Chapitre 4

Systèmes et composants de la transmission par fibre optique

Objectifs: Dans ce chapitre, vous devriez apprendre :

Comment fonctionnent les liaisons de données à fibre optique et les systèmes de transmission

Quels composants sont utilisés dans les émetteurs-récepteurs

Les types de sources et de détecteurs utilisés dans les émetteurs-récepteurs

Les paramètres de performance des systèmes de transmission à fibres optiques

Liaisons de données à fibre optique

Les systèmes de transmission à fibres optiques utilisent des liaisons de données qui travaillent de manière similaire au schéma ci-dessus. Chaque maillon de fibre se compose d’un émetteur sur une extrémité d’une fibre et d’un récepteur à l’autre extrémité. La plupart des systèmes fonctionnent par transmission dans un sens sur une fibre et dans le sens inverse sur une autre pour un fonctionnement en duplex intégral. Il est possible de transmettre dans les deux sens sur une fibre mais il faut pour cela des coupleurs et la fibre est moins chère que les coupleurs. Les réseaux optiques passifs FTTH (PON) sont parmi les seuls systèmes utilisant la transmission bidirectionnelle sur une seule fibre, car leur architecture de réseau est basée autour de coupleurs.

La plupart des systèmes utilisent un « émetteur-récepteur » qui inclut à la fois l’émetteur et le récepteur dans un seul et même module. L’émetteur prend une entrée électrique et la convertit en un signal de sortie optique à partir d’une diode laser ou LED. La lumière provenant de l’émetteur est couplée dans la fibre avec un connecteur et est transmise à travers le réseau de câbles à fibre optique. La lumière provenant de l’extrémité de la fibre est couplée à un récepteur, où un détecteur convertit la lumière en un signal électrique qui est ensuite conditionné de manière appropriée pour son utilisation par l’équipement de réception.

Analogique ou numérique

Les signaux analogiques sont des signaux à variation continue où l’information contenue dans le signal est contenue dans l’amplitude du signal au cours du temps. Les signaux numériques sont échantillonnés à des intervalles de temps réguliers et l’amplitude est convertie à des octets numériques afin que l’information soit un nombre digital. Les signaux analogiques sont la forme naturelle de la plupart des données, mais ils sont sujets à une dégradation à cause du bruit dans le système de transmission. A mesure qu’un signal analogique s’affaiblit dans un câble, le rapport signal / bruit devient moins bon, aussi la qualité des signaux se dégrade-t-elle. Les signaux numériques peuvent être transmis sur de longues distances sans dégradation, étant donné que le signal est moins sensible au bruit.

Les liaisons de données à fibres optiques peuvent être de nature soit analogique soit numérique, mais la plupart sont numériques. Les réseaux téléphoniques et informatiques sont numériques, la câblodistribution est actuellement analogique mais est en train d’être convertie au numérique, les systèmes de surveillance par télévision à circuit fermé peuvent être les deux.

Les liaisons analogiques et numériques ont certains paramètres critiques communs et des différences majeures. Pour les deux, la marge de perte optique ou bilan énergétique est ce qu’il y a de plus important. Les liaisons de données analogiques seront testées par rapport au rapport signal / bruit pour déterminer la marge de liaison, tandis que les liaisons numériques utilisent le taux d’erreur binaire comme mesure de la performance. Les deux liaisons nécessitent des tests sur toute la largeur de bande prévue pour le fonctionnement, mais la plupart des liaisons de données sont maintenant prévues pour une application de réseau spécifique, comme la câblodistribution AM ou des moniteurs couleur RVB pour des liaisons analogiques et de réseau optique synchrone (SONET), Ethernet ou canal à fibre pour les liaisons numériques.

Conditionnement

Les émetteurs-récepteurs sont généralement emballés dans des paquets standard de l’industrie pour permettre à plusieurs sources d’être logées dans des équipements de transmission. Les modules se connectent à un connecteur duplex sur l’extrémité optique et une interface électrique standard à l’autre bout. Les émetteurs-récepteurs sont alimentés par l’équipement sur lequel ils sont construits.

Sources pour les émetteurs à fibre optique

Les sources utilisées pour les émetteurs de fibres optiques doivent répondre à plusieurs critères : elles doivent être à la longueur d’onde correcte, être capables de moduler suffisamment rapidement pour transmettre des données de manière efficace et être couplées à la fibre.

Quatre types de sources sont couramment utilisés, LED, lasers Fabry-Perot (FP), lasers à rétroaction répartie (DFB) et émetteurs-récepteurs à base microlaser (VCSEL). Tous convertissent les signaux électriques en signaux optiques, mais sont par ailleurs des dispositifs tout à fait différents. Toutes les quatre sont de minuscules dispositifs semi-conducteurs (puces). Les LED et VCSEL sont fabriqués sur des plaquettes semi-conductrices de telle sorte qu’ils émettent de la lumière à partir de la surface de la puce, tandis que les lasers DFB et PF émettent du côté de la puce, à partir d’une cavité laser créée au milieu de la puce.

Les LED ont des puissances beaucoup plus faibles que les lasers et leurs modèles de lumière en sortie, plus grands et divergents, les rendent plus difficiles à coupler aux fibres, ce qui les limite à un usage en fibres multimodes. Les lasers ont des sorties de lumière plus petites et plus resserrées et sont faciles à coupler à des fibres monomodes, ce qui les rend idéaux pour les liaisons longue distance à haute vitesse. Les LED ont beaucoup moins de bande passante que les lasers et sont limitées aux systèmes d’exploitation à environ 250 MHz ou à 200 Mb/s. Les lasers ont une capacité de bande passante très élevée, la plupart d’entre eux étant utile à des valeurs bien supérieures à 10 GHz ou 10 Gb/s.

En raison de leur procédé de fabrication, les LED et VCSEL ne sont pas chers à fabriquer. Les lasers sont plus chers parce que la création de la cavité laser à l’intérieur du dispositif est plus difficile, la puce doit être séparée de la plaquette de semi-conducteur et à chaque extrémité doit être revêtue avant que le laser puisse être finalement testé pour voir s’il fonctionne.

Spécifications de sources typiques pour fibres optiques

Type de périphérique longueurs d’onde (nm) Puissance en

Type d’appareil	Longueur d’onde (nm)	Puissance dans la fibre (dBm)	Bande passante	Types de fibre
LED	850, 1300	-30 à -10	<250 MHz	MM
Laser Fabry-Perot	850,1310 (1280-1330), 1550 (1480-1650)	0 à +10	>10 GHz	MM, SM
Laser DFB	1550 (1480-1650)	0 à + 13 (+25 avec amplificateur à fibre)	>10 GHz	SM
VCSEL	850	-10 à 0	>10 GHz	MM

Les LED ont une bande passante limitée, tandis que tous les types de lasers sont très rapides. Une autre grande différence entre les LED et les deux types de lasers est la sortie spectrale. Les LED ont un très large spectre de sortie qui les fait souffrir de dispersion chromatique dans la fibre, alors que les lasers ont une sortie spectrale étroite qui souffre très peu de dispersion chromatique. Les lasers DFB, qui sont utilisés dans les systèmes DWDM et longue distance, ont la largeur spectrale la plus étroite, ce qui minimise la dispersion chromatique sur les liaisons les plus longues. Les lasers DFB sont également très linéaires (c’est-à-dire que la sortie de lumière suit directement l’entrée électrique), de sorte qu’ils peuvent être utilisés en tant que sources dans les systèmes de télévision par câble AM.

Le choix entre ces dispositifs est déterminé principalement par des questions de vitesse et de compatibilité de la fibre. Comme de nombreux systèmes locaux utilisant de la fibre multimode ont dépassé des débits de 1 Gb/s, les lasers (pour la plupart VCSEL) ont remplacé les LED. La sortie de la LED est très large mais les lasers sont très concentrés, et les sources auront un remplissage modal très différent dans les fibres. Le lancement restreint du VCSEL ou de n’importe quel laser rend la largeur de bande effective de la fibre plus élevée, mais la fibre optimisée pour le laser, habituellement OM3, est le choix qui s’impose pour les lasers.

L’électronique d’un émetteur est simple. Ils permettent de convertir une impulsion d’entrée (voltage) en une impulsion de courant précis pour conduire la source. Les lasers sont généralement pondérés à un courant continu bas et modulés au-dessus de ce courant pondéré pour maximiser la vitesse.

Détecteurs pour récepteurs à fibres optiques

Les récepteurs utilisent des détecteurs à semi-conducteurs (photodiodes ou photodétecteurs) pour convertir les signaux optiques en signaux électriques. Les photodiodes de silicium sont utilisées pour les liaisons de courtes longueurs d’onde (650 pour FOP et 850 pour la fibre de verre MM). Les systèmes de longues longueurs d’onde utilisent généralement des détecteurs InGaAs (arséniure de gallium indium) car ils ont moins de bruit que le germanium, ce qui permet des récepteurs plus sensibles.

Les systèmes à très grande vitesse utilisent parfois des photodiodes à avalanche (APD) qui ont une capacité de bande passante plus élevée que les autres photodiodes. Les APD sont pondérés à haute tension pour créer du gain dans la photodiode, ce qui augmente la sensibilité et la capacité de fréquence. Ces appareils sont plus coûteux et plus compliqués à utiliser, mais offrent des gains de performances.

Composants de transmission à fibres optiques spéciaux

Multiplexage en longueur d’onde

Etant donné que la lumière de différentes longueurs d’onde ne se mélange pas à l’intérieur de la fibre, il est possible de transmettre des signaux à plusieurs longueurs d’onde différentes sur une seule fibre, et ce simultanément. Si la fibre elle-même est peu coûteuse, l’installation de nouveaux câbles peut être onéreuse, donc l’utilisation de fibres installées pour transporter des signaux supplémentaires peut être très rentable.

Le multiplexage en longueur d’onde (WDM) a été utilisé pour la première avec la fibre multimode dans les premiers temps de la fibre optique, en utilisant à la fois du 850 et du 1310 nm sur une fibre multimode. Actuellement, les réseaux monomodes peuvent transporter des signaux à 10 Gb/s sur 64 longueurs d’onde ou plus, ce qui est appelé Multiplexage en longueur d’onde dense (DWDM). Les systèmes multimodes par WDM ont eu moins de popularité, mais certaines normes utilisent le WDM pour transporter des signaux multiples à plus de 1 Gb/s sur de la fibre multimode optimisée pour le laser.

Répéteurs et amplificateurs à fibre

Même s’il est vrai que la faible perte de la fibre optique permet aux signaux de voyager des centaines de kilomètres, des lignes extrêmement longues et les câbles sous-marins requièrent des régénérateurs ou répéteurs pour amplifier périodiquement le signal. Au début, les répéteurs étaient essentiellement composés d’un récepteur suivi d’un émetteur. Le signal d’entrée était converti d’un signal lumineux à un signal électrique par un récepteur, nettoyé pour enlever autant de bruit que possible, puis retransmis par un autre émetteur laser. Ces répéteurs ajoutaient du bruit au signal, consommaient beaucoup de puissance et étaient compliqués, raisons pour lesquelles ils étaient une source de problèmes. Ils devaient également être faits pour un débit de transmission spécifique et la mise à niveau rendait nécessaire le remplacement de tous les répéteurs : une tâche vraiment difficile pour un câble sous-marin !

La solution pour les répéteurs de fibre optique est l’amplificateur à fibre. L’amplificateur à fibre typique fonctionne dans la bande de 1480 à 1650 nm. Il se compose d’une longueur de fibre dopée à l’erbium pompée par un laser à 980 ou 1480 nm. Le laser à pompe fournit l’énergie pour l’amplificateur, tandis que le signal entrant stimule l’émission de l’impulsion lorsqu’il passe à travers la fibre dopée. L’émission stimulée stimule plus d’émission, il y a donc une croissance rapide et exponentielle de la puissance optique dans la fibre dopée. Des gains de > 40 dB (10’000 X) sont possibles avec des puissances de sortie de >+26 dBm (400 mW).

En plus d’être utilisés en tant que répéteurs, les amplificateurs à fibre sont utilisés pour augmenter le niveau du signal pour les systèmes de télévision par câble, qui exigent des niveaux de puissance élevés au niveau du récepteur pour maintenir le signal adéquat en fonction de la performance de bruit, ce qui permet de plus longues longueurs de câble ou, en utilisant des diviseurs, de « diffuser » un signal unique, à travers un coupleur, vers de nombreuses fibres, ce qui permet d’économiser le coût d’émetteurs supplémentaires. Dans la téléphonie, les amplificateurs à fibre sont combinés avec les DWDM (multiplexages en longueur d’onde dense) pour surmonter les inefficiences de coupleurs DWDM pour la transmission longue distance.

Performance de liaison de donnée et bilan énergétique de liaison

Mesurer la qualité de la transmission de données

Tout comme avec le fil de cuivre ou la transmission radio, la performance de la liaison de données avec la fibre optique peut être déterminée par la façon dont celle-ci transmet des données ; dans quelle mesure le signal électrique reconverti sur le récepteur correspond à l’entrée de l’émetteur.

La capacité d’un système à fibres optiques pour transmettre des données dépend en définitive de la puissance optique au niveau du récepteur, comme indiqué ci-dessus, où l’on peut voir le taux d’erreur binaire dans la liaison de données en fonction de la puissance optique au niveau du récepteur. (BER, le taux d’erreur binaire, est l’inverse de rapport signal-sur-bruit, par exemple un haut BER signifie un pauvre rapport signal sur bruit.) Trop ou trop peu de puissance entraînera des taux d’erreur binaire élevés. Trop de puissance et l’amplificateur de réception sature, trop peu et le bruit devient un problème car il interfère avec le signal. La puissance du récepteur dépend de deux facteurs fondamentaux : combien de puissance est envoyée dans la fibre par l’émetteur et combien est perdue par l’affaiblissement dans l’installation de câbles de fibre optique qui relie l’émetteur au récepteur.

Bilan énergétique de la liaison

Le bilan énergétique optique de la liaison est déterminé par deux facteurs, la sensibilité du récepteur, qui est déterminée dans la courbe de taux d’erreur binaire ci-dessus, et la puissance de sortie de l’émetteur dans la fibre. Le niveau de puissance minimum qui produit un taux d’erreur binaire acceptable détermine la sensibilité du récepteur. La puissance de l’émetteur couplée dans la fibre optique détermine la puissance transmise. La différence entre ces deux niveaux de puissance détermine la marge de perte (bilan énergétique) de la liaison.

Les liaisons à haut débit comme les LAN Ethernet d’1 ou 10 Gigabit sur fibre multimode ont des facteurs de déclassement pour la bande passante de la fibre causés par la dispersion qui étale les impulsions des données numériques. Les anciennes fibres OM1 62,5/125 ne fonctionnent généralement que sur des liaisons plus courtes alors que les liaisons sur fibre OM3 50/125 optimisée pour laser permettent de travailler sur de plus longues distances. Même les liaisons interurbaines sur fibre monomode peuvent présenter des restrictions causées par la dispersion chromatique ou modale de polarisation.

Si la liaison est conçue pour fonctionner à différentes vitesses de transmission, il est nécessaire de générer une courbe de performance pour chaque débit binaire. Puisque la puissance totale du signal est fonction de la largeur d’impulsion et que la largeur d’impulsion varie selon le débit binaire (les débits binaires plus élevés impliquent des impulsions plus courtes), la sensibilité du récepteur se dégrade aux débits binaires plus élevés.

Tous les fabricants de composants et de systèmes de liaisons de données spécifient la sensibilité de récepteur de leurs liaisons (cela peut être une puissance minimale requise) et la puissance minimum couplée dans la fibre depuis la source. Les valeurs typiques de ces paramètres sont indiquées dans le tableau ci-dessous. Pour pourvoir les tester correctement, un fabricant ou un concepteur de système doit connaître les conditions d’essai. Pour les composants de liaison de données, ceci comprend la fréquence d’entrée de données ou le taux binaire et le rapport cyclique, les tensions d’alimentation et le type de fibre couplée à la source. Pour les systèmes, ce sera le logiciel de diagnostic que requiert le système.

Paramètres de performance liaison/système typiques de la fibre optique

Type de liaison	Fibre	Type de source/fibre	Longueur d’onde (nm)	Puissance de transmission (dBm)	Sensibilité du récepteur (dBm)	Marge de la liaison (dB)
Télécom	SM	Laser	1310/1550	+3 to -6	-30 à -45	30 à 40
	SM	DWDM	1550	+20 à 0	-30 à -45	40 à 50
Données	MM	LED/VCSEL	850	-3 à -15	-15 à -30	3 à 25
	MM ou SM	Laser	1310	-0 à -20	-15 à -30	10 à 25
Câblodistribution (AM)	SM	Laser	1310/1550	+10 à 0	0 à -10	10 à 20

Parmi les connexions et réseaux de communications de données, il y a beaucoup de systèmes à fibres optiques spécifiques au fournisseur, mais il y a aussi un certain nombre de réseaux standards à cette industrie, tels qu’Ethernet, qui ont des versions spécifiques pour la fibre. Ces réseaux ont convenu de spécifications communes pour les produits de tous les fabricants afin d’assurer l’interopérabilité. « FOA Tech Topics » comprend un résumé des spécifications pour nombre de ces systèmes.

Questions de révision

Vrai/Faux

Indiquez si l’affirmation est vraie ou fausse.

____ 1. Les liaisons de fibre optique utilisent généralement deux fibres pour les liaisons en duplex intégral (bidirectionnel).

____ 2. Les LED ont une puissance de sortie et une bande passante supérieures aux lasers.

Choix multiples

Identifiez l’option qui complète le mieux l’affirmation ou répond à la question.

____ 3. Les systèmes de fibre multimode fonctionnant à des vitesses d’1 Gb/s ou plus utilisent des sources _______________________.

A.	LED
B.	VCSEL
C.	Laser F-P
D.	Laser DFB

____ 4. Le/la _______________________ d’un laser rend la bande passante effective d’une fibre multimode plus haute qu’avec des LED.

A.	Lancement de mode restreint
B.	Puissance supérieure
C.	Puissance inférieure
D.	Bande passante

____ 5. Des liaisons de longueur d’onde courte de 850 nm peuvent être utilisées avec des détecteurs de _______________________ dans le récepteur.

A.	Silicone
B.	Germanium
C.	InGaAs

____ 6. Des liaisons monomode de longues longueurs d’onde dans la gamme de 1300-1650 nm doivent utiliser des détecteurs de _____________________ dans le récepteur pour une meilleure performance de sensibilité.

A.	Silicone
B.	Germanium
C.	InGaAs

____ 7. Les amplificateurs de fibre et DWDM fonctionnent dans la gamme de longueurs d’onde de _______________________.

A.	650-850
B.	850-1300
C.	1300-1550
D.	1480-1650

Réponses multiples

Identifiez la ou les option(s) qui complète(nt) le mieux l’affirmation ou répond(ent) à la question.

____ 8. Les émetteurs-récepteurs utilisent des sources ____________________ en raison de leur puissance couplée et bande passante supérieures.

A.	LED
B.	VCSEL
C.	Lasers F-P
D.	Lasers DFB

____ 9. Les émetteurs-récepteurs multimodes utilisent des sources ____________ selon leurs besoins en puissance couplée et bande passante.

A.	LED
B.	VCSEL
C.	Lasers F-P
D.	Lasers DFB

Etudes additionnelles et projets

Parcourez des sites internet de fabricants de sources, détecteurs et émetteurs-récepteurs pour la fibre optique et voyez quelles sont les spécifications de performances qui sont mentionnées et quelles sont les applications qui sont supportées.

En classe ou au laboratoire, montez une liaison de fibre optique et voyez comment cela fonctionne. La liaison peut être construite à partir de composants ou de convertisseurs de supports disponibles sur le marché.

Table des matières

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