TECHNOLOGIE DE L’OPTIQUE GUIDEE Leçon 1 · L'ensemble des caractéristiques des fibres optiques est résumé sur la figure 1.29. ... Fig 1.37 : Transceivers optiques pour les liaisons

MASTER PRO 2 EN TELECOMMUNICATIONS

TECHNOLOGIE DE L’OPTIQUE GUIDEE

Leçon 1 : PRINCIPE, PROPRIETES ET TECHNOLOGIES DE LA FIBRE OPTIQUE

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Séquence 1 3ième partie

1.3. Technologies des fibres optiques

1.3 1. Les différents types de fibres optiques et leurs caractéristiques

Le tableau 1.2 montre différents types de fibres optiques. On peut les classer en gros, en deux

catégories : les fibres monomodes et les fibres multimodes. Les fibres multimodes peuvent à

leur tour, être divisées en fibres à saut d’indice, dans lesquelles l’indice de réfraction change

d’une façon discontinue à l’interface cœur/gaine, et les fibres à gradient d’indice dans

lesquelles l’indice change de façon continue dans la direction radiale. Certaines fibres

emploient largement la silice et ont par conséquent une température de ramollissement élevée

(1900°C), tandis que d’autres sont composées de verres multicomposants que l’on peut

travailler à température plus basses (800 à 1200°C).

Une fibre monomode peut présenter une très grande bande passante, mais elle n’est pas

supérieure en tous points aux autres fibres. Les raccordements, par exemple, sont plus

difficiles car le rayon du cœur n’est que de quelques micromètres.

La fibre multimode à saut d’indice a un cœur de grand rayon, entre quelques dizaines et une

centaine de micromètres de sorte que sa manipulation soit relativement facile. Mais sa bande

passante est faible, seulement quelques dizaines de mégahertz sur un km. La fibre multimode

à gradient d’indice a un cœur dont le rayon est semblable à celui de fibre multimode à saut

d’indice. Elle peut elle aussi être manipulées facilement. Cependant sa bande passante est

environ cent fois plus grande.

L’indice de réfraction du cœur de ces fibres optiques est à peu près 1,5 et la différence

d’indice relative entre cœur et gaine se situe normalement entre 0,5 et 1%.

Master GETEL UV Technologie de l'optique guidée Version 19/09/2007

Tableau 1.2 : Types de fibres optiques

L’étude rigoureuse par les équations de Maxwell, des conditions de propagation dans

une fibre montre que seul un nombre limité de types d’ondes est susceptible de s’y propager :

ils correspondent aux modes de propagation, chaque mode ayant une vitesse de propagation

qui lui est propre. Le nombre de modes possibles se trouve réduit lorsque l’indice du cœur

décroît selon une loi quadratique du centre à sa périphérie (fibre à gradient d’indice) . Un seul

mode se propage dans une fibre à cœur d’indice constant, dite alors fibre monomode, lorsque

son rayon a est suffisamment petit pour que soit satisfaite la condition :

2 a/ .(n²Π λ 1 n²2 )1/2 < 2,40 (37)

étant la longueur d’onde dan le vide; λ

pour n1=1,50 et n2= 1,51 l’inéquation précédente entraîne : a <2,2 λ

La figure 1.27 montre le profil d’indice des différents types de fibre optique.


Fig 1.27 : Profil d’indice des différents types de fibre optique.

Tandis que les fibres monomodes et les fibres multimodes à saut d’indice ont des

indices constants, les fibres à gradient d’indice ont un indice variable. Les fibres à gradient

d’indice ont été spécialement conçues pour les télécommunications. Leur cœur n’est pas

homogène comme dans le cas des autres fibres, leur indice de réfraction décroît de l’axe à

l’interface selon la loi (Fig 1.28) : n1 r =n11−2 .raα (38)

avec r distance à l’axe, =n1n2<<n1, exposant de profil d’indice tel que ~2Δ α α

Fig 1.28: Loi de variation de l’indice d’une fibre optique à gradient d’indice.

L'ensemble des caractéristiques des fibres optiques est résumé sur la figure 1.29.


a)

b)

c)

Fig 1.29: Caractéristiques des fibres optiques en fonction du type de fibre

a) Fibres monomodes

b) Fibres multimodes à saut d'indice

c) Fibres multimodes à gradient d'indice

1.3.2. Matériaux et méthodes de fabrication des fibres optiques

Une fibre optique est généralement constituée d’un cœur à indice de réfraction élevé entouré

d’une gaine en verre. Plusieurs sortes de combinaisons cœur/gaine et répartitions d’indice de


réfraction ont été mises au point et sont résumées au point de vue matériau et répartition

d’indice dans le tableau 1.2

1.3.2.1. Fibre en verre de silice

Le verre de silice est composé d’une vitreuse de SiO2 pur. Il présente une atténuation plus

faible que tout autre matériau connu actuellement dans la région du proche infrarouge.

L’indice de réfraction est d’environ 1,45 et est donc bas comparé à celui des autres verres.

Ainsi, pour employer le verre de silice comme cœur de fibre, on peut utiliser comme matériau

de gaine soit de la silice dopée au bore ou au fluor, soit des substances organiques telles que

des plastiques, qui sont parmi les quelques matériaux compatibles ayant un indice de

réfraction plus bas. D’autres part, les verres au phosphosilicate et au germanosilicate

conviennent pour le cœur, car ils ont un indice de réfraction plus élevé que celui de la silice.

Des exemples types des différentes méthodes de fabrication sont :

1. Revêtement plastique d’un cœur en verre

2. Méthode « barreautube »

3. Dépôt chimique en phase vapeur (CVD, Chemical Vapor Deposition).

4. Hydrolyse à flamme

5. Dépôt par plasma

6. Dépôt en phase vapeur dans le sens axial (VAD, Vaporphase Axial Deposition

La figure 1.30 (a) montre une méthode de dépôt chimique en phase vapeur dans laquelle des

couches de verrres sont déposées à l’intérieur d’un tube (dépôt interne) , généralement en

silice de très grande qualité, d’épaisseur uniforme et de section parfaitement circulaire. Ce

tube peut former le matériau de gaine mais le plus souvent, il sert simplement de bâti. Pour

produire une gaine en silice à faible atténuation, la vapeur de tétrachlorure de silicium est

mélangée avec l’oxygène, puis on la fait circuler dans le tube. On chauffe à une température

d’environ 1800°C ; l’oxydation se produit par la réaction:

SiCl4 +O2 SiO2 + 2cl2→ (39)


Fig 1.30: Fabrication de fibre optique par dépôt chimique en phase vapeur (CVD

(a) Méthode interne. (D après Kapron et al. ) (b) Méthode de dépôt extérieur. (D’après

French et al.)

1.3.2.2 Fibres en verre multicomposants

Une autre méthode pour fabriquer de verre muticomposant pouvant travaillé aux température

beaucoup plus basses de 900 à 1300°C est d’utiliser une disposition à creuset double telle que

celle de la figure 1.30. Le verre de cœur est fondu dans le creuset interne et le verre de gaine le

creuset extérieur ; ils s’écoulent par des orifices pour former une fibre. Cette méthode peut

convenir à une production industrielle des fibres, mais il faut faire attention aux impuretés

provenant des creusets et il est difficile d’obtenir des matériaux ayant au départ la qualité

voulue. On doit donc prendre de grandes précautions pendant la préparation.

Fig 1.31 : Creuset double pour la fabrication des fibres multimodes à gradient d’indice

( D’après Koizumi et al.)


Comme le montre le tableau 1.2, on produit à partir des verres multicomosants des

fibres multimodes, ayant à la fois une répartition à saut d’indice et à indice parabolique ou

quadratique dans le cœur de la fibre. L‘atténuation à été réduite récemment à moins de

4dB/Km.

Une répartition parabolique peut être obtenue par la méthode du double creuset en permettant

la diffusion d’ions et par conséquent un échange d’ions après que le verre du cœur soit sorti

par l‘orifice interne. On peut avoir par exemple un échange entre les ions thallium (Tl) du

cœur et lésions poatsssium (K) de la gaine. L’atténuation de cette fibre est aussi inférieure à

4dB/Km à 0,83m .

La perte par diffusion Rayleigh peut être inférieure dans certains verres composés, mais

malheureusement la dispersion par multicomposant est accrue.

1.3.3. Exemple du processus de fabrication de la fibre monomode :

du barreau de verre au câble multifibres

Les images ciaprès montrent comment l’on fabrique de la fibre monomode. Chaque étape de

fabrication est illustrée par un schéma explicatif.

La première étape consiste en l’assemblage d’un tube et d’une barre de verre cylindrique

montés concentriquement. On chauffe le tout pour assurer l'homogénéité du barreau de verre.

Un barreau de verre d’une longueur 1m et d’un diamètre de 10cm permet d’obtenir par

étirement une fibre monomode de 150 km environ.

Fig 1.32 : Etape de fabrication d’une fibre monomode : Assemblage Barreau et tube de verre

cylindrique montés concentriquement


Le barreau ainsi obtenu sera installé verticalement dans une tour située au premier

étage et chauffé par des rampes à gaz. Le verre va s’étirer et « couler » en direction du rez

pour être enroulé sur une bobine.

On mesure l’épaisseur de la fibre (~ 10 m ) pour asservir la vitesse du moteur de l’enrouleur,

afin d’assurer un diamètre constant.

Fig 1.33 : Etape de fabrication d’une fibre monomode : processus d’étirement du verre et de

son enroulement sur une bobine

Chaque bobine de fibre fait l’objet d’un contrôle de qualité effectué au microscope.

Fig 1.34 : : Etape de fabrication d’une fibre monomode :Contrôle de qualité de chaque

bobine de fibre au microscope

Puis on va enrober le verre d’un revêtement de protection (~230 m ) et assembler les fibres

pour obtenir le câble final à un ou plusieurs brins.


Fig 1.35: Etape de fabrication d’une fibre monomode : Obtention du câble final après

revêtement de protection du verre et assemblages des fibres

1.3.4. Exemples de réalisations

1.3.4.1. Préliminaires

Installé en 19851986, le panneau de distribution des fibres dans le local des PTT situé au

soussol d’UniDufour est le nœud de communication central du réseau de l’Université.

C’est d’ici que partent les liaisons informatiques Ethernet ou ATM vers les sites les plus

importants, mais ce sont ces mêmes liaisons qui ont permis de relier les centraux

téléphoniques.

Une partie de ces fibres vont directement au central PTT logé sous la plaine de plainpalais

(Généve, Suisse)

Fig 1.36 : Fibre PTT dans le soussol d'UniDufour

Transceivers fibre optique multimode et monomode des sites à distance connectés aux

routeurs correspondants.


Fig 1.37 : Transceivers optiques pour les liaisons Ethernet via les fibres PTT

Point central du réseau des fibres multimodes du bâtiment Unidufour.

A droite de l’image, les Hubs Ethernet à connexion optique.

Les fibres arrivent jusqu’au poste de travail du personnel des SEINF ou des membres du CUI.

Ainsi, on peut connecter les stations à Ethernet, FDDI ou ATM.

Fig 1.38 : Panneau de distribution des fibres à UniDufour

Le gigaSwitch commute les trames FDDI du backbone où sont raccordés les principaux

serveurs et les routeurs du réseau.

1.3.4.2 Présentation des câbles optiques (après fabrication)

Selon les usages envisagés, les fabricants produisent différents types de câbles optiques (Fig

1.39).


a) Câble optique monofibre

b) Câble multifibres

c) Câble optique de bureau ou domicile (sous tapis)

Fig 1.39: Présentation des différents types de câbles optiques

1.3.5. Raccordements (épissure), connexions et couplages optiques

Il est d’une grande importance pratique que de pourvoir interconnecter les fibres optiques,

mais c’est une opération en principe difficile à cause de la très petite dimension du cœur

de la fibre optique. Il est très important de souligner que le mot « raccordement » signifie

un raccordement ou une jonction permanente de deux fibres mises bout à bout.

Le mot le plus souvent utilisé à la place de raccordement et qui désigne en fait la même

chose est « épissure », « connecteur » indique une connexion amovible que l’on peut

connecter et déconnecter très souvent.

Alors qu’épissure et connexion sont des opérations mécaniques sur la fibre, un certain nombre

d’autres dispositifs permet d’effectuer des opérations directement sur le signal optique : ce

sont les coupleurs optiques.


1.3.5.1. Raccordements ou épissure

Il y a plusieurs techniques de base pour raccorder les fibres, par exemple la méthode du

manchon, (fig 1.40 (a)) et la méthode du Vé et le joint à tube libre ( fig 1.40 (b)). Ces

méthodes utilisent toutes de la résine époxy pour la fixation en position définitive des fibres.

Une méthode très répandue consiste à ramollir et à fondre les extrémités de la fibre dans un

arc électrique à faible puissance, (fig 1.40 (c)). La fig 1.40 (d) présente le schéma simplifié

d’un type d’épissure ou fusionneuse fonctionnant sur ce principe, pour fibre monomode.

d)

e)

Fig 1.40 : Méthodes de raccordement : (a) Manchon, (b) Rainures en V ; (c) et

(d) fusion à l’arc ; (e) raccordement des rubans de fibres.


Elle comprend les éléments suivants :

1 Un arc électrique E assurant la fusion des deux fibres

2 Des micromanipulateurs M assurant l’ajustement ;

3 Un dispositif d’insertion locale du lumière I, idéalement à la longueur d’onde où la

fibre est unimodale ;

4 Un dispositif de détection de lumière D.

Les fibres I et D sont fortement courbées pour permettent d’injecter localement de la lumière

dans le cœur de la fibre ou d’en prélever. Ces dispositifs permettent en principe d’évaluer la

perte après fusion in situ, c’est à dire sans être obligé de faire une mesure de bout en bout où

l’injection aurait lieu à l’entrée de la ligne et la détection à la sortie.

Les épissures actuelles permettent d’obtenir des pertes typiques de 0,05dB sur les fibres des

télécommunications.

La fig 1.40 (e) montre une méthode d’épissure multifibre qui a été développée pour ce besoin

spécifique, mais les extrémités des fibres ont dû être préparées lors de la fabrication pour que

le raccordement soit possible.

1.3.5.2. Connecteurs

Il existe à l’heure actuelle différents types de connecteurs pour fibres monomodes ou

multimodes, (Fig 1.41). Dans certains cas, on déduit la perte par réflexion entre les extrémités

des fibres en insérant une fine plaque en plastique entre elles. La perte par couplage a pu ainsi

être à moins de 0,1dB.

Fig. 1.41 : Photographie de différents types de connecteurs pour fibres optiques.


En dehors des exemples montrés cidessus, un exemple de solution nouvelle pour les

connecteurs est le connecteur à double excentrique, dans lequel les deux fibres à coupler sont

montées légèrement décalées par rapport à l’axe. En faisant tourner les manchons et en

maintenant les fibres, on fait tourner les cœurs sur deux cercles sécants et on détermine le

point de couplage optimum en observant l’intensité lumineuse sortant d’une fibre quand

l’autre est excitée.

La figure 1.42 est la photographie d’un de ces connecteurs, particulièrement adaptés aux

fibres monomodes.

Fig 1.42 : Connecteur à double excentricité

1.3.5.3. Connecteurs ou coupleurs optiques

Ils servent à réaliser des opérations précises sur le ou les signaux optiques dans les fibres

auxquelles ils sont associés.

La figure 1.43 montre le schéma de ces différents coupleurs en précisant les opérations qu’ils

effectuent sur les signaux..


Fig 1.43 : Schéma des différents coupleurs présentant les opérations effectuées sur les

signaux


On distingue alors :

Les coupleurs fusionnés (Fused tapered couplers).

C’est un groupe de fibres fusionnées formant une seule large fibre à la jonction. La lumière

introduite dans chacune des fibres apparaît en sortie de toutes les autres fibres ;

Le Coupleur séparateur de faisceau ( luam –splitting coupler).

Il est constitué d’un miroir semitransparent et de lentilles permettant de séparer et de

réorienter le signal optique dans d’autres fibres ;

Le Coupleur étoite réflectant (reflective star coupler)

C’est un dispositif multiports, siège de réflexion multiple, utilisé dans les réseaux

informatiques ;

Le multiplexeur optique

Il est constitué d’un miroir semitransparent ou semirefléchissant et sert à faire du

multiplexage des signaux optiques ;

Le démultiplexeur optique

De constitution identique au coupleur précédent, il sert à faire l’opération inverse, le

démultiplexage optique ;

Le Filtre optique

Il est constitué d’un miroir dichroïque opérant comme un filtre, permettant ainsi de séparer

deux signaux optiques de fréquences différentes.

Il convient de faire remarquer que les coupleurs optiques servent essentiellement à diviser le

signal optique source en plusieurs sorties. Seulement, à chaque division, le signal de sortie

diminue et il apparaît également des pertes par couplage (environ 0,5dB par couplage). Ainsi,

avec une entrée et deux sorties, le signal se divise entre les sorties 3 dB de perte par sortie).

Ajoutée aux pertes par couplage, la somme des pertes par divisions (3,5 dB par sortie) devient

un facteur limitant dans l’utilisation des coupleurs optiques, si bien que les possibilités

maximales de coupleurs utilisables ne peuvent être déterminées que par la sensibilité des

détecteurs à la réception.


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