cette technique pour obtenir une

meilleure qualité de transmission, d’après les résultats de simulation on a conclus que le

code NRZ répond à ces besoins car il est riche de transition ce que permette la

récupération du signal d’horloge.

Page 97: (2) Transmission Optique

Transmission des données par voie optique

90

Conclusion

Conclusion Après cette étude, nous avons sortir avec des résultats importantes parmi lesquelles:

L’étude des liaisons point à point optique nécessite une étude sur chacun des éléments

intervenants dans la chaîne de transmission, ce qui permet de voir les caractéristiques

du signal transmis.

la fibre permette le transport de débits nettement supérieurs à ceux que peuvent

véhiculer les autres supports, et ceci avec une meilleure qualité de transmission.

Les composants optiques sont les moteurs de la révolution des réseaux optiques qui

tendent vers le tout-optique avec ses optimums performances (énormes capacités,

défauts optimisés,…).

Le développement des télécommunications à haut débit par fibre optique nécessite la

mise au point de dispositifs de plus en plus rapides, à large bande et fonctionnant dans

la plage spectrale des amplificateurs à Erbium

ce projet de fin d’études, présente ainsi, des résultats théoriques et pratiques

(simulation sur COMSIS) expérimentaux concernant le codage de l’information sur la

transmission de données par voie optique.

Page 98: (2) Transmission Optique

Transmission des données par voie optique

i

Bibliographie

Page 99: (2) Transmission Optique

Transmission des données par voie optique

ii

Bibliographie

Documentations [1] Optoélectronique E. ROSENCHER et B.

VINTER Masson, 1998

[2] Les télécommunications par fibres optiques I. et M.

JOINDOT Dunod, 1996

[3] Techniques des ingénieurs I. et M.

JOINDOT TE 7 115, 1999

[4] transmission sur fibres optiques Y.SUMATSU

MASSON 1984 [5] Télécommunications optiques Z.SIDI ALI

MEBAREK O.P.U, 2001

[6] Technologie des télécoms P.LECOY

Hermès,1995 [7] Câble à fibres optiques Günther M. / Peter

G. Siemens 1989

Mémoires de fin d’études [8] PFE Institut des télécommunications d’Oran, Promotion IGE 24 Etudes des liaisons par fibre optique à haut débit [9] PFE Institut des télécommunications d’Oran, Promotion IGE 23 Le Routage optique dans les liaisons à haut débit WDM-DWDM

Page 100: (2) Transmission Optique

Transmission des données par voie optique

iii

Bibliographie

Sites Internet [10] www.palms.univ-rennes1.fr. [11] www.unice.fr. [12] www.fsg.ulaval.ca [13] www.telcite.fr [14] www.bibsciences.org [15] www. perso.wanadoo.fr [16] www.iut-lannion.fr. [17] www.fsg.ulaval.ca

Page 101: (2) Transmission Optique

Transmission des données par voie optique

91

Annexe

Page 102: (2) Transmission Optique

Transmission des données par voie optique

92

Annexe

I. Présentation générale COMSIS (COMmunication System Interactive Software) est un logiciel de simulation des

systèmes de télécommunications.

Ses principales fonctionnalités sont :

- Analyse statistique ;

- Analyse spectrale ;

- Synthèse de filtres analogiques et numériques ;

- Simulations linéaire et non linéaire

- Etudes paramétriques.

Les simulations que nous mettrons en oeuvre comportent principalement les étapes suivantes :

• Chaque élément du système étudié, par exemple une liaison point à point, est décrit

individuellement, soit par ses paramètres "système", soit par ses paramètres

"physiques".

Par exemple, une diode laser peut être décrite par sa longueur d’onde, son courant de seuil,

son rendement, …, soit par la durée de vie des photons, le volume de la couche active,…

• On accède aux modèles (composants, sous-systèmes, canaux de propagation…) par le

menu déroulant Modele.

Page 103: (2) Transmission Optique

Transmission des données par voie optique

93

Annexe

• On assemble les différents éléments au moyen de fils de connexion. On place des

variables intermédiaires pour la visualisation à la sortie de chaque module et on les

nomme. On spécifie une variable de sortie. Ces fonctions sont accessibles au niveau de

la barre des tâches principale. La flèche de sélection/désélection permet de capturer

une partie quelconque du schéma, de la déplacer, de la copier/coller, ou de la

supprimer.

• A ce stade, il est possible de visualiser le système décrit lors des étapes précédentes.

Une fenêtre contextuelle, dite mode alphanumérique, permet de visualiser :

- Les équations du système ;

- Les paramètres du système ;

- La nature du système (continu ou échantillonné).

• La partie simulation proprement dite est accessible par le menu Analyse. Nous

utiliserons principalement pour l’étude des chaînes de communications optiques, les

options Analyse Statique et Analyse Temporelle.

Page 104: (2) Transmission Optique

Transmission des données par voie optique

94

Annexe

- Analyse Statique : Cette fonctionnalité du logiciel permet l’étude des caractéristiques

d’entrée-sortie des éléments individuels du système simulé. Par exemple, on visualise la

caractéristique puissance optique/courant, la réponse en fréquence à une modulation

d’amplitude d’une diode laser, l’atténuation ou la dispersion d’une fibre optique…

- Analyse Temporelle : Le système est simulé dans le temps. La pertinence de l’étude repose

sur le choix et la description des différents éléments, ainsi que sur la nature de l’entrée et de

l’ensemble des variables intermédiaires.

A ce stade, il n’est pas rare que l’on ne sache pas répondre d’emblée à toutes les questions :

il est alors possible de faire appel à l’aide contextuelle de la fenêtre alphanumérique ou des

fenêtres de définition des modèles. Une explication sur la procédure à suivre ou la nature des

paramètres à renseigner est alors fournie.

• La visualisation des résultats s’effectue au moyen d’une fenêtre graphique

contextuelle qui offre des possibilités de configurations graphiques assez complètes.

Un traitement des courbes et grandeurs visualisées est accessible par le menu Dialogue

de la fenêtre graphique.

Page 105: (2) Transmission Optique

Transmission des données par voie optique

95

Annexe

• Après l’étape de simulation temporelle, plusieurs options et outils sont disponibles

pour l’évaluation des performances de l’ensemble :

- La fenêtre Evaluation des performances offre la possibilité de visualiser l’entrée, les

variables intermédiaires et la sortie pendant la durée de simulation (Visualisation Globale) ou

bien sur une fraction limitée de celle-ci (Visualisation tronquée), etc.…

- Lorsque l’un des choix est effectué, par exemple Visualisation Globale, la fenêtre Variables

et Prétraitements à visualiser permet de choisir entre une visualisation temporelle simple de la

variable sélectionnée (Réponse temporelle), sa fonction d’auto-corrélation, son diagramme de

l’oeil, sa puissance…

Page 106: (2) Transmission Optique

Transmission des données par voie optique

96

Annexe

En résumé :

- On décrit l’ensemble des éléments du système à étudier ;

- L’analyse statistique fournit un certain nombre de courbes caractéristiques des éléments du

système ;

- L’analyse temporelle permet la simulation paramétrique du système à une entrée spécifiée,

et s’appuie sur des outils de visualisation et d’analyse des résultats.

II. Traitement mathématique des signaux Les signaux que l’on rencontre dans l’analyse des systèmes de télécommunications

constituent des grandeurs physiques qui sont, par nature, toujours analogiques. La simulation

est effectuée sur un calculateur numérique. Elle est, par conséquent, une opération où l’on ne

manipule que des suites de nombres. Si l’on veut traiter un signal analogique par voie

numérique, il faut le représenter au préalable par une suite de valeurs ponctuelles, prélevées

régulièrement ou irrégulièrement. Cette opération d’échantillonnage doit cependant vérifier

certaines conditions afin d’assurer une représentation correcte des phénomènes à simuler.

Pour les signaux de spectre à support borné (de 0 à fmax), le théorème d’échantillonnage de

Shannon montre que l’on peut décrire entièrement le signal par la suite complète de ses

valeurs instantanées, prélevées à intervalles réguliers de durée inférieure à1/(2.fmax).

Une application aveugle de ce théorème conduit, lorsque le signal est en bande étroite (de

spectre compris entre fmin et fmax) à une cadence d’échantillonnage supérieure à 2.fmax. Dans le

cas d’une transmission basses fréquences ou hyperfréquences, le nombre d’échantillons à

traiter reste raisonnable.

Par contre, cette condition remet totalement en question la simulation des systèmes optiques

dont les fréquences porteuses sont de l’ordre de 1015 Hz.

La représentation par enveloppe complexe apporte une réponse à ce problème. Elle est utilisée

par le logiciel COMSIS pour la représentation des signaux optiques. Fondée sur le concept de

signal analytique, elle n’a de sens que pour des signaux dont la caractéristique fréquentielle,

spectre ou transformée de Fourier, présente la propriété d’être concentrée dans une certaine

bande de fréquence ([fmin ; fmax]). Ces signaux sont dits à bandes étroites ou quasi

monochromatiques.

Considérons un signal x(t), de fréquence porteuse f0. Deux approches sont possibles pour le

décrire :

Page 107: (2) Transmission Optique

Transmission des données par voie optique

97

Annexe

- Sa représentation temporelle classique x(t) ;

- Sa représentation en enveloppe complexe :

Exemple : Une visualisation temporelle directe du signal sLAS délivrée par le laser de la

chaîne de communication présentée au début de ce document conduit à une double

représentation graphique de sLAS-p et sLAS-q. En revanche, la puissance de sLAS, qui est

une grandeur modulée au débit binaire imposé par le générateur de bits placé en entrée, peut

être visualisée directement dans le temps, car c’est une grandeur décrite en bande de base.

II. COMSIS pour les télécommunications optiques Le logiciel COMSIS permet une étude assez simple de nombreux aspects des systèmes de

télécommunications par fibre optique. Nous ferons, bien évidemment, appel aux composants

de la bibliothèque des modules optiques :

Page 108: (2) Transmission Optique

Transmission des données par voie optique

98

Annexe

On trouve essentiellement, dans cette bibliothèque :

- Des entrées optiques : conversion impulsion – gaussienne, conversion impulsion – soliton…

- Des sources optiques : lasers, laser à cavité externe…

- Une fibre optique ;

- Des amplificateurs optiques : à semi-conducteur, dopé à l’erbium…

- Des composants pour le multiplexage en longueur d’ondes : entrée WDM, multiplexeurs…

- Des réseaux de Bragg, des filtres…

- Des photodétecteurs : photodiode à avalanche, photodiode pin…