SREPUBLIQUE ALGERIENNE DEMOCRATIQUE ET POPULAIRE

MINISTRE DE L’ENSEIGNEMENT SUPERIEUR ET DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE

UNIVERSITE LARBI BEN M’HIDI D’OUM EL BOUAGUI

FACULTE DES SCIENCES ET SCIENCES APPLIQUEES

DEPARTEMENT : GENIE ELECTRIQUE

FILIERE : GENIE ELECTRIQUE

MEMOIRE DE FIN D’ETUDES

En vue de l’obtention du

DIPLÔME DE MASTER

Spécialité : Informatique Industrielle

THEME :

IMPACT DE LA DISPERSION CHROMATIQUE

SUR LA TRANSMISSION SUR FIBRE OPTIQUE

SIMULATION PAR COMSIS

Mémoire de fin d'étude soutenu publiquement à OUM EL BOUAGUI

Le:04/06/2016

Par:

Boudemagh Hana

Encadreur :

Dr K. LAMAMRA

Année Universitaire : 2015/2016

e dédie le fruit de ce modeste travail à : Des deux êtres qui

sont les plus chers au monde, au soleil qui a éclairé ma

vie et, qui m’a montré l’amour avec tous ses sens et qui

m’a entouré par ses belles sentiments et sa tendresse « ma

très chère maman ». Pour le secret de ma fierté, la bougie

qui se brûle pour notre éclaircissement

A «Mon cher Père» qui ne cesse pas de m’encourager, et

qui m’a toujours soutenu.

A mon frère : Larbi et mes sœurs Rahma, Djihad, Amira,

Ikram, aux personnes qui comptent beaucoup pour moi -

Et je dédie ce mémoire spécialement à monsieur Benzitouni

El Mouatassim.

A ceux qui n’ont jamais cessés de m'encourager,

A mes collègues Ahmed, Lilia, Amina, Amine, Hamza,

Imene, Ali yahiachrif, Zinab.

A tous ceux qui ont participés de près ou de loin à la

réalisation de ce travail et ceux qui me souhaite la réussite.

Hana

J

vant tout, je remercie Dieu le tout puissant de m’avoir

donné la force et le courage pour accomplir ce travail.

Je tiens à remercier mon encadreur :

Mr Kheireddine Lamamra pour son aide,

ses remarques et ses conseils.

Je remercie également les membres de jury d’avoir

accepté de juger ce travail.

Mes remerciements vont à l’ensemble

des enseignants du département de génie des procèdes

et pétrochimie de l’université de Skikda.

En fin Je remercie tous les enseignants qui ont

contribués à ma formation

Hana

A

SOMMER

Introduction générale ………………………………………………………………… 1

Chapitre I : Caractéristique sur la dispersion chromatique I.1 Introduction……………………………………………………………………....... 03

I.2 Brève historique de la technologie des systèmes à fibres optiques……………… 03

2-1- Première génération (G1) : 1989 - 1991………………………………………….. 03

2-2- Seconde Génération (G2) : 1992 - 1995………………………………………….. 03

2-3- Troisième Génération (G3) : 1995 -1997…………………………………………. 03

2-4- Quatrième Génération (G4) : 1998 -2000………………………………………… 04

2-5- Cinquième Génération (G5) : 2000 - 2002……………………………………….. 04

2-6- Sixième Génération (G6) : 2002 - 2003………………………………………….. 04

2-7- Septième Génération (G7)……………………………………………………….. 04

I.3 Description de la fibre optique…………………………………………………….. 04

3.1 Introduction………………………………………………………………………… 04

3.2 Structure de la fibre optique……………………………………………………….. 05

I.4 Type de fibre ……………………………………………………………………….. 05

I.4.1 Fibre multimodes…………………………………………………………………. 05

I.4.1.1 Fibres optiques à saut d’indice…………………………………………………. 05

I.4.1.2 Fibres optique à gradient d’indice……………………………………………… 06

I.4.2 Les fibres optiques monomodes………………………………………………….. 07

I.5 Les fenêtres utilisées dans les télécommunications optiques…………………….. 07

I.5.1 Longueurs d’ondes………………………………………………………………… 08

I.6Caractéristique des fibres…………………………………………………………... 09

I.6.1 L’onde optique…………………………………………………………………….. 09

I.6.2 L’indice de réfraction……………………………………………………………… 09

I.6.3 Le rayon optique…………………………………………………………………. 09

I.6.4 Lois de snell-descartes…………………………………………………………….. 09

I.6.5 Incidence critique………………………………………………………………….. 10

I.6.6 la Propagation dans la fibre………………………………………………………... 10

I.6.7 Angle d'acceptante de la fibre……………………………………………………… 11

I.7Avantages et inconvénients des fibres optiques…………………………………… 12

I.7.1 Les avantages de la fibre optique………………………………………………….. 12

I.7.2 Les inconvénients de la fibre optique……………………………………………… 12

I.8 problèmes de transmission………………………………………………………… 12

I.8.1 La diffusion Rayleigh……………………………………………………………… 13

I.8.2 Absorption………………………………………………………………………… 13

I.8.3 Raccordements…………………………………………………………………….. 13

I.8.4 Courbure et micro courbure……………………………………………………….. 13

I.8.5 L’effet Kerr………………………………………………………………………… 13

I.8.6 La dispersion chromatique………………………………………………………… 13

I.9 Conclusion…………………………………………………………………………. 14

Chapitre II : La dispersion chromatique II.1 Introduction ………………………………………………………………………

…

16

II.2 Les Diffèrent types de la dispersion……………………………………………… 16

II.2.1 La dispersion de polarisation……………………………………………………... 16

II.2.2 La dispersion chromatique ……………………………………………………….. 16

II.2.2.1 Paramètre de dispersion chromatique ………………………………………….. 18

a- Constante de propagation…………………………………………………………….. 18

b-Temps de groupe ……………………………………………………………………... 18

c- La vitesse de groupe………………………………………………………………….. 18

d- La dispersion a deux composantes…………………………………………………… 19

e- L’indice de groupe N ………………………………………………………………… 19

II.2.3 La dispersion du matériau………………………………………………………… 19

II.2.4 Dispersion de guide ……………………………………………………………. 20

II.2-5 Dispersion intermodale…………………………………………………………… 21

II.3 Les effets de la dispersion intermodale et chromatique sur la transmission

optique…………………………………………………………………………………..

23

II.4 Méthodes de mesure de la dispersion chromatique dans les fibres optiques 24

II.4.1 Par la mesure de l’étalement d’impulsions brèves……………………………… 24

II.4.2 Par la mesure du déphasage d’une onde modulée (optique incohérente) …........... 24

II.4.3 Par interférométrie (optique cohérente)………………………………………….. 25

II.5 Technologies optiques de compensation de dispersion chromatique………….. 25

II.5.1 DCF Fibres compensatrices (Dispersion Compensation Fibre)…………………. 25

II.5.2 Filtres interférométrique…………………………………………………………. 25

II.5.3 Compensation de dispersion par MSSI dans DWDM Système………………….. 26

II.5.4 Fibre (PCF) ……………………………………………………………………… 26

II.6 Conclusion………………………………………………………………………… 26

Chapitre III : simulations par COMSIS III.1 Introduction……………………………………………………………………….. 28

III.2. Manipulations pratiques sur la fibre optique …………………………………. 28

III.2.1. Instrumentation de Terrain…………………………………………………... 28

2.1.1. Réflectomètres Fibre optique …………………………………………………... 28

2.1.2. Soudeuse fibre optique…………………………………………………………... 29

2.1.3. Sources Laser…………………………………………………………………… 29

2.1.4. Le Stylo Laser (VFL) …………………………………………………………… 30

III.2.2. Etapes de réalisation d'une soudure optique………………………………… 30

III.2.2.1. Le détubage/dégainage……………………………………………………… 31

III.2.2.2. Mise en place de la protection d’épissure…………………………………. 31

III.2.2.3.Le dénudage…………………………………………………………………. 31

III.2.2.4.Le nettoyage………………………………………………………………….. 32

III.2.2.5. Le clivage……………………………………………………………………. 32

III.2.2.6.Mise en place dans la soudeuse……………………………………………… 33

III.2.2.7. La fusion……………………………………………………………………… 34

III.2.2.8. L’ajustement de la protection d’épissure…………………………………... 34

III.2.2.9. La retreinte de la protection d’épissure……………………………………. 34

III.2.2.10.Le refroidissement de la protection d’épissure…………………………….

III.3 Simulation de l'effet de la dispersion chromatique …………………………….

35 35

http://absysfrance.com/?p=1384http://absysfrance.com/?p=1388

III.3.1. Présentation du Logiciel COMSIS …………………………………………… 36

III.3.2.L'effet de la dispersion sur la propagation d’une impulsion………………… 36

III.4. Simulation des conséquences d'une transmission via fibre optique ………… 38

III.4.1. Schéma bloc de la liaison optique …………………………………………….. 38

III.4.2. Description des dispositifs…………………………………………………….. 39

III.4.3. Résultats obtenues par la simulation ………………………………………… 41

III.5. Simulation de la compensation de la dispersion chromatique………………… 42

III.5.1. Schéma bloc Description des paramètres…………………………………… 43

II.5.2. Résultats obtenues par la simulation………………………………………… 44

III.6. Conclusion……………………………………………………………………… 45

Liste des figures

Chapitre I :Caractéristique sur la dispersion chromatique Figure I.1 : structure d’une fibre optique……………………………………………….. 05

Figure I.2 : La fibre multi mode à saut d’indice avec propagation d’une impulsion…… 06

Figure I.3 : La fibre multi mode à gradient d’indice avec propagation d’une impulsion.. 07

Figure I.4 : La fibre monomode avec propagation d’une impulsion …………………… 07

Figure I.5 : Atténuation en fonction de la longueur d’onde…………………………….. 08

Figure I.6 : Spectre de la lumière en fonction de la longer d’onde……………………… 09

Figure I.7 : Représentation des différents types de rayons……………………………… 10

Figure I.8 : présentation de différents cas de rayons incidents………………………….. 10

Figure I. 9 : Propagation des rayons contenus dans le cône d’acceptante………………. 11

Figure I.10 : Propagation d'un rayon injecté avec un angle égal à l'angle d'acceptante… 11

Figure I.11 : Angle d'acceptante de la fibre……………………………………………... 12

Chapitre II : La dispersion chromatique

Figure II.1 : structure de la dispersion de polarisation………………………………….. 16

Figure II.2Évolution de l'impulsion pendant sa propagation dans la fibre optique……... 17

Figure II.3 : Évolution du temps de groupe tg en fonction de la longueur d'onde………… 21

Figure II.4 : le phénomène de dispersion intermodale………………………………….. 22

Figure II.5 : Dispersion d'une fibre standard……………………………………………. 23

Figure II.6 : Dispersion intermodale…………………………………………………… 23

Figure II.7 : Dispersion chromatique…………………………………………………… 23

Chapitre III : simulations par COMSIS Figure III.1 : Réflectomètre optique…………………………………………………….. 28

Figure III.2 : Paria de Soudeuses………………………………………………………... 29

Figure III.3 : Sources Lasers…………………………………………………………….. 29

Figure III.4 : Les stylos laser……………………………………………………………. 30

Figure III.5 : Déginage de la fibre………………………………………………………. 31

Figure III.6 : Placement de la protection d’épissure……………………………………. 31

Figure III.7 : Etape de dénudage………………………………………………………… 32

Figure III.8 : Etape de nettoyage ………………………………………………………. 32

Figure III.9 : Etape de clivage………………………………………………………….. 33

Figure III.10 : Etape deplacement dans la soudeuse……………………………………. 33

FiguresIII.11 : le réglage de type d’alignement, cœur à cœur dans la fibre…………….. 34

http://absysfrance.com/?p=1384

Figure III.12 : La retreinte de la fibre optique………………………………………….. 35

Figure III.13 : Le refroidissement de la fibre optique…………………………………… 35

Figure III.14 : Bloc d`une chaine de transmission optique. ……………………………. 36

Figure III.15 : Définition des paramètres de courant laser. ……………………………. 37

Figure III.16 : Définition des paramètres de la fibre optique. …………………………. 37

Figure III.17 : Effet de la dispersion chromatique sur la largeur temporel de …………

`impulsion transmet.

38

Figure III.18 : Schéma bloc de la liaison optique de simulation……………………… 38

Figure III.19 : Définition des paramètres de courant laser……………………… …… 39

Figure III.20 : Définition des paramètres de Laser……………………………………. 39

Figure III.21 : Définition des paramètres de la fibre optique…………………………. 40

Figure III.22 : Définition des paramètres d'amplification optique……………………. 40

Figure III.23 : Définition des paramètres de la Photodiode PIN……………………… 40

Figure III.24 : Définition des paramètres du Filtre Basse Fréquence…………………. 41

Figure III.25 : Définition paramètre de sortie ………………………………………… 41

Figure III.26 : Séquences de bits à l’entrée et sortie d’une chaine de transmission

optique

42

Figure III.28 : Schéma bloc de la compensation chromatique. ………………………. 43

Figure III.29 : Définition des paramètres de l’Impulsion super gaussienne e1……….. 43

Figure III.30 : Définition de paramètre fibre optique compense F1………………….. 44

Figure III.31 : Définition de paramètre fibre optique compense F2…………………... 44

Figure III.32 : Compensation de la dispersion chromatique………………………….. 45

3

List d’abréviation

EDFA………….Erbium Dope Fibre Ampli fibre

WDM……………multiplexage en longueur d’onde

FO ……………..La fibre optique

DCF…………….Dispersion Compensation Fibre

PIR……………..Profil d’indice de réfraction

MSSI …………...Middle Spa Spectral Inversion

COMSIS………..Communication System Interactive Software

ATM………….Algérie Telecom

CA…………...Centre d’Amplification

CEL ……….. Centre d'Entretien de Lignes

Introductiongénérale

3

Introduction générale

Il n’y a pas si longtemps, lorsque les systèmes numériques les plus rapides

transmettaient l’information à un débit de 270 Mbits/s, le câble coaxial était parfaitement à

même de remplir son rôle de support de transmission. Mais avec l’apparition de nouveaux

services liés au développement du multimédia, un besoin d’un débit de transmission

d’informations plus élevé est apparu et une alternative au câble coaxial était à trouver à pertes

trop élevées, à courtes distances de propagation et de performances limitées, d'où la nécessite

de pencher vers d'autres techniques telles que la fibre optique qui répond bien à ces exigences

entant que support de transmission. Son utilisation est désormais courante dans les réseaux de

télécommunications.

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

au cours du XXème siècle. En 1927, Baird et Hansell tentèrent de mettre un dispositif pour le

transport d'images de télévision à l'aide de fibres. Plus tard, 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 que ces fibres de verre puissent

trouver une application.

La première application 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. Cependant, la transmission ne pouvait pas

être faite sur une grande distance étant donné la piètre qualité des fibres utilisées.

L’invention du laser en 1960, offrit en effet une occasion de transmettre un signal avec

assez de puissance sur une grande distance. En 1964, Charles Kao et Georges Hockman, ont

montrés qu'il était possible de transporter de l'information sur de grandes distances sous forme

de lumière grâce à la fibre optique. Cependant, les pertes par absorption dans 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 grandes pertes encourues par un verre de mauvaise

qualité constituaient le principal obstacle à l'utilisation de la fibre optique. En 1970, Maurer,

Schultz et Keck, produisirent la première fibre optique avec des pertes suffisamment faibles

pour être utilisée dans les réseaux de télécommunications (20 db/km), elle était en mesure de

transporter 65 mille fois plus d'informations qu'un câble de cuivre.

Cependant, la véritable révolution technologique s'est produite avec l’apparition du

multiplexage en longueur d’onde WDM (Wavelength Division Multiplexing) qui amène une

multiplication par un facteur considérable de la capacité du réseau. L’intérêt principal de cette

4

technique est de pouvoir réutiliser la fibre déjà installé, ce qui n’entraîne pas de surcoût pour

de nouvelles infrastructures. Aujourd'hui plus de 80% des communications sont transportées

le long de plus de 25 millions de kilomètres de câbles à fibres optiques dans le monde.

Dans ce mémoire nous évoquons le problème des pertes et l’atténuation dans la fibre

optique, les causes et les conséquences qui en résultent la perte. L’atténuation se traduit en

fibre optique par la perte d’énergie lumineuse dans la fibre, elle est mesurée en dB/Km. Les

longues portées utilisées avec les fibres optiques ainsi que l’absorption, la diffusion, les

courbures et les pertes de connectiques sont des causes principales de l’atténuation et la perte

d'information, d'où la nécessite de la prise en considération du problème de la dispersion

chromatique qui est un phénomène majeur intervenant à la perte du signal.

Une étude et une simulation de ce phénomène sont présentées dans ce travail, qui est

le fruit d'une recherche théorique et un stage pratique que nous avons effectué dans ce thème

au sein d'Algérie télécom, (Centre d'Amplification CA et le Centre d'Entretien de Lignes

CEL). Ce stage pratique nous a permis de pratiquer sur terrain certaines manipulations

pratiques et de comprendre à bien le phénomène de la dispersion chromatique et l’influence

de celle-ci sur les flux optiques à haut débit ainsi que les problèmes pratiques liés à la

transmission par fibre optique de façon globale et au niveau de l'Algérie en particulier.

Ce mémoire est organisé comme suit, le premier chapitre est consacré aux

caractéristiques et le principe de fonctionnement de la fibre optique, dans le deuxième

chapitre, le phénomène de la dispersion chromatique est évoqué. Dans le troisième chapitre

nous présentons une simulation de ce phénomène et le travail pratique effectué durant notre

stage à Algérie Télécom et en fin, nous terminerons avec une conclusion générale pour

synthétiser cette étude et le travail de simulation ainsi que les résultats obtenus et les

perspectives.

Chapitre ICaractéristique de la

fibre optique

Chapitre I_____________________________________ Caractéristiques de la fibre optique

3

I.1. Introduction

Les télécommunications optiques ont connu depuis quelques d'années un essor

considérable dont une des motivations principales est d'atteindre le haut débit. En effet, grâce

à la large bande passante des fibres optiques (quelques dizaines de THz), les transmissions

optiques bénéficient d'une position privilégiée [1]. De par l'évolution rapide des technologies,

la qualité des réseaux de télécommunications par fibre optique a été considérablement

améliorée. Par exemple, les pertes de propagation dans les fibres optiques n'excédant pas

actuellement 0,2 dB/km à la longueur d'onde de 1,55μm, ainsi que l'avènement des

amplificateurs à fibre appelés EDFA (Erbium Dope Fibre Ampli fibre) permettant

d'augmenter considérablement les distances de transmission. Concernant la croissance

régulière des débits de transmission, ceux-ci ont été obtenus à partir des techniques dites de

multiplexage. Ainsi, les industriels utilisent actuellement la technique dite du multiplexage en

longueur d'onde WDM (Wavelength Division Multiplexage). Parallèlement, les composants

optoélectroniques réalisés à base de matériaux semi-conducteurs ont également connu des

sauts technologiques importants.

Une liaison de télécommunication par fibre optique requiert trois fonctions

fondamentales qui sont respectivement : la génération du signal (émetteur), la propagation

(transmission, amplification et routage des données) et la détection en réception.

I.2 Brève historique de la technologie des systèmes à fibres optiques [ 2]

2-1- Première génération (G1) : 1989 - 1991.

Les premiers systèmes à fibres optiques utilisaient des répéteurs en ligne basés sur une

technologie silicium pour régénérer opte-électroniquement le signal affaibli après passage par

chaque section de câble. La capacité de ces systèmes de transmission était de 0,28 Gbit/s par

paire de fibre et ils opéraient dans la fenêtre à 1310 nm.

2-2- Seconde Génération (G2) : 1992 - 1995.

La technologie G2 constitua une amélioration par rapport à G1 puisque la capacité

transmise devint alors de 0,565 G bit/s par paire de fibres. Ces progrès furent rendus possibles

par de meilleures performances des circuits au silicium du répéteur, ainsi que par l’utilisation

de la fenêtre à 1550 nm.

2-3- Troisième Génération (G3) : 1995 - 1997.

Cette génération correspond à une évolution majeure dans le domaine de la

transmission optique: il s'agit de l’amplification optique par fibre dopée à l’erbium (Erbium

Chapitre I_____________________________________ Caractéristiques de la fibre optique

4

Dope Fibre Amplifier - EDFA). Cette technique évite la régénération du signal dans chaque

répéteur et elle est beaucoup plus économique et efficace et elle autorise l’accès à des bandes

passantes considérables. Les limitations provenant de l’utilisation de circuits au silicium dans

les répéteurs n’existent alors plus et la capacité passe à 5 Gbit/s par paire de fibres.

2-4- Quatrième Génération (G4) : 1998 - 2000.

Il s'agit de l'amélioration de la technologie EDFA pour avoir des bandes passantes

optiques plus importantes. Ces progrès, associés à d’autres progrès dans les techniques de

filtrage optique, permettent de mettre en œuvre une première génération de systèmes WDM.

La capacité transmise s’élève à 20 ou 40 Gbit/s (8 ou 16 couleurs à 2,5 Gbit/s) par paire de

fibres.

2-5- Cinquième Génération (G5) : 2000 - 2002

Les systèmes de cette génération sont actuellement en cours d’installation. La bande

passante des EDFA est à nouveau améliorée, et la capacité par couleur passe à 10 Gbit/s. Ces

systèmes fournissent des capacités de l’ordre de 160 Gbit/s par paire de fibres (16 couleurs à

10 Gbit/s).

2-6- Sixième Génération (G6) : 2002 – 2003

Cette génération a une base de conception semblable à la G5.Les caractéristiques des

EFDA sont améliorées et les équipements terminaux, toujours à 10Gbit/s, présentent de

meilleures performances. Tout en conservant des terminaux à 10Gbit/s, ces systèmes peuvent

multiplexer jusqu’à 100 couleurs par paire de fibres, offrant des capacités de l’ordre de 1

Tbit/s.

2-7- Septième Génération (G7)

Certains centres de recherche et développement annoncent leurs avancées dans la

conception de systèmes DWDM utilisant une technologie à 40 Gbit/s par couleur, avec

environ 40 couleurs par fibre. D’autres centres de recherche pensent que la prochaine

génération ne sera qu’une amélioration de laG6 (soit un nombre de couleurs de 150-200x10

Gbit/s). La spécification de cette génération est délicate car on approche des limites physiques

de la bande passante de la technologie EDFA. Les problèmes de distorsion de couleurs à 40

Gbit/s sont également difficiles à résoudre.

I.3.Description de la fibre optique

3.1. Introduction[3]

Chapitre I_____________________________________ Caractéristiques de la fibre optique

5

Depuis son apparition, la Fibre Optique (FO) a subi une utilisation de plus en plus grande et

de plus en plus variée, elle présente un support de transmission le plus utile de nos jours vue

ses nombreux avantages:

- Propagation des signaux à grande vitesse et à haut débit numérique.

- Faible atténuation de l’intensité lumineuse.

- Parfaite isolation des FO au champ magnétique.

- Conservation d’un bon rapport signal/bruit sur de grandes distances.

3.2. Structure de la fibre optique [3]

La FO est un guide d’onde cylindrique réalisé au moyen d’un matériau diélectrique

transparent, elle permet de transporter le plus d’informations et de fournir des débits de

signaux numériques très importants. La FO est composée des éléments de base suivants :

› Le cœur : C’est la région centrale de la fibre qui permet le guidage des ondes lumineuses.

› La gaine : Représente une couche entourant le cœur de la fibre avec un indice de réfraction

légèrement supérieur à celui du cœur ce qui permet par conséquent, la réflexion totale et

perpétuelle des modes a l’interface cœur-gaine.

› Le revêtement :C’est la couche appliquée sur le verre de la gaine, elle est détachable afin de

permettre d’effectuer des injections ou des découpages de la lumière, son indice de réfraction

est inférieur à celui de la gaine.

› L’armature métallique : Permet de protéger le cœur de la FO contre les forces

d’écrasement et les tensions mécaniques excessives lors de l’installation [11].

Les figures I.1 et I.2, représentent respectivement la structure et les sections longitudinale et

transversale de la fibre optique.

Figure.1 : Structure d’une fibre optique (sections longitudinale et transversale)

I.4. Type de fibre

Les deux grandes catégories de fibres optiques sont : les multimodes et les

monomodes.

Chapitre I_____________________________________ Caractéristiques de la fibre optique

6

I.4.1. Fibres Multimodes [4]

Les fibres multimodes ont un diamètre de cœur important de 50 à 85 microns. Un

rayon lumineux pénétrant dans le cœur de la fibre à l'une de ses extrémités, se propage

longitudinalement jusqu'à l'autre extrémité grâce aux réflexions totales qu'il subit à l'interface

entre le verre de cœur et le verre de gaine. Parmi les fibres multimodes, on distingue les fibres

à faible indice ou saut d'indice (débit limité à 50 Mb/s) et les fibres à gradient d'indice (débit

limité à 1 Gb/s).

I.4.1.1. Fibres optiques à saut d’indice

C’est le type de fibre le plus simple, et il est directement issue des applications

optiques traditionnelles (figure I.2). Le cœur de diamètre 2a est homogène et d’indice n1.Il est

entouré d’une gaine optique de diamètre extérieur 2b et d’indice n2 inférieur à n1. Ces deux

indices doivent être de l’ordre de 1,5.

La gaine otique joue un rôle actif dans la propagation, et ne doit pas être confondue

avec les revêtements de protection déposés sur la fibre.

Figure I.2 : La fibre multimodes à saut d’indice avec propagation d’une impulsion

I.4.1.2 Fibres optique à gradient d’indice [5]

Ces fibres sont spécialement conçues pour les télécommunications (figure I.3). Leur

cœur n’est plus homogène : la valeur de l’indice décroît de l’axe à l’interface et le guidage est

dû à l’effet du gradient d’indice. Les rayons guidés suivent une trajectoire d’allure sinusoïdale

et la gaine d’indice n2n’intervient pas directement, mais élimine les rayons trop inclinés.

L’avantage principal de ce type de fibre est la minimisation de la dispersion du temps

de propagation entre les rayons, sans utiliser pour cela l’ouverture numérique trop faible.

Cette fibre utilisée en télécommunications à moyenne distance a pour ouverture numérique

0,2 et pour diamètres cœur/gaine 50/125 mm. Il existe aussi les fibres 62,5/125 utilisées en

micro-informatique et les fibres 85/125 utilisées en vidéocommunications.

Chapitre I_____________________________________ Caractéristiques de la fibre optique

7

Figure I.3 : La fibre multimodes à gradient d’indice avec propagation d’une impulsion.

I.4.2 Les fibres optiques monomodes [4]

Les fibres monomode (figure I.4) ont un diamètre de cœur (10 microns), faible par

rapport au diamètre de la gaine (125 microns) et proche de l'ordre de grandeur de la longueur

d'onde de la lumière injectée.

L'onde se propage sans réflexion et il n'y a pas de dispersion modale. Le petit diamètre

du cœur nécessite une grande puissance d'émission qui est délivrée par des diodes-laser.

Figure I.4 : Les fibres monomode avec propagation d’une impulsion

I.5.Les fenêtres utilisées dans les télécommunications optiques [6] [7]

La fibre en silice (Si), actuellement utilisée pour les télécommunications optiques,

présentent trois bandes d’intérêts appelées fenêtres optiques :

- 1ère fenêtre optique (0.85 µm):(5 Km pour une perte par absorption de 90% du signal et

grande dispersion >25ps²/km).

- 2ème fenêtre optique (1.31 µm): utilisée dans les réseaux de communication standards

(80Km).

- 3ème fenêtre optique (1.55 µm): utilisé dans les réseaux de communication de longues

distances (105 km avec une dispersion de20 ps²/km)

La transmission d’information sur FO en silice ne peut donc se faire que dans ces trois

fenêtres optiques, et sachant que les pertes par absorption décroissent rapidement de la 1ère à la

3èmefenêtre, les transmissions optiques se font dans les deux dernières fenêtres.

Chapitre I_____________________________________ Caractéristiques de la fibre optique

8

La 1èrefenêtre ne permet que des transmissions locales (quelques centaines de mètres).

L’intérêt du2èmeest l’absence de dispersion, quant à la 3ème, c’est le faible d'absorption. On

utilise ces deux fenêtres respectivement pour la technique du WDM (jusqu’à 16 canaux) et

celle du DWDM (>16 canaux). La figure I.5, représente l'atténuation des signaux en fonction

de la longueur d'onde.

Figure I.5 : Atténuation des signaux en fonction de la longueur d’onde

I .5.1 Longueurs d’ondes :

Si l’on considère un signal sinusoïdal d’amplitude A et de période T se propageant

dans le vide à une vitesse de propagation C, on définit la longueur d’onde 0de ce signal

comme étant la distance parcourue durant la période T et a pour expression :

𝝀𝟎 =𝑪

𝒇 (I.1) 𝝀𝟎 = 𝑪 ∗ 𝑻 (I.2) avec𝑻 =

𝟏

𝒇 (I.3)

Ainsi, la lumière qui est un phénomène électromagnétique peut être considérée comme

une onde sinusoïdale de fréquence f à laquelle correspond une longueur d’onde 0.

Si la propagation de la lumière s’effectue dans un milieu quelconque, on lui fait correspondre

la longueur notée. En réalité la lumière comprend généralement un ensemble de signaux de

différentes longueurs d’ondes d’expression :

𝝀𝒊 =𝑪

𝒇𝒊 (I.4)

Il est donc possible d’exprimer le spectre des signaux lumineux soit en fonction de la

fréquence fet la fonction de la longueur d’onde (figure I.6) ayant comme référence la vitesse

(Célérité) de la lumière dans le vide C =3.108 m/s.

Chapitre I_____________________________________ Caractéristiques de la fibre optique

9

Figure I.6 : Spectre de la lumière en fonction de la longer d’onde

L’œil humain est en mesure de distinguer comme lumière de différentes couleurs seulement

une partie des radiations lumineuse présente dans le spectre de la lumière dite lumière visible

dans une gamme chromatique qui s’étend du rouge au violet. La lumière est dite :

- Monochromatique si elle se compose d’une seule longueur d’onde.

- Polychromatique si elle se compose de plusieurs longueurs d’ondes comme dans le cas de

la lumière visible qui comprend à l’ensemble des couleurs du spectre visible.

I.6. Caractéristiques des fibres [8]

I.6.1.L’onde optique :

C’est une onde électromagnétique qui se propage dans la fibre et elle est caractérisée

par : un champ électrique ( ), un champ magnétique ( ) et une direction de propagation.

I.6.2.L’indice de réfraction :

Les milieux constituant la fibre optique (cœur, gain) sont définit par l’indice de

réfraction n donné par : (I.5)

Où : est la permittivité relative du milieu et la perméabilité relative de milieu.

I.6.3. Le rayon optique :

C'est la trajectoire de l’onde électromagnétique correspondant à la direction du vecteur

d’onde.

I.6.4. Lois de Snell-Descartes :

Considérons deux milieux diélectriques d'indice de réfraction n1et n2séparés par une

surface ∑. Lorsqu'un rayon incident (milieu1) rencontre la surface de séparation (∑) il

apparait deux autres rayons : un rayon réfléchi (milieu 1) et un rayon réfracté qui est transmis

(milieu 2) (figure I.7)

r rn

Chapitre I_____________________________________ Caractéristiques de la fibre optique

10

Figure I.7 : Représentation des différents types de rayons

Les directions des rayons transmis et réfractés sont données par les deux lois de Snell-

Descartes. θ1=θ'1 (I.6) et n1Sinθ1=n2Sinθ2 (I.7)

I.6.5. Incidence critique :

Considérons un rayon incident dans un milieu d'indice de réfraction n1et se propageant

vers un autre milieu d'indice plus faible n2(n1>n2 θ1

Chapitre I_____________________________________ Caractéristiques de la fibre optique

11

Figure I.9 : Propagation des rayons contenus dans le cône d’acceptante

I.6.7. Angle d'acceptante de la fibre :[9]

Pour que les rayons injectés dans la fibre soient totalement réfléchis par l'interface

cœur-gaine, il est nécessaire que l’angle d'incidence sur cette interface soit supérieur à l'angle

critique θC. Cette condition impose l'existence, à l'entrée de la fibre, d'un cône d'acceptante

(angle au sommet 2 θACC) à l'intérieur duquel tout rayon injecté se propage par réflexion totale

(figure I.10).

Figure I.10 : Propagation d'un rayon injecté avec un angle égal à l'angle d'acceptante

Dans ces conditions, les rayons transmis de la source vers la fibre (figure I.11) peuvent être

classe en deux catégories [10] :

- Les rayons injectés à l'intérieur du cône d'acceptante ( < ) et qui se propagent par

réflexions totales.

- Les rayons injectés en dehors du cône d'acceptante ( > ) et qui vont disparaitre après

un certain nombre de réflexions.

Chapitre I_____________________________________ Caractéristiques de la fibre optique

12

Figure I.11 :Angle d'acceptante de la fibre

I.7. Avantages et inconvénients des fibres optiques [11]

I.7.1.Les avantages de la fibre optique

La FO est une des plus grandes avancées technologiques en matière de câblage

puisqu’elle perd tous les désavantages des câbles électriques (puissance, impédances,...). Elle

présente, en termes de transmission, une faible atténuation, une très grande bande passante,

multiplexage de plusieurs signaux (Fibre multimodes); faible poids, très petite taille et une

grande souplesse.

Un câble optique peut négocier des transferts allant jusqu’aux Téra bps et les distances

dépassent alors plusieurs kilomètres, ce qu’aucun câble de cuivre ne permet de faire.

Aujourd’hui, la FO est considérée comme la meilleure solution pour les grandes distances et

les gros transferts. Elle est relativement facile à installer, étant donné sa technologie, elle

permet surtout de connecter des Back bones entre eux. L’avantage majeur de ce type de câble

est qu’il est indifférent aux perturbations électromagnétiques puisqu’il transporte de la

lumière. De plus, il échappe complètement aux écoutes clandestines, puisqu’en l’occurrence il

faudrait se ponter directement sur le câble ce qui couperait la connexion.

I.7.2.Les inconvénients de la fibre optique

Les inconvénients les plus fréquemment mentionnés sont :

- La complexité de la connectique associée.

- La limitation en température pour certaines fibres (+85°C pour les fibres en plastique).

- La difficulté de détecter un défaut dans les fibres (épissures, cisaillement)

- Le prix du capteur à fibre optique est (actuellement) plus élevé que celui d’un capteur

traditionnel, sans pour autant être plus performant dans les applications usuelles.

Chapitre I_____________________________________ Caractéristiques de la fibre optique

13

I.8. Problèmes de transmission [12]

Bien qu'elles sont très performantes, les FO subissent des atténuations lors de la

propagation du signal. L’atténuation est due à plusieurs phénomènes, elle se mesure en

dB/Km et elle dépend de la longueur d’onde.

I.8.1. La diffusion Rayleigh :

Elle est due à l’interaction entre la lumière et la matière. En effet des milieux comme

le verre, les liquides et les gaz diffus la lumière. Cette diffusion est d’autant plus grande que la

longueur d’onde est petite, d’où l’utilisation de l’infrarouge (où la longueur d’onde est

élevée).

I.8.2.Absorption :

Due à la présence d’impuretés dans la fibre (exemple les liaisons OH).

I.8.3.Raccordements :

Il y a 2 manières de mettre bout à bout 2 fibres, par épissure (fusion) c’est un raccord

définitif ou par connecteur pour les raccords démontables. Dans les deux cas cela entraîne des

pertes à cause : de l’écartement, de l’excentrement et du désalignement.

I.8.4. Courbure et micro courbure :

Avec une courbure, il y a diminution de l’angle entre le rayon et la normale à la fibre.

En propagation, il nécessaire que le rayon soit réfléchi, mais au-dessus de l’angle il est

réfracté par la gaine optique. La courbure est due à une déformation globale de l’axe et la

micro courbure est due à une déformation locale de l’axe [9].

I.8.5. L’effet Kerr :

Il est dû à la variation de l’indice de réfraction de la silice en fonction de l’intensité

optique. Il exprime la dépendance de l’indice de réfraction n de la silice en fonction de

l’intensité du champ.

I.8.6 La dispersion chromatique :

Elle est principalement qualifiée par le coefficient de dispersion chromatique D donné

par la formule (I.10):

2

2

D

(I. 10) ; avec est le vecteur d’onde et ω est la pulsation.

Lorsque le coefficient Dest positif, c'est le régime de dispersion anormal et les impulsions se

contractent. Cela peut se traduire par une instabilité de modulation provocante l'éclatement

d'une impulsion en plusieurs maxima.

Chapitre I_____________________________________ Caractéristiques de la fibre optique

14

Lorsqu'il est négatif, c'est le régime de dispersion normale ; les impulsions subissent des

distorsions proportionnelles à la valeur de D. Elles s'élargissent et augmentent ainsi que le

taux d'interférence. [12]

I.9. Conclusion :

Les fibres optiques sont très utilisé es actuellement grâce à leur large bande passante.

Dans ce chapitre, nous avons décrit brièvement les différentes générations de l'évolution de la

fibre optique et nous avons présenté ses caractéristiques ainsi que les avantages et

inconvénients et les problèmes que peuvent être posés lors de la transmission. Dans le

chapitre suivant, le phénomène de la dispersion chromatique dans la fibre optique sera

présenté.

Chapitre IILa dispersionchromatique

Chapitre II ___________________________________________La dispersion chromatique

16

II.1 Introduction

Dans la transmission à haut débit via la fibre optique, certains problèmes liés à

l'atténuation du signal et à la perte d'information peuvent être engendrés, parmi ces

problèmes le phénomène de la dispersion chromatique qui est très pénalisante dans les

télécommunications à haut débit. Elle peut rendre difficile, voire impossible, la

reconnaissance des informations. C’est donc un paramètre à prendre en compte

attentivement lors de la conception de lignes de transmission.

Les mesures de dispersion chromatique restent délicates et nécessitent des appareils

relativement onéreux. Plusieurs types de dispersion existent, contribuant tous à l’étalement

de l’impulsion au cours de sa propagation dans le guide.

II.2 Les Diffèrent types de la dispersion

II.2.1 La dispersion de polarisation

Le mode fondamental d’une fibre optique monomode(LP01) est une combinaison de

deux modes électromagnétiques notés LPx01 et LPy01 qui ne se propagent pas à la même

vitesse dans la fibre si celle-ci présente une biréfringence parasite, de forme ou de contrainte.

Cette variation de vitesse provoque un déphasage entre les deux composantes du mode

fondamental et par conséquent, introduit un phénomène de dispersion de polarisation.[13]

Figure II.1 : structure de la dispersion de polarisation

II.2.2 La dispersion chromatique

Les propriétés optiques d'un matériau diélectrique transparent comme la silice sont

dépendantes de la fréquence optique du rayonnement qui le traverse. La dispersion

chromatique ou dispersion de vitesse de groupe est la dépendance en pulsation de l'indice de

réfraction linéaire n(), traduisant la présence des bandes de résonance de la silice dans

l'ultraviolet et l'infrarouge lointain. Elle provoque une différence de phase entre différentes

composantes spectrales. Ainsi, lors de la propagation d’impulsions brèves dans un milieu

dispersif (fibres en silice), elle induit un élargissement temporel de l’impulsion figure (II.2).

Chapitre II ___________________________________________La dispersion chromatique

17

Figure II.2 : Évolution de l'impulsion pendant sa propagation dans la fibre optique.

Loin des résonances du matériau, l'indice de réfraction peut s'exprimer à partir de

l'équation de Sellmeier :

m

j J

JJBn1

22

2

2 1

(II.1)

La dispersion apparaît dans le développement en série de Taylor de la constante de

propagationautour de la pulsation0 centrale de l’impulsion.[14]

...........)(6

1)(

2

1)()( 303

2

02010

BBBBc

n (II.2)

La constant de propagation: c

nB 000

)( (II.3)

gV

BB

1)( 01

s/m (II.4)

Le coefficient d'ordre 2, B2, caractérise la dispersion de la vitesse de groupe.

22

02

2

2.

.

.

Cd

ndBB

s2/m (II.5)

Pour la propagation d’impulsions dans les fibres, on utilise plus fréquemment le paramètre de

dispersion )(D .[4] 26

22

2

10.2

Bd

nd

cD

kmnm

ps

. (II.6)

Autour de la longueur d’onde =532 nm, la dispersion de vitesse de groupe de la silice

est positive: B2=66 ps2km-1, Soit )(D = -440 ps/nm.km. Dans ce régime de dispersion dite

normale, les composantes de hautes fréquences (bleues) se propagent moins vite que les

composantes de basses fréquences (rouges).Le régime pour lequel le coefficient B2 est négatif

est appelé régime de dispersion anormale. Il se situe au-delà de 1,3µm pour une fibre

standard (ou 1,5 µm pour une fibre à dispersion décalée). Ce régime est particulièrement

important pour les télécommunications car il recouvre la fenêtre d’atténuation minimale de la

silice (autour de 1,55 µm) et intervient directement dans les transmissions solutions.

Chapitre II ___________________________________________La dispersion chromatique

18

II.2.2.1Paramètre de dispersion chromatique

Lorsque l'on envoie un signal lumineux, il y a plusieurs longueurs d'onde présentes, soit

parce que la source est étendue, soit parce qu'elle présente en réalité un pic centré sur le mode

fondamental a une constante de propagation.[12]

a- Constante de propagation

La constante de propagation ( ) axiale, projection sur l'axe de propagation du module du

vecteur d'onde K dont la définition est la suivante :[9]101

.2nknK

(II.7)

Avec k0 vecteur d'onde dans le vide et : en

2 (II.8)

b-Temps de groupe

Lors de l'excitation d'une fibre à gros cœur par une impulsion, l'énergie lumineuse de celle-

ci se répartit sur un grand nombre de rayons qui se propagent suivant des chemins optiques

différents le long de la fibre. Pour une fibre à saut d'indice, la longueur de ces trajets dépend

des angles d'incidences I des rayons à l'interface cœur-gaine.Le temps de groupe, ou délai

de groupe tg, est défini comme étant le temps nécessaire pour qu'une impulsion se propage

dans une fibre de longueur L.[15] g

gV

Lt (II.9)

Le temps de groupe devient par conséquent :

d

d

C

L

d

d

C

L

V

Lt

g

g .22

.2

02

2

00

d

d

d

dLtg (II.10)

Tel que le premier terme est une constante pour un mode donné, mais change d'un

mode à l’autre ; on l'appelle la dispersion intermodale qui est nulle dans une fibre monomode,

et le deuxième terme représente la dispersion chromatique due aux différents temps de

propagation des composantes spectrales de l'impulsion.[9]

c- La vitesse de groupe :

d

dVg

d

dnn

CVg

11

(II.11)

Avec la dispersion chromatique traduit les variations de g selon:

g

LD .

1(II.12)

Chapitre II ___________________________________________La dispersion chromatique

19

d- La dispersion a deux composantes : [11]

La dispersion due au guide et aux variations d’indice, et la dispersion due à la

longueur d’onde. On a :2

2

L (II.13) ;On écrit alors : ..L (II.14).

La différence de temps de parcours d'un signal de largeur spectrale, dépend de celle-ci, de

la longueur L de fibre parcourue et de '' dérivée seconde de la constante de propagation du

mode.[9]On a:2

..2

CD (II.15)Avec:

22

C

D (II.16)

Remplace les relations présidant :

22

1...

CLDLt

Comme :

C

2 et

2

.2 C .

D’où : DLt (II.17)

e- L’indice de groupe N

L’indice de groupe Ni du matériau constituant la région i s’exprime en fonction de l’indice

de réfraction ni de la région i :[16]

d

dnnN iii (II.18)

Soit ne l'indice effectif de ce mode à la longueur d'onde donnée : n e=0K

(II.19).

En intégrant la définition de l'équation(II.11), on obtient :0

0dK

dnKnN ee (II.20).

La dispersion chromatique Dchrom. fournie par l'équation : 2

2

d

nd

CD echrom .(II.21).

En première approximation et en négligeant la contribution croisée des deux dérivés

premières par rapport à l'indice n et la fréquence V, la dispersion chromatique apparaît comme

la somme de la dispersion du matériau ,Dmair et de la dispersion du guide , Dguide(La dispersion

liée à la géométrie du guide).Elle s'exprime alors selon :Dchroma=Dmair+Dguide(II.22).

II.2.3 La dispersion du matériau [11]

La constant de propagation d'un mode dans une fibre optique est donné par la relation :

enK .0 Avec (n2< ne< n1).

Le mode étant principalement confiné dans le cœur de la fibre d'indice de réfraction n1

proche de ne, on supposera par la suite que : 10.nK (II.23)

Chapitre II ___________________________________________La dispersion chromatique

20

Le temps de transit d'une onde pour parcourir une distance L est tel que :

d

d

d

dL

V

Lt

g

mat

Avec :

d

dnn

d

d 112

22 et

2

2

C

d

d et :

d

dnn

C

Ltmat

11

.(II.24)

L'allongement temporel de l'impulsion (étalement impulsionnel) est défini par la relation :[17]

d

dtmatmat

2

1

2

d

nd

C

Lmat

(II.25). Or la dispersion du matériau est telle que :

LD matmat Alors on obtient : 2

1

2

d

nd

CDmat (ps/ nm.km) (II.26)

II.2.4 Dispersion de guide

Le temps de transit tg s'écrit sous la forme :

d

d

C

Ltg avec l'hypothèse que n1(l) soit

une constante, et donc que 01 d

dn.On élimine ainsi la dépendance de l'indice de réfraction du

matériau en fonction de la longueur d'onde.

La fréquence spatiale normalisée V est définie par :V2= a2k02 (n1

2-n22) (II.27)

Soit b, la constante de propagation normalisée :21

2

0

nn

nk

b

(II.28)

On peut donc faire une approximation de b par : 2120 nnbnK (II.29)

Par conséquent, le temps de transit tg peut s'écrire tel que :

0

012

)(

dK

bKdnn

C

Ltg

Avec : 0110 ..2..2. dknadVnakV Donc :A

dV

na

dVdk

2. 10

et

Vd

bVdnn

C

L

A

Vd

A

bVd

nnC

Ltg

..

1212 (II .30)

La figure II.4 présente l'évolution du temps de groupe tg en fonction de la longueur d'onde.

(1) pour fibre optique optimisée à 1310 nm et (2) pour fibre optique optimisée à 1550 nm.

Chapitre II ___________________________________________La dispersion chromatique

21

Figure II.3 : Évolution du temps de groupe tg en fonction de la longueur d'onde

L'étalement de l'impulsion tg est :

2..

2

1

.

. dV

Vbdn

C

VL

dV

dtV

d

dt ggg

(II.31)

Soit Dg le paramètre du guide :

2

2

.1

. dV

VbdV

C

n

LD

g

g

(Ps/nm.km) (II.32)

Par conséquent, en intégrant les équations définissant la dispersion du matériau et du guide

dans l'équation (II.22),on exprime la dispersion chromatique sous la forme

suivante 2

1.

2

2

2

1.

.

d

nd

CdV

VbdV

C

nDChrom

(II.33)

La dispersion du guide est proportionnelle au paramètre de dispersion

2

2d

dV

Vb

Une fibre optique usuelle est monomode, si sa fréquence normalisée est inférieure à la

fréquence de coupure du deuxième mode qui vaut 2,405. Pour des fibres monomodes

classiques, la dispersion du guide est toujours négative car le paramètre de dispersion est

négatif pour des valeurs de V inférieures à 2,405. Au vu des valeurs des dispersions du

matériau et du guide, la dispersion chromatique d’une fibre monomode classique ne peut donc

s’annuler qu’à des longueurs d’ondes supérieures à 1,27 μm. Dans une FCP, la taille du mode

est imposée par la géométrie de la structure. Elle varie très faiblement en fonction de la

longueur d’onde. [13]

La dispersion de guide des fibres à trous peut prendre une valeur positive permettant

d’annuler la dispersion chromatique pour des longueurs d’onde inférieures à 1,27 μm. [18]

II.2-5 Dispersion intermodale

A l’entrée de la fibre optique, on envoie une impulsion lumineuse infiniment étroite

(Dirac). Cette impulsion excite tous les modes de propagation de la fibre (0

Chapitre II ___________________________________________La dispersion chromatique

22

Figure II.4 : le phénomène de dispersion intermodale

La cause principale de l'élargissement des impulsions dans les fibres optiques

multimodes est la dispersion intermodale. Cet élargissement est provoqué par les différences

des temps de parcours des rayons (ou des modes). La dispersion intermodale Di est

l'élargissement temporel maximumd'une impulsion par unité de longueur de fibre.[15]

LL

ttDi

minmax (Ps / km) (II.34)

Avec tmax et tmin respectivement le temps de parcours du mode le plus lent et celui du mode le

plus rapide. Dans une fibre à saut d'indice, le rayon le plus rapide est celui dont le trajet est

parallèle à l'axe de la fibre. Ce rayon est associé à l'angleégal à 0et au mode appelé « mode

fondamental » LP01. De même, le rayon le plus lent fait un angle max par rapport à l'axe de la

fibre avec max défini par :

1

2

2

2

1

max arcsinn

nn (II.35) et min1minmax . tntt

Le plus court chemin est sur l'axe optique:C

Lnc .min ;

1

2

1.1minmax

n

n

C

Ln (II.36).

Ainsi : 2

1.

n

n

C

Ln

C

Ln. Avec 1

g

c

n

n et

2

1

2

2

2

1

2n

nn (II.37)

Différence relative d'indice. Finalement on exprime la dispersion intermodale par :

C

nDi

.1. (II.38)

L'obtention d'une dispersion intermodale réduite se fait en minimisant ou en

utilisant une fibre à gradient d'indice. Dans ce cas-là, l'indice de réfraction n1 du cœur décroît

avec le rayon de celui-ci de sorte que les rayons axiaux (à trajet court) voient un indice élevé

(leur vitesse c/n est alors réduite) tandis que les rayons périphériques (à trajet long) voient un

indice plus bas (vitesse accrue).Dans le cas d'une fibre optique monomode, cette dispersion

est nulle et ne sera donc pas prise en compte.[11]

Chapitre II ___________________________________________La dispersion chromatique

23

Remarque :

Les fibres standard (normalisation ITU-T G-652) installées dans les réseaux de

communication présentent un zéro de dispersion (D (ZD )=0) à la longueur d’onde ZD

=1310 nm. La variation du paramètre D en fonction de la longueur d’onde est tracée en figure

II.6. Toutefois, pour les longueurs d’onde comprises entre 1250 nm et 1660 nm, une

approximation de la valeur de D est donnée par :

zD

1122

D (II.39)

Figure II.5 : Dispersion d'une fibre standard.

II.3 L'effet de la dispersion intermodale et chromatique sur la transmission

optique :

Cet effet est illustrée par les figures II.7 et II.8 mettant en évidence, comment les différents

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

Figure II.6 : Dispersion intermodale

Figure II.7 : Dispersion chromatique

Chapitre II ___________________________________________La dispersion chromatique

24

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.[8]

II.4 Méthodes de mesure de la dispersion chromatique dans les fibres :

La mesure directe de τ (λ) est difficile car elle nécessite de générer des impulsions

courtes sur une large bande spectrale. Cependant si on connaît la différence de temps de

propagation global Δτ entre deux impulsions centrées sur deux longueurs d’onde très voisines

λ0–δλ et λ0+δλ, on peut alors calculer la dispersion chromatique autour de λ0 avec :[19]

2

1

.00.

Ld

dtD

g(II.40)

tg dépend de la longueur d’onde de la fibre L :

Ltg

. (II .41)

Il existe plusieurs méthodes pour mesurer la dispersion chromatique dans une fibre optique :

II.4.1 Par la mesure de l’étalement d’impulsions brèves :

Une méthode de caractérisation de dispersion chromatique consiste à comparer la

durée d’une impulsion avant et après sa propagation dans la fibre à caractériser. La durée de

l’impulsion est déduite de la fonction d’auto-corrélation de l’impulsion. L’impulsion doit

donc être brève afin d’avoir une largeur spectrale significative. [10]

II.4.2 Par la mesure du déphasage d’une onde modulée (optique incohérente) :

La phase d’un signal de fréquence angulaire ω est donnée par la (φ =ωt = 2πft) à un

instant t. Par conséquent, le retard de temps de propagation Δτ peut être calculé à partir du

déphasage Δφ mesuré grâce à la relation: f.2

(II.42)

Cette méthode, est très précise mais elle est limitée par la résolution et la bande passante

du mesureur de phase. Lorsque la dispersion est très proche de zéro, la durée Δτ est petite.

Pour pouvoir mesurer un déphasage significatif du signal modulant et conserver une précision

de mesure suffisante, il faut augmenter la fréquence de modulation f et/ou la longueur de la

fibre caractérisée. Comme le choix de f est limité par la bande passante du mesureur de phase,

les mesures de très faibles dispersions nécessitent d’utiliser des grands tronçons de fibre.

ainsi, il n’est pas possible de mesurer de faibles dispersions sur des échantillons de fibres de

courtes longueurs. Si la fibre à caractériser présente des pertes massives, cela peut empêcher

de mesurer des dispersions chromatiques à valeur absolue faible. [19]

Chapitre II ___________________________________________La dispersion chromatique

25

II.4.3 Par interférométrie (optique cohérente) :

Il est possible de mesurer le temps de groupe d’une onde lumineuse dans un tronçon de

fibre en la faisant interférer avec la même onde ayant voyagé dans un bras d’air de référence.

II.5 Technologies optiques de compensation de dispersion chromatique

De multiples techniques optiques ont été développées au cours des dernières années

pour résoudre le problème de la compensation de la dispersion chromatique .

II.5.1 Fibres compensatrices DCF (Dispersion Compensation Fibre):

Une des meilleures solutions permettant de minimiser les pénalités introduites par la

dispersion chromatique sur une large bande de longueurs d’onde est d’utiliser des fibres

compensatrices de dispersion (DCF). Le profil étudié présente un cœur central très étroit,

fortement dopé au Germanium de façon à créer une forte dissymétrie avec un cœur annulaire

plus large mais moins dopé. Le profil d’indice de réfraction (PIR) composé par les deux

cœurs concentriques supporte deux super modes. Ces super modes sont caractérisés par une

forte redistribution spatiale de leurs champs modaux lorsque la longueur d’onde varie les

publications montrent que ces mêmes fibres peuvent aussi jouer un rôle important dans le

contrôle de la dispersion chromatique (Dch).

L’avantage majeur de cette technique est son caractère large bande, d’autant plus qu’il

est possible, de concevoir une DCF compensant également la pente de dispersion. Cette

technique présente certains inconvénients : des pertes linéiques non négligeables (en

particulier pertes aux courbures), des effets non-linéaires augmentés (dus à la réduction de la

taille de mode), un encombrement important, une dispersion non continûment accordable.

II.5.2 Filtres interférométrique

Un premier type de filtre interférométrique utilisé pour la compensation de dispersion

est un interféromètre de Fabry-Pérot avec un miroir arrière totalement réflectif (interféromètre

dit de Gires-tournois). Il s’agit d’un filtre de phase pure dont la fonction caractéristique est

périodique et permet de compenser simultanément tous les canaux d’une grille ITU régulière

en fréquence. Pour chaque canal, la bande passante utile est réduite et la dispersion visée est

grande. Il est généralement nécessaire de cascader plusieurs filtres pour obtenir une bande

passante suffisante. Il est possible d’accorder la dispersion en faisant varier thermiquement la

longueur optique de la cavité résonante. Un autre dispositif est réalisé en optique intégrée par

cascade de plusieurs interféromètres de Mach-Zehnder. On peut ainsi obtenir un filtre optique

programmable que l’on contrôle en ajustant le déséquilibre de chaque interféromètre. Les

principales limitations sont sa bande passante réduite et sa sensibilité à la polarisation. [20]

Chapitre II ___________________________________________La dispersion chromatique

26

II.5.3 Compensation de dispersion par MSSI dans DWDM Système

La technique MSSI présente plusieurs avantages. L’inversion de spectre au milieu de

la distance de transmission (Middle Span Spectral Inversion), basé sur le mélange à 4 ondes,

peut réaliser une compensation complète de dispersion à condition que la conjugaison de

phase soit remplie. Une démonstration à 80Ghz a montré la faisabilité. Mais dans la

transmission de DWDM il n’y a pas qu’une longueur d’onde. [21]

II.5.4 Fibre (PCF)

Une nouvelle fibre à cristal photonique (PCF) basée sur un arrangement particulier de

trous d’air et de silice pure est conçue pour compenser la dispersion chromatique des fibres de

ligne. La structure obtenue est équivalente à une structure à deux cœurs concentriques et

présente théoriquement une très forte dispersion chromatique.[22]

II.6 Conclusion

La fibre optique apparaît comme la solution pour les transmissions hautes débit et très

haut débit. En effet le résultat des recherches les plus récentes permet de dépasser le

Térabit/s.Le principal problème de l`augmentation du débit est la dispersion chromatique qui

lie le distance de transmission au débit.Ce progrès technique a été rendu possible grâce au

contrôle de la dispersion chromatique par prendre une fibre compensatif qui permet, de

contrôler l'étalement temporel des signaux qui se propagent dans ces fibres. Des fibres avec

une dispersion chromatique fortement négative ont été créées pour compenser la dispersion

(ce qui est utilisé actuellement).

En effet la plupart d'entre elles ont été optimisées pour fonctionner avec de la

dispersion chromatique mais avec un minimum d’effet non linéaire et de compenser la

dispersion.

Chapitre III

Simulation parCOMSIS

Chapier III __________________________________________Simulation par COMSIS

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III.1. Introduction

Comme nous l'avons présenté dans les chapitres précédents, le phénomène de la

dispersion chromatique ou dispersion de vitesse de groupe pose des problèmes dans les

transmissions à haut débit via la fibre optique. Ces problèmes sont liés à l'atténuation du

signal et à la perte d'information.

Ci-dessous, nous allons présenter les manipulations pratiques que nous avons

effectuées durant notre stage aux services de CA (Centre d’Amplification) et CEL (Centre

d'Entretien de Lignes)de entreprise étatique des télécommunications (Algérie Telecom ATM)

à la wilaya d'Oum el Bouaghi afin de réaliser une connexion via fibre optique ou maintenance

suite à une coupure ou autres événements et voir par la suite l'effet de la dispersion

chromatique dans les transmission à haut débit. Puis nous allons présenter la simulation de cet

effet en utilisant le logiciel de simulation COMSIS.

III.2. Manipulations pratiques sur la fibre optique

Les objectifs de notre stage aux sein des services de CA et CEL d'Algérie Télécom été

d`une part d`apprendre l'intérêt de la communication par fibre optique par rapport aux

systèmes classiques de transmission et d`autre part déterminer et comprendre les composants

clés de la chaîne de transmission optique et les paramètres prisent en considération à chaque

manipulation pour une transmission à haut débit pour arriver réellement aux effets de la

dispersion chromatique dans la transmission par fibre optique.

III.2.1. Instrumentation de Terrain

2.1.1. Réflectomètres Fibre optique

Les réflectomètres optiques permettent de caractériser une ligne optique en mesurant à la

fois la longueur de cette dernière mais aussi les pertes totales et afficher les évènements

intervenant sur cette ligne tels que les connecteurs ou les soudures. La figure III.1représente

un des modèles utilisés dans les grandes lignes de transmission optique

Figure III.1 : Réflectomètre optique

Chapier III __________________________________________Simulation par COMSIS

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2.1.2. Soudeuse fibre optique

Elle permet le raccordement de deux fibres optiques par la technique de fusion. Cette

technique est à l’heure actuelle la technique qui assure les pertes les plus faibles et qui offre

un meilleur rapport qualité prix du marché figure III.2

Figure III.2 : Paria de Soudeuses

La Soudeuse de fibre optique permet de faire un alignement automatique cœur à cœur

et gaine à gaine, puis mettre la jonction à l’intérieur de la gaine de protection d'épissure et

mettre l'ensemble sous une température autour de 70°C au four.

2.1.3. Sources Laser

Les sources Laser permettent de générer un signal à une longueur d’onde donnée afin

de mesurer à l’aide d’un photomètre les pertes engendrées par une liaison fibrée (figureIII.3).

Certaines sources proposent le choix de la puissance du signal à générer.

Figure III.3 : Sources Lasers

http://absysfrance.com/?p=1384http://absysfrance.com/?p=1384

Chapier III __________________________________________Simulation par COMSIS

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2.1.4. Le Stylo Laser (VFL)

Le stylo Laser émet un signal laser à une longueur d’onde visible ce qui permet de

visualiser les défauts sur une fibre et de repérer la deuxième extrémité d’une fibre en cas

d’absence de marquage. La figure III.4 représente deux modèles de stylo Laser.

Figure III.4 : Les stylos laser

III.2.2.Etapes de réalisation d'une soudure optique

Pour réaliser une soudure optique, nous aurons besoin du matériel cité dans le tableau III.1 :

Outils à débuter

Dispenser d’alcool

Ciseaux Kevlar

Alcool

Pince à dénuder

Cliveuse optique de précision

Lingettes non pelucheuses

Soudeuse optique

Protections d’épissures

Pack de démarrage

Tableau III.1 : matériel nécessaire pour une soudure optique

La qualité de la soudure optique dépend de la qualité du nettoyage mais surtout de celle du

clivage de la fibre.

http://absysfrance.com/?p=1388

Chapier III __________________________________________Simulation par COMSIS

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III.2.2.1. Le détubage/dégainage

Le but de cette manipulation est de faire apparaître la fibre optique avec sa gaine de

250µm, pour cela nous allons nous munir d’une pince à débuter (ou pince à dégainer) adaptée

au tube (câble optique) à la gaine 2mm ou 3mm.

Figure III.5 : Dégainage de la fibre

III.2.2.2. Mise en place de la protection d’épissure

Avant de dégainer et nettoyer la fibre, il est nécessaire de placer la protection

d’épissure (aussi appelée « smooves » ou rétreint) et ceci afin de ne pas abîmer et blesser la

fibre préparée en enfilant la protection Figure III.6.

Figure III.6 : Placement de la protection d’épissure

III.2.2.3. Le dénudage

Une fois la protection est mise en place, il faut dénuder la fibre afin de faire apparaitre la

gaine optique de la fibre 125µm, (faire apparaitre la fibre nue).Pour cela nous utilisons la

pince à dénuder de diamètre fixe et réglée en usine (Figure III.7).

Chapier III __________________________________________Simulation par COMSIS

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Figure III.7 : Etape de dénudage

III.2.2.4.Le nettoyage

Une fois que la fibre est mise à nue, il est très important de la nettoyer en utilisant

généralement un dispenser d’alcool contenant de l’alcool iso-propylique avec des lingettes

non pelucheuses, il est également possible d’utiliser des lingettes pré-imprégnées (figure III.8)

Figure III.8 : Etape de nettoyage

III.2.2.5.Le clivage

Le clivage est une étape importante de la préparation de la fibre pour la soudure qui

consiste à couper la fibre avec un angle le plus droit possible (90°±2°) de façon à ce que les

deux extrémités de la fibre à souder soient propres, ceci afin de faciliter l’étape de fusion.

Pour cela nous plaçons la fibre nue dans la cliveuse de précision, en s'assurant que la partie

dénudée de la fibre repose sur les deux patins en caoutchouc de part et d’autre de la lame afin

Chapier III __________________________________________Simulation par COMSIS

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d’assurer la stabilité de la fibre durant le passage de la lame, puis on bloque la fibre et on fait

passer la lame sous la fibre. On doit faire attention à la fibre clivée de ne pas toucher

l’extrémité puisqu'elle sera très fragile (fibre en verre avec un diamètre de 125µm ce qui la

rend très fragile) (Figure III.9).

Figure III.9 : étape de clivage

III.2.2.6.Mise en place dans la soudeuse

Par la suite, il faut placer la fibre préparée dans la soudeuse en s'assurant qu'elle repose

dans l’un des deux parts des électrodes et il faut que l’extrémité soit positionnée au plus près

des électrodes mais sans dépasser ces dernières afin de laisser la place de positionner la

deuxième fibre, puis on fait la même chose avec la deuxième fibre (Figures III.10).

Figures III.10 Etape déplacements dans la soudeuse

Chapier III __________________________________________Simulation par COMSIS

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III.2.2.7. La fusion

Pour faire la de fusion dans la soudeuse nous devons faire le réglage de type

d’alignement, cœur à cœur ou bien gaine à gaine. ensuite pour lancer la fusion il existe

différents modes, soit en automatique (la fusion se lance automatiquement lorsque l’on ferme

le capot de la soudeuse), soit en mode manuel (la soudeuse attend l’appui sur le bouton de

lancement pour effectuer la soudure), soit en mode semi-automatique (lorsque l’on ferme le

capot, la soudeuse fait apparaitre les fibres à l’écran mais n'effectue pas la fusion, pour le

faire, il faut appuyer sur le bouton de lancement) cette dernière méthode permet un contrôle

visuel de l’état des fibres avant de lancer la soudure (Figures III.11).

Figures III.11 : Le réglage de type d’alignement, cœur à cœur dans la fibre

III.2.2.8 :L’ajustement de la protection d’épissure

Une fois la soudure terminée, on remonte la protection d’épissure afin de placer la

soudure au centre de celle-ci.

III.2.2.9 : La retreinte de la protection d’épissure

Ensuite nous plaçons la protection dans le four afin de la retreindre autour de la

soudure .Pour cela il faut maintenir la fibre en tension en tirant légèrement sur les deux bouts

autour de la protection et descendre le tout dans le four en maintenant la tension.

Il est nécessaire de tester le four avant l’utilisation finale afin de déterminer en fonction de la

longueur et de la qualité de la protection utilisée. Si l’on ne chauffe pas suffisamment

longtemps la protection peut ne pas être fermée, elle ne jouera pas son rôle de protection

contre l’humidité, trop chauffée la protection peut être altérée et peut se détériorer avec le

temps.

Chapier III __________________________________________Simulation par COMSIS

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Figure III.12 : La retreinte de la fibre optique

III.2.2.10.Le refroidissement de la protection d’épissure

A la fin du cycle de chauffe, un signal sonore est émis par la soudeuse. Il est alors

possible de sortir la protection du four, en faisant attention, car il est possible que cette

dernière soit encore chaude du fait de la barre métallique présente, Il faut ensuite la placer sur

un support de refroidissement.

Figure III.13 : Le refroidissement de la fibre optique

III.3 Simulation de l'effet de la dispersion chromatique

L'étude analytique de l'influence de ce phénomène par une simulation d'une

transmission via fibre optique montre clairement l'effet constaté de ce phénomène en pratique

durant de notre stage aux services de CA et CEL d'Algérie Telecom à la wilaya d'Oum el

Bouaghi. Cette analyse est présentée dans ici, en utilisant le logiciel COMSIS utilisé aux

services d'ATM et qui leur permettra d'étudier les phénomènes influant sur la transmission en

haut débit avant de passer à la pratique. Les ingénieurs et les techniciens de ces services

confirment que les résultats obtenus par ce logiciel sont pratiquement identiques à ceux

Chapier III __________________________________________Simulation par COMSIS

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constatés en pratique, d'où le recours à ce logiciel à chaque fois qu'il ait une nouvelle

installation, réparation ou mise à niveau d'un réseau à fibre optique.

III.3.1. Présentation du Logiciel COMSIS

COMSIS (COMmunication System Interactive Software) est un logiciel de simulation

développé par la société française PSIS (Ingénierie Pour Signaux et Systèmes).C'est un outil

qui permet aux chercheurs et aux ingénieurs de modéliser, simuler, analyser et concevoir tout

module de traitement du signal allant du dispositif le plus élémentaire au système complet de

communication. C'est un environnement interactif qui allie des outils numériques à des

fonctionnalités graphiques et une interface utilisateur. Il permet d'analyser des systèmes

analogiques ou numériques décrits sous la forme de schémas blocs.

III.3.2.L'effet de la dispersion sur la propagation d’une impulsion

Pour étudier l`effet de la dispersion sur la propagation d’une impulsion dans la fibre

Optique, nous faisons appel aux blocs ci-dessous et nous devons régler certains paramètres

tels que la fréquence optique et la largeur d'intensité des impulsions, la longueur de fibre...etc.

(figures III.14)

FigureIII.14 : Bloc d`une chaine de transmission optique.

Chapier III __________________________________________Simulation par COMSIS

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Figure III.15 : Définition des paramètres de courant laser.

Figure III.16 : Définition des paramètres de la fibre optique.

Les courbes obtenus suite à ce test d'analyse de l'effet de la dispersion chromatique sur

la largeur temporel de l`impulsion envoyée sont présentés à la figure III.17

Chapier III __________________________________________Simulation par COMSIS

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:

Figure III.17 : Effet de la dispersion chromatique sur la largeur temporel de l`impulsion

transmet.

En analysant ces courbes nous remarquons que la largeur temporelle de l’impulsion

augmente de manière considérable car l`impulsion en vert représente son état à l`entrée de la

fibre et celle de couleur jaune son état en réception pour une longueur de fibre de 10Km.

III.4.Simulation des conséquences d'une transmission via fibre optique

III.4.1.Schéma bloc de la liaison optique

Cette simulation illustre de manière simple les conséquences possibles de la liaison

optique Figure III.18 pour se faire nous avons réalisé le schéma suivant :

Figure III.18 : Schéma bloc de la liaison optique de simulation.

Chapier III __________________________________________Simulation par COMSIS

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III.4.2.Description des dispositifs

Pour simuler les conséquences d'une transmission via fibre optique nous devons définir les

paramètres suivants (Figures III.19 ; III.20 ; III.17) :

‒ Paramètres de courant laser.

‒ Paramètres de Laser

‒ Paramètres de la fibre optique.

‒ Paramètres d'amplification optique

‒ Paramètres de la Photodiode PIN

‒ Paramètres de la Filtre –Base Fréquence

‒ Paramètres de sortie

Figure III.19 : Définition des paramètres de courant laser

Figure III.20 : Définition des paramètres de Laser

Chapier III __________________________________________Simulation par COMSIS

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Figure III.21 : Définition des paramètres de la fibre optique

Figure III.22 : Définition des paramètres d'amplification optique

Figure III.23 : Définition des paramètres de la Photodiode PIN

Chapier III __________________________________________Simulation par COMSIS

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Figure III.24 : Définition des paramètres du Filtre Basse Fréquence

Figure III.25 : Définition paramètre de sortie

III.4.3.Résultats obtenues par la simulation

Les résultats ci-dessous sont ceux de la simulation dans le domaine temporal avec la

valeur de "Simuler=7000 points". La Figure III.26 représente les séquences de bits à l’entrée

et sortie d’une chaine de transmission optique en fonction de leur puissance.

Chapier III __________________________________________Simulation par COMSIS

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Figure III.26 : Séquences de bits à l’entrée et sortie d’une chaine de transmission optique

Suivant les deux courbes de la séquence de bits représentés par la puissance en

fonction de temps à l’entrée et sortie de la chaine, nous remarquons qu'il y a une même allure

avec quelques déformations sur la séquence reçue à cause des effets inévitables produisant le

long de la fibre telle que l’atténuation et la dispersion chromatique. Pour résoudre ce

problème nous devons suivre une des techniques de compensation dispersion chromatique.

III.5. Simulation de la compensation de la dispersion chromatique

Cette simulation permet d'illustrer le phénomène de la dispersion chromatique, et sa

compensation par la fibre à dispersion négative Figure III.27

D’après la relation L1D1+L2D2=0, et afin de faire la simulation de la compensation,

nous devons régler les blocs de simulation telle que : L1et L2 (longueurs de fibre

compensatrice) repr�