fibre-suisse.ch

Historique
En 1840, à Paris, MM. Colladou et Babinet montrent que l’eau permet de transporter la lumière, mais surtout de la diriger, car la lumière est guidée par le jet d’eau: elle suit son trajet même si celui-ci est courbe, c’est le principe de réflexion totale. En 1956, Cette propriété de guidage de la lumière dans un tube transparent est utilisée en médecine par le gastroscope, qui permet d’injecter de la lumière à l’intérieur des intestins, et donc de les voir. Le laser est découvert en 1958 dans les BELL Labs (USA), celui-ci aura une importance prépondérante dans l’utilisation de la fibre, car il émet une lumière précise et « cohérente » (sur une seule longueur d’onde et de même phase) et de forte puissance (ce qui permettra d’utiliser la fibre optique sur de longues distances). L’utilisation conjointe de la fibre optique et du laser commence en 1964, et en 1971, Bell produit un laser qui peut fonctionner à température ambiante. En 1970, Corning Glass Works (USA) développe la première fibre avec une faible atténuation, 20dB/km, ce qui permet le transport sur de longues distances (0.2dB/km sont atteints en 1979 en améliorant la pureté, i.e. la transparence de la fibre, et on arrive actuellement en laboratoire à une atténuation minimale d’environ 0.15dB/km). Ceci est à mettre en relation avec les atténuations sur un câble de cuivre (de l’ordre de 49dB/km), ou sur un câble coaxial (35dB/km). Il est à noter qu’une atténuation de 20dB (donc 100km sur une fibre, 400m sur un câble de cuivre) correspond à une perte de 99% de la puissance du signal d’entrée!

L’architecture actuelle des fibres optiques (cœur et gaine composés de verre, mais d’indices de réfraction différents) date de 1973. Avant, la gaine optique était constitué d’un autre matériau (air ou huile), et cette évolution, faite par Schott Glass (D), permet d’avoir des fibres qui supportent très bien le vieillissement.

Dès 1984, la fibre optique est utilisée à la place des câbles coaxiaux pour le réseau interurbain, et en 1988, TAT-8 (†2002) fût le premier câble transatlantique en fibre optique posé entre l’Europe et les USA. Il permettait 40’000 communications téléphoniques simultanées, le tout avec des répéteurs tous les 70km. Le dernier posé, TAT-14 (mis en service en 2001 utilise le multiplexage en longueur d’onde (WDM), et transporte donc 16 longueurs d’onde, chacune avec un signal à 10 Gb/s, soit un total de 160Gb/s par fibre, 320Gb/s au total (soit presque 1’000 fois plus que le premier câble optique, TAT-8), avec des répéteurs distants de plus de 300km.

Principe de fonctionnement
La fibre optique est un fil transparent entouré d’une surface réfléchissante. La lumière injectée à une de ses extrémités est donc transmise de l’autre côté, comme indiqué sur la figure ci-dessous.

Le fil transparent est appelé le cœur, et la surface réfléchissante la gaine optique. Le cœur et la gaine optique sont en fait tous les deux constitués de verre (ou de plastique dans certains cas), mais de deux types légèrement différents, ayant chacun un indice de réfraction propre. Ceci fait qu’un rayon de lumière injecté « à peu près » dans l’axe du cœur sera réfléchi par la gaine (comme le soleil couchant à la surface de la mer), et envoyé de l’autre côté. Cette réflexion totale est très importante, car c’est elle qui garantit les faibles pertes (la presque totalité de la lumière est transmise de l’autre côté) et donc la possibilité d’utiliser la fibre optique sur des longues distances. La fibre optique (cœur / gaine optique) est ensuite entourée d’un revêtement de protection en polymère, comme indiqué dans la figure ci-dessous.

Caractéristiques
Les principaux paramètres qui caractérisent les fibres optiques sont l’atténuation et la dispersion.
L’atténuation quantifie l’affaiblissement de la puissance d’un signal injecté en fonction de la distance qu’il a parcouru sur la fibre. Cette atténuation est très importante, car il faut que le signal reçu possède une puissance suffisante pour que le récepteur puisse le « voir », et donc le décoder. La valeur de l’atténuation dépend de la longueur d’onde (c’est-à-dire de la couleur) du signal lumineux injecté. Pour information, la lumière visible pour l’œil humain se situe entre le violet (450nm), et le rouge (650nm). La « zone » utilisée pour la transmission sur fibre optique se situe après le rouge, dans l’infrarouge, entre 1260nm et 1675m.

L’atténuation, extrêmement faible grâce à la pureté du verre employé et de certains traitements, possède un minimum vers 1550nm, et celui-ci est d’environ 0.2dB/km pour les fibres optiques sur le marché actuellement. Cette atténuation dépend de la longueur d’onde (voir figure à gauche), mais la zone où celle-ci est acceptable (moins de 0.4dB/m) s’étend sur près de 400nm.

La dispersion, dont il existe plusieurs types (intermodale, chromatique, de longueur d’onde, non-linéaire), caractérise l’étalement du signal lumineux durant son passage dans une fibre optique. Si l’étalement devient trop important, le signal pourrait être illisible à la sortie, ou interférer avec d’autres signaux transmis sur la même fibre (voir les possibilités sous « Architectures »). Il est à noter que la dispersion intermodale ne se passe que dans les fibres multimodes (voir paragraphe ci-dessous), et a pour cause les différents chemins qu’un signal lumineux peut prendre dans le cœur. Les dispersions non-linéaires (Raman, Brillouin, …) prennent une importance grandissante avec l’amélioration des possibilités de correction des autres dispersions, et avec l’augmentation impressionnante des débits transmis.

Il existe deux principaux types de fibres optiques (voir encadré, mais d’autres ont aussi été créées pour des applications spéciales, comme les fibres à cristaux phoniques). Les fibres multimodes (qui se divisent encore entre fibres à gradient ou à saut d’indice) ont un cœur assez gros (de l’ordre de 50µm), ce qui fait que la lumière va avoir plusieurs trajets, et « rebondir » contre les parois jusqu’à l’autre extrémité. Dans une fibre monomode (diamètre du cœur d’environ 9µm), la lumière ne va avoir qu’un seul trajet, tout droit. Ceci limite les dispersions, mais demande des sources lumineuses plus précises (signal envoyé parfaitement dans l’axe, et sur une surface 10x plus petite). Les 3 types de fibres sont montrés dans la figure ci-dessous.

Architecture
La fibre optique est le chemin sur lequel les données vont transiter. Il faut quelques composants supplémentaires afin de permettre ce transit possible, comme indiqué sur la figure ci-dessous.

Un émetteur transforme les données, transmises sous forme d’impulsions électriques, en signal lumineux, et l’injecte dans la fibre. Il existe 2 grandes familles d’émetteurs, les lasers et les LEDs. Les lasers envoient une lumière puissante, cohérente (dans une seule direction), et ont une « fenêtre » d’émission (longueur d’onde) très étroite (??nm), ce qui permet d’en mettre plusieurs « l’un à côté de l’autre » sur une même fibre. Les LEDs, au contraire, ont une lumière qui part dans toutes les directions, et une fenêtre d’émission plutôt large (de 30-40nm). Ces caractéristiques font qu’un laser possède une efficacité de couplage d’environ 50% (50% de la puissance émise est transmise dans la fibre), alors que celle d’une LED est d’environ 1%! Mais les LEDS sont bien moins chères à produire que les lasers et nécessitent moins de précision dans le montage. Les LEDs doivent être utilisées avec des fibres multimodes (cœur assez gros captant un maximum de lumière émise, et réfléchissant les rayons non parallèles vers la sortie). Les fibres multimodes sont légèrement plus chères que les monomodes, mais pour des courtes distances (réseaux LAN), où l’atténuation faible n’implique pas une optimisation de la puissance d’émission, la balance penche en faveur du couple LED/multimode (prix, tolérance à l’imprécision).

Un récepteur va récupérer le signal lumineux à la fin de la fibre, et le convertir en données électriques. Un récepteur est composé principalement d’un filtre (pour sélectionner le signal lumineux désiré, si plusieurs sont présents sur une même fibre), et d’un photo-détecteur (qui fera la conversion optoélectronique).

Nous avons vu qu’un signal lumineux passant dans une fibre va subir des modifications (atténuation et dispersion), proportionnelles à la distance parcourue. Il existe des régénérateurs, qui vont remettre en forme le signal optique (sans avoir à passer par une conversion à l’électronique, qui prend du temps et demande des composants coûteux). Ceux-ci peuvent amplifier un signal fortement atténué, reformer un signal qui avait été étalé par la dispersion, ou même resynchroniser un signal décalé dans le temps. On parle de régénérateurs 3R (Regenerate, Reshape, Retime).

Finalement, une connexion bout-en-bout entre un émetteur et un récepteur va dans la plupart des cas passer par plusieurs tronçons de fibres, connectés les uns aux autres, pour ne former qu’un seul « chemin » optique. Ces connexions entre des fibres doivent être faites de manière très précise, les cœurs des deux extrémités à joindre devant être parfaitement centrés et alignés afin de réduire au maximum les pertes. Ces connexions peuvent être faites par épissure (« collage » des deux extrémités) ou par des connecteurs spécifiques et standardisés. L’atténuation causée par une épissure est de l’ordre de 0.02dB, et celle d’un connecteur, de 0.2dB (donc équivalent à une distance de fibre de 1km). L’épissure offre donc une atténuation moindre, mais les fibres sont ensuite collées, et ne font plus qu’une, alors qu’une liaison par connecteur offre plus de flexibilité, le connecteur pouvant être débranché, et rebranché sur une autre fibre.

Le multiplexage
Une fibre optique possède une fenêtre utilisable pour les communications d’environ 400nm, où l’atténuation est minimale (voir figure X ci-dessus), et un laser ayant une largeur spectrale de XX nm, il est possible de créer des « chemins » parallèles sur une seule fibre, à des longueurs d’ondes différentes. Ceci s’appelle le multiplexage en longueur d’onde (WDM, Wavelength Division Multiplexing). Actuellement, des multiplexeurs WDM de 16 canaux de 10Gb/s sont standardisés et disponibles dans le commerce (avec un espacement entre les canaux de 100GHz, soit 0.8nm), et dans les laboratoires de R&D d’équipementiers (comme Alcatel-Lucent, NEC ou Nortel) des systèmes fonctionnent avec jusqu’à 140 canaux de 111Gb/s (et un espacement entre les canaux de 25GHz, soit 0.2nm)!

Il est à noter d’autre part qu’une fibre ayant un encombrement fort réduit, et que son coût de production étant faible en regard du coût de la pose, les fibres optiques sont disponibles la plupart du temps sous forme de câble, comprenant un (ou plusieurs tubes), contenant chacun un certain nombre de fibres (de 2 à une douzaine), voir figure ci-dessus. Il sera ainsi possible de poser en une fois un grand nombre de fibres (de 48 pour la connexion d’un quartier de villas à 768 pour l’épine dorsale d’un réseau métropolitain). Ceci peut être considéré comme du multiplexage spacial…

© Olivier Crochat