(2) Transmission Optique

A t r ra av ve e r r s s c e e m o od de s st te e t r ra av va a i i l l, n o ou u s s t e en no on n s s à r e em m e er r c ci ie e r r v i iv v e e m m e en n t t n o BO O U U N N K K H H A L L A M o os st t é é f a ( M M A ) p p o ou ur r l ’ i in nt t é ér r e es s s sa an n t te e ot tr re e p p r ro om m o ot te e u ur r M r r – B d o c cu um m e en n t ta at t i io o n n q u u’ ’i il l a a m i is se e à n o ot tr r e e d i s s p o os s i it ti i o on n, p p o ou u r r s e es s c o on n s se ei i l ls p r ré éc c i i e eu u x x e t t p p o ou u r r t o ou u t te es s l e s s c o om mm mo o d di t té és s e t t a i is s a an n c ce e s s q u u’ ’ i il l n no ou us s a a p p o or r t té ée e s s d u r ra an nt t n o ot t r re e é t tu u d de e t t r é éa a l l i s sa a t t i io on n d e c e e p p r ro o j e et t. N o os s r e em m e er r c ci ie e m me e n nt ts s l e s s p p l lu s s v i f i s s ’ ’a ad d r e es ss s e en n t t a u us s s si i a u ux x m e es ss si i e eu u r rs s l e p p r ré és s i id de n nt t e t t l e s s m e em m b br r e es s d e j j u ur r y d ’ a av v o o i ir r a c cc c e e p t té é d ’ e ex x a a m mi i n ne er r e t t d ’ é év va a l l u e er r n o ot t r re e t r ra av v a a i i l l. N o ou u s s e x x p r ri im m o on n s s é g a al l e m me en n t t n o ot tr re e g g r ra at t i it t u u d de à t o ou u s s l e s s p p r ro o f e s ss s e eu u r rs s e t o r rm t e n ns se ei g i n na an n t ts s q u ui i o n nt t c o ol l l a b bo o r ré é à n o ot tr r e e f f ma a t ti i o on n d e p u ui is s n o ot t r re e p p r re em m i ie er r c y c i n cl l e d ’ é ét t u ud d e j j u us sq q u u’ ’ à à l a f f n d e n o ot t r re e c y c cl l e u n ni iv v e e r rs si i t ta ai i r re e. S a an ns s o m me e t tt t r re e b i ie e n n s u ur r d e r e em m e er r c ci ie e r r p p r ro o f o n nd dé m me e n nt t t o ou u s s c e eu u x x q u ui i o n nt t c o on nt t r ri ib bu u é é d e p p r ré és s o u u d e l o i in n à r é éa a l l i s sa a t ti i o on n d u p p r ré és s e en n t t t r ra av va a i i l l. E t a m t e n n f i n n, q u ue e n o os s c h he e r rs s p p a ar re e n nt ts s e t t f f mi il l l e s s, e t t b i ie e n n a v va a n n t t t o ou ut t , t r ro ou uv ve e n n t t i c ci i l ’ e ex x p r re es s s si io on n d e n o os s r e em me e r rc ci i e em m e en n t ts s l e s s p p l lu s s s i in n c cè è r re es s e t t l e s s p l lu s s p p r ro o f o n nd d s e n n r e ec co o n nn n a ai i s ss sa an n c ce e d e l e u ur rs s s a ac c r r i f i i c ce e s s, a i id d e s s, s o ou ut t i ie en n e t t e n o r rm nc co o u ur ra a g e em me e n nt t a f i n n d e n o ou u s s a s ss su ur r e er r c e et t t te e f f ma a t ti i o on n d ’ i in n g é én ni i e eu ur r d a n ns s l e s s m e ei il l l e u ur re es s c o on nd di t ti i o on n s s. kaabache & Gacemi

Résumé

En effet, la fibre optique est une innovation relativement récente qui a rapidement pris un rôle prépondérant dans le monde monde des télécommunications pour ça capacité à véhiculer un grand nombre d’information sur une longue distance. Les fibres optiques ont pour rôle principal de propager la lumière avec un affaiblissement aussi faible que possible d’un module d’un émetteur à un module récepteur. La principale limitation des systèmes de transmission sur fibres optiques est aujourd’hui l’atténuation et la dispersion du signal occasionné par la propagation dans la fibre optique. Les systèmes optiques font appelle appelle a une technologie souvent souvent très complexe et pointue. Il s’avers nécessaire de pouvoir prédire les performances et choisir les composants avant de la réalisation d’un système. Des études de cas sont effectuées à l’aide du logiciel de simulation (COMSIS).

Cette étude se compose de deux sous ensembles. Dans un premier temps, nous avons étudié la caractéristique d’une liaison optique point à point. Dans un second temps, nous avons utilisé le logiciel de simulation COMSIS, outil qui permet de modéliser, simuler, analyser et concevoir tout système complet de communication optique. Les exemples de simulation effectués sur COMSIS COMSIS traitent la transmission des données on forme binaire codé NRZ et HDBn

Bounkhala Mostéfa

Transmission des données par voie optique

1

Sommaire

Chapitre I : I.1 Introduction ………………………………………………………………………..3 I.2 la fibre optique ………………………………………………………………..……5 I.2.1 description……………………………………………………………………5 I.2.2 le guidage de signal optique dans une fibre ………………………………….5 I.2.3 la réflexion totale interne…………………………………………………..…7 I.2.4 caractérisation de la fibre……………………………………………………..8 a) atténuation…………………………………………………………..…....…8 b) dispersion………………………………………………………...…………9 9 Dispersion chromatique ……………………………….………....…9 9 Dispersion modale…………………………………………..………10 9 Effet de la dispersion chromatique et modale ……………………....10 9 Dispersion de polarisation………………………………………..…11 c) bande passante……………………………………………………...………11 9 Bande modale………………………………….………………….…12 9 Bande chromatique………………………………………………….12 I.2.5 les différent types de fibre optique……………………………………………13 a) fibre multimode……………………………………………………………13 9 Fibre multimode a saut d’indice……………………………………13 9 Fibre multimode a gradient d’indice………………………………..13 b) fibre monomode…………………………………………………………..14 I.2.6 Fibre en telecom………………………………………………………………15 a) comparaison entre différente fibre optique………………………………..15 b) les applications de la fibre optique………………………………………..15 c) avantages et inconvénient de fibre optique………………………………..15 I.3 Evolution de la capacité de transmission…………………………………………….17 I.4 Evolution des services………………………………………………………………..17

Chapitre II II.1 introduction…………………………………………………………………………20 II.2 la liaison point à point ……………………………………………………………...20 II.2.1 introduction……………………………………………………………………20 II.2.2 module d’émission ……………………………………………………………21 II.2.2.1 catégories des émetteurs………………………………………………21 a) les diodes électroluminescentes DEL………………………………21 b) les diodes laser DL………………………………………………...23 II.2.2.2 la différance DEL/DL………………………………………………….25 II.2.2.3 caractéristiques générale ………………………………………………26 II.2.2.4 la modulation…………………………………………………………..27 a) modulation directe…………………………………………………27 b) modulation externe…………………………………………………27 II.2.3 module de réception……………………………………………………….…..28 II.2.3.1 introduction……………………………………………………………28


Sommaire

II.2.3.2 photodétecteur…………………………………………………………29 a) principe de la photodétection……………………………………….30 b) caractéristiques d’une photodétection ……………………………...30 c) catégories de photodiodes PIN, APD……………………………….32 d) comparaison PIN, APD …………………………………………….36 II.2.4 canal de transmission ………………………………………………..36 II.2.4.1 fibre optique………………………………………………………..36 II.2.4.2 caractéristique de transmission …………………………………….37 II.2.4.3 raccordement des fibres optiques…………………………………..38 II.2.4.4 type de raccordement……………………………………………….38 a) les raccordements fixes ……………………………………………..38 b) les raccordements semi fixes………………………………………..39 c) les raccordements démontables……………………………………...39 II.2.4.5 répéteur ou régénérateur de signal …………………………………39 Chapitre III : III.1 amplification optique………………………………………………………………….42 III.1.1 généralités sur l’amplification optique…………………………………………43 III.1.2 les amplificateurs a semi-conducteur (AOSC) ………………………………...43 III.1.3 les amplificateurs a fibre dopée (EDFA) ……………………………………...45 III.1.4 comparaison des amplificateurs………………………………………………..46 III.1.5 utilisation de l’amplificateur optique ………………………………………….46 III.2 les isolateurs…………………………………………………………………………...47 III.3 les coupleurs…………………………………………………………………………..48 III.4 les filtres optiques……………………………………………………………………..50

Chapitre IV : IV.1 introduction …………………………………………………………………………...52 IV.1.1 information analogique et numérique …………………………………………52 IV.1.2 les codages en bande de base ………………………………………………….52 IV.1.3 la modulation numérique ……………………………………………………...53 IV.2 codage binaire à signal………………………………………………………………...53 IV.2.1 quelques exemples en code en ligne…………………………………………...53 IV.2.2 choix de code de transmission t ransmission ………………………………………………...54 IV.2.3 représentation des signaux code ……………………………………………...54 a) codage NRZ ……………………………………………………….55 b) codage HDBn………………………………………………………55 c) codage NRZI……………………………………………………….56 d) codage Manchester………………………………………………...57 IV.3 les modulations de base ………………………………………………………………58 IV.3.1 modulation de fréquence (FSK) ……………………………………………….58 IV.3.2 modulation de phase (PSK) …………………………………………………...59 IV.3.3 modulation d’amplitude (ASK) ……………………………………………….59 IV.3.3 modulation QAM………………………………………………………………60 IV.4 type de transmission …………………………………………………………………..62 IV.4.1 transmission asynchrone …………………………………................................62 …………………………………................................62 IV.4.2 transmission synchrone ……………………………………………………..…63 IV.5 les techniques de multiplexage………………………………………………………..63 IV.5.1 multiplexage TDM……………………………………………………………63 IV.5.2 multiplexage FDM………………………………………………………….…66 IV.5.3 multiplexage WDM/ DWDM…………………………………………………67


Sommaire

Chapitre V : Introduction …………………………………………………………………………….……73 Introduction …………………………………………………………………………....... liaison………………………………………………………….……73 V .1 Composants de la liaison……………………………………………………. a) L’émetteur…………………………………………………………………………….73 a) L’émetteur……………………………………………………………………….. Lade ligne de transmission ……………………………………………………………..75 b) La b) ligne transmission ………………………………………………………… Le Récepteur ………………………………………………………………………..76 c) Le c) Récepteur ……………………………………………………………………. V .2 Interprétation des résultats ……………………………………………………………...77 V .2 Interprétation des résultats …………………………………………………………. V.I. Simulation I : Liaison point à point à haut débit à 2.5 Gbits et 10 Gbits codé par ……………………………… NRZ …………………………….…….77 à 2.5 Gbits et 10 Gbits codé par NRZ V.I.1 compensation………………………………………………………………… Sans compensation………………………………………………………………..…….77 V.I.1 Sans V.I.2 Avec compensation ………………………………………………………………….....81 V.I.2 Avec compensation ……………………………………………………………….. V.II Simulation II: Liaison point à point à haut débit . à 2.5Gbits et 10Gbits c odé codé par HDB3………………………………..…..83 à 2.5Gbits et 10Gbits codé par HDB3……………………………….. Sans compensation………………………………………………………………...….83 V.II.1 V.II.1 Sans compensation……………………………………………………………….. Avec compensation …………………………………………………………….…….86 V.II.2 V.II.2 Avec compensation ………………………………………………………………

Conclusion générale Annexe Bibliographie



2

I.1 introduction : La possibilité de transporter de la lumière le long de fines fibres de verre fut exploitée au cours de la première moitié du XX e siècle. En 1927, Baird et Hansell tentèrent de mettre au point un dispositif pour le transport d'images de télévision à l'aide de fibres. Hansell put faire breveter son invention, mais elle ne fut jamais vraiment utilisée. Quelques années plus tard, soit en 1930, Heinrich Lamm réussit à transmettre l'image d'un filament de lampe grâce à un assemblage rudimentaire de fibres de quartz. Cependant, il était encore difficile à cette époque de concevoir que ces fibres de verre puissent trouver une application.

La première application fructueuse de la fibre optique eut lieu au début des années 1950, lorsque le fibroscope flexible fut inventé par VANHeel et Hopkins. Cet appareil permettait la transmission d'une image le long de fibres en verre. Il fut particulièrement utilisé en endoscopie, pour observer l'intérieur du corps humain, et pour inspecter des soudures dans les réacteurs d'avions. Malheureusement, la transmission ne pouvait pas être faite sur une grande distance étant donné la piètre qualité des fibres utilisées. Les télécommunications par fibre optique ne furent pas possibles avant l'invention du laser en 1960. Le laser offrit en effet une occasion de transmettre un signal avec assez de puissance sur une grande distance. Dans sa publication de 1964, Charles Kao, des Standard Telecommunications Laboratories, Laboratories, décrivit un système de communication à longue distance à faible perte en mettant à profit l'utilisation conjointe du laser et de la fibre optique. Peu après, soit en 1966, il démontra expérimentalement, avec la collaboration de Georges Hockman, qu'il était possible de transporter de l'information sur une grande distance sous forme de lumière grâce à la fibre optique. Cette expérience est souvent considérée comme la première transmission de données par fibre optique. Cependant, les pertes par absorption dans une fibre optique étaient telles que le signal disparaissait au bout de quelques centimètres, ce qui la rendait peu avantageuse par rapport au fil de cuivre traditionnel. Les trop grandes pertes encourues par un verre de mauvaise qualité constituaient le principal obstacle à l'utilisation courante de la fibre optique.


3

En 1970, trois scientifiques de la compagnie Corning Glass Works de New York, Robert Maurer, Peter Schultz et Donald Keck, produisirent la première fibre optique avec des pertes suffisamment faibles pour être utilisée dans les réseaux de télécommunications (20 décibels par kilomètre; aujourd'hui la fibre conventionnelle affiche des pertes de moins de 0,25 décibel par kilomètre). Leur fibre optique était en mesure de transporter

65000 fois

plus d'information qu'un simple câble de cuivre. Les premières années de l’optique sont marquées par des évolutions importons :

•

Le passage de la fibre multimode, multimode, utilisée dans les premières expérimentations, à la fibre monomode dont dont la connexion et plus problématique mais, mais, qui propose des débits sans rapport avec la premier. la fibre multimode conserve ce pondant sa pertinence dans d’autres domaines tels que l’aéronautique par exemple.

•

Le passage successif de la premier fenêtre de transmission autour de 850 nm (fibre multimode) à la deuxième autour de 1310 nm (minimum d’atténuation d’environ 0.3 à 0.4 dB/km), puis à celle autour de 1550 nm (minimum d’atténuation de 0.2 dB/km), qui le norme aujourd’hui en matière de réseau.

Ces changements des

fenêtre de transmission on été rendus possibles possibles par l’amélioration des techniques de fabrication des préformes et au développement des sources optiques. La notion de ligne de transmission « tout optique » faisant appel exclusivement à la fibre optique apparaît au début des années 1990. Enfin la véritable

révolution technologique va se produire avec l’apparition du

multiplexage en longueur d’onde ou WDM pour (Wavelength Division Multiplexing). qui amène donc une multiplication par un facteur considérable de la capacité du réseau. L’intérêt principale de cette technique, qui a fait sa popularité, est de pouvoir réutiliser la fibre déjà installer, ce qui n’entraîne pas de surcoût pour de nouvelles infrastructures. On estime qu'aujourd'hui plus de 80 % des communications à longue distance sont transportées le long de plus de 25 millions de kilomètres de câbles à fibres optiques partout dans le monde.


4

I.2 La fibre optique I.2.1 Description Une fibre optique est un guide d’onde diélectrique cylindrique qui possède généralement une symétrie de révolution. Une fibre est constituée par deux couches de matériaux transparents à base de silice appelées le cœur, d’indice de réfraction n1, et la gaine optique qui entoure le cœur, d’indice n2 (Figure I.1). L’indice n1 est supérieur a n2 ce qui garantie la réalisation de la condition condition de la réflexion totale sur la gaine d’un rayon se propageant dans le cœur et qui permet le guidage.

gaine

b

a Z coeur

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

Une fibre a des dimensions de l’ordre de la centaine de micromètre. Le diamètre de la gaine .2b, est en général de 125 µm mais peut aussi être de 140 µm (cas de certaines fibres multimodes ). Le Le rayon a de cœur, quant à lui, varie de 1à 100 100 µm.


5

I .2.2 Le guidage de signal optique dans une fibre : Dans une fibre optique standard, la différance d’indice entre le cœur et la gaine est souvent faible, de l’ordre de quelques 10 -3 .On réalise alors l’approximation en guidage faible

Lorsque :

∆=

n1 − n2

I.1

n1

Avec∆, différence relative d’indice.

Dans ce cadre, certaines modes dits dégénères possédant la même constante de propagation axiale. Ces champ modaux sont polarisés de manière rectiligne et sont appelés modes LP (linearly polarised ou en français linéairement polarisés). Le guidage du signal optique est basé basé sur la loi de Descartes. La lumière se propage le long de la fibre par par réflexions successives entre le cœur et la gaine (figureI.2). Cela n’est possible que si le cœur et la gaine sont constitués de matériaux transparents et que l’indice de la gaine est inférieur a celui de cœur (une différance de quelques % est suffisante). La seconde condition est d’envoyer le signal lumineux dans la fibre avec un angle, par rapport a l’axe, inférieur a l’ouverture numérique.

L’ouverture numérique (O.N)

représente l’ouverture angulaire limite avant une transmission et non une réflexion totale sur le dioptre dioptre cœur gaine de la fibre.

ON = sin(θ OL ) =

Figure .I.2

n12 − n22

I.2

: Ouverture numérique d'une fibre optique


6

Afin de faciliter l'injection de la lumière dans la fibre à l'entrée, on a intérêt à avoir l'angle limite ∅ 0L le plus grand possible. Ceci s'obtient pratiquement en choisissant des indices n1 et n 2 très proches. La plupart des fibre sont fabriquées a base de silice, matériau abondant et peu cher. Pour façonner les profils d’indice, la silice est dopée avec du dioxyde de germanium ou du pentoxyde de phosphore pour augmenter l’indice (donc plutôt pour le cœur de la fibre) et avec de fluor ou de trioxyde de bore pour le diminuer (plutôt réserve a la gaine optique).

I .2.3 La réflexion totale interne Le principe de la réflexion totale interne est à la base de la propagation des ondes lumineuses dans la fibre optique. D'après ce principe, lorsqu'un rayon lumineux passe d'un milieu à un autre dont l'indice de réfraction est plus faible, il peut être réfléchi. De plus, lorsque l'angle d'incidence du rayon lumineux est plus grand que l'angle critique, la lumière est réfléchie en totalité et il n'y a aucune perte de lumière (figure I.3). La réflexion totale interne est régie par deux facteurs : les indices de réfraction des deux milieux et l'angle critique.Ces facteurs sont reliés par l'équation suivante :

I.3

En connaissant les indices de réfraction des deux matériaux de l'interface, l'angle critique peut facilement être calculé.

FigureI.3


7

a) Réfraction d'un rayon lumineux pour

, le rayon incident est aussi partiellement

réfléchi dans le premier milieu. b) rayon critique lorsque c) réflexion totale interne pour

.

Physiquement, l'indice de réfraction d'une substance est le rapport entre la vitesse de la lumière dans le vide (c) et sa vitesse dans le matériau (v).

I.4

La lumière voyage donc plus rapidement dans un matériau avec un indice de réfraction plus petit. Il est à noter que l'indice de réfraction du vide est de 1. On dit aussi que l'indice l 'indice de l'air est égal à 1 puisque la vitesse de la lumière dans l'air est à peu près égale à celle dans le vide. En comparaison, l'indice de réfraction de l'eau est de 1,33. Notez bien que l'indice de réfraction est une quantité qui n'a pas d'unité, puisqu'il s'agit d'un rapport entre deux vitesses, et qu'il est toujours plus grand ou égal à 1.

I .2.4 Caractérisation Caractérisation de la fibre : Les principales caractéristiques des fibres optiques sont l'atténuation, la dispersion chromatique, la dispersion modale, que nous allons présenter.

a. L’atténuation :

L'atténuation dans les fibres optiques résulte de plusieurs

mécanismes.  Pertes intrinsèque : dépendent de la nature physico chimique de la fibre optique.  Pertes par absorption moléculaire : elles sont causées par l’absorption des rayons

optiques par la silice et les impuretés contenus dans celle-ci.  Les irrégularités involontaires de structure provoquent des pertes par diffusion

(diffusion Rayleigh).  Pertes extrinsèques : dépendent du couplage fibre-fibre ou fibre-composans.  Les pertes dues aux conditions d'utilisation des fibres. Toute courbure trop serrée

crée des pertes par rayonnement


8

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

incontrôlables, dues au conditionnement des fibres dans les câbles.  Les fibres sont toujours utilisées par tronçons de longueur finie, raccordés entre

eux. Chaque jonction peut provoquer une perte de raccordement. La FigureI.4 montre l'atténuation spectrale d'une fibre en silice, pour les télécommunications. Atténuation

FigureI.4

Longueur d’onde

L'atténuation minimale de 0,22 dB/km n'est pas très loin du minimum théorique pour la silice. La différence s'explique par le fait que l'on ne peut pas utiliser de la silice pure. On doit doper soit le coeur, soit la gaine et cela augmente les fluctuations de composition et donc les pertes par absorption.

b. Dispersion : La dispersion d’un signal optique se manifeste par une distorsion du signal et cause un élargissement des impulsions au cours de leur propagation dans la fibre optique. Il existe deux types de dispersion : Dispersion chromatique (intramodale) : La dispersion chromatique est la combinaison de deux types de dispersion : la dispersion du matériau et la dispersion du guide d’onde. La dispersion du matériau est causée par la dépendance de l’indice de réfraction de la longueur d’onde.


9

En effet la dispersion du matériau est très petite à par rapport à la longueur d’onde d’environ 1300nm, cette dispersion existe dans toute les fibres optique qu’elle soit monomode ou multimode. 9 La dispersion du guide d’onde est particulièrement importante pour les fibres

monomodes. Elle est causée par le fait que la répartition de la lumière du mode fondamental sur le cœur et la gaine dépend de la longueur d’onde. La dispersion total est la somme des dispersions due au matériau et la dispersion du guide d’onde. Dispersion modale (ou intermodale) intermodale) : Dans une fibre optique optique multimode se propagent propagent plusieurs modes, chacun suivant une trajectoire différente. L’énergie lumineuse transmise dans la fibre se répartie entre les différents modes qui se propage dans le cœur. L’ensemble

des retards entre les différents rayons composant le signal lumineux

détermine en réception une distorsion du signal électrique obtenu par le convertisseur optique - électrique ; cette distorsion est la Dispersion Modale.

Effets de la dispersion modale et chromatique : Les effets de la dispersion modale et chromatique sur la propagation de l’impulsion optique le long de la fibre, illustrée par la figure et mettant en évidence, comment les différents comportements des composantes de l’impulsion déterminent la distorsion de celle-ci en réception.

Impulsion d’entrée

impulsion composante de sortie

t

t Dispersion modale


a)

10

t t Dispersion chromatique

b)

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

propagent

en temps différents (parcours différents) b) propagation avec des vitesses différentes, des différentes composantes du signal de longueurs d’ondes diverses. Il existe aussi un autre type de dispersion : Dispersion de polarisation : Cette dispersion due à la biréfringence de la fibre, provoque une déformation des impulsions lumineuses par le fait que les deux principaux états de polarisation ont des constantes de propagation légèrement différentes. Il en résulte que les états de polarisation des bords et du centre des impulsions différentes de plus en plus au cours de la propagation, d’où leur déformation. Pour pouvoir compenser avec précision la dispersion de polarisation de la fibre installée, il est nécessaire de l’avoir préalablement mesurée. Les recherches effectuées dans ce domaine ont surtout pour objectif de comparer la précision de différents procédés de mesure.

c. Bande passante : La bande passante est un des paramètres les plus importants pour définir les propriétés de transmission d’une fibre optique. La définition de la bande passante totale (BT) qui dépend de l’effet conjonctif des deux phénomènes de dispersion modale et chromatique, permettra de stabiliser la fréquence maximale transmissible en ligne. La bande totale est définie par l’expression :

BT =

1 1 Bm 2


+

1

I.5

Bc 2

11

Bm : bande résultante de la dispersion modale Bc : bande dérivante de de la dispersion dispersion chromatique chromatique Dans la fibre multimodes la bande totale dépend uniquement de la bande modale. Fibre multimode BT = Bm Dans

la fibre monomode

la bande totale est déterminée uniquement par la bande

chromatique. Fibre monomode BT = Bc - bande modale : Bm La valeur de la bande modale normalement référencée à 1000 m de longueur notée Bm o est donnée par le constructeur. Pour calculer la bande modale ( Bm ) d’une liaison en fibre optique on doit appliquer la relation : Bm =

Bm0 Lγ

I.6

Bmo : Bande modale par unité de longueur. L

γ

: Longueur de la liaison fibre optique. : Facteur de concaténation des modes renseigne sur le degré de couplage.

- bande chromatique : Bc La dispersion chromatique est d’autant plus importante que la largeur du spectre lumineux de la source est plus large. Pour cela on doit tenir compte dans le calcul de la bande chromatique BC. Bc =

0.44.10 −6 µ ∆λ L

I.7

∆λ : Largeur spectrale de la source à mi amplitude. L : longueur de la liaison FO

µ : Coefficient de dispersion chromatique.


12

I .2.5 Les différents types de fibre optique : Il existe deux types de fibre monomode monomode et multimode. multimode. Les fibres multimodes, a leur tour, peuvent être divisées en :

a-

Fibre multimode :

• Fibre multimode à saut d'indice : Le cœur et la gaine présentent des indices de réfraction différents et constants. Le passage d'un milieu vers l'autre est caractérisé par un saut d'indice .Le faisceau lumineux injecté à l'entrée de la fibre va atteindre la sortie en empruntant des chemins optiques différent ce qui se traduit par des temps de propagation différents et donc un étalement du signal transmis . (fig.1.5)

Figure I.5 : la fibre multimode à saut d’indice Les différents rayons empruntent des trajectoires différentes leurs chemins optiques et leurs temps de propagation sont différents. Il en résulte donc une dispersion intermodale. Pour diminuer cet effet, le profil d’indice de coeur peut être modifie de telle sorte a crée un « gradient d’indice ».

• Fibre multimode à gradient d'indice : Le cœur se caractérise par un indice variable qui augmente progressivement de n1 à l'interface gaine-cœur jusqu'à n2 au centre de la fibre. Là aussi les rayons lumineux vont emprunter des chemins différents, mais un choix judicieux du profil d'indice du cœur permet de tendre vers des temps de parcours voisins et donc réduire l'étalement du signal (fig. I.6).

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


13

b- Fibre monomode:

Dans une fibre monomode, on obtient un seul mode grâce à la très faible dimension du coeur (diamètre de 10 µm et moins). Ainsi le chemin de la lumière est imposé, c’est le mode TEM00. Le nombre de modes se propageant dans une fibre optique est donné par la relation suivante :

I.6

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

λ: la longueur d'onde de la lumière utilisée, ON : l'ouverture numérique de la fibre. En choisissant

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

propagation (m=1⇔fibre monomode). Le chemin de propagation est ainsi unique et parallèle à l'axe de la fibre (fig.I.7). (f ig.I.7). Théoriquement le signal injecté injec té en entrée va atteindre la sortie sans aucune déformation. C'est ce type de fibre qui présente les plus grandes performances mais son coût est relativement élevé par rapport aux fibres multimodes.

figure.I.7 La fibre monomode dont le cœur est si fin que le chemin de propagation des différents modes est pratiquement direct. La dispersion modale devient quasiment nulle. La bande passante transmise est presque infinie (>10 GHz/Km).cette fibre est utilisée essentiellement pour les communications à grande distance. Le petit diamètre du coeur (10um) nécessite une grande puissance d'émission, donc des diodes au laser qui sont relativement onéreuses. onéreuses.


14

I.2.6 Fibre en telecom : A/Utilisation de différente fibre optique : Fibre monomode

Fibre multimode

Faible dispersion

Forte dispersion

Connexion délicate

Connexion facile

Faible atténuation

Forte atténuation

Hauts débits, longues distances

Réseaux locaux

B/Les applications de la fibre monomode Les applications de la fibre optique monomode sont nombreuses, les plus connues concernent :  les télécommunications, pour la réalisation des réseaux haut débit à grande distance

en technologie WDM, SDH, ATM. 

l’audiovisuel, pour la réalisation des réseaux câblés de télévision en association avec le câble coaxial utilisé pour le raccordement de l’abonné. l’abonné.

 La médecine, ou la fibre optique est notamment utilisée.  En chirurgie, pour pour transporter le faisceau laser jusqu’au tissus a traiter.  En endoscopie, pour éclairer l’intérieur du corps et transmettre les images jusqu'au

médecin.  L’éclairage

(muséographique,

architectural,

espaces

d’agrément

publics

ou

domestiques).  La décoration/illumination de piscines, bassins, fontaines,  La signalétique d’orientation de l’information (panneaux de signalisation et

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

C/ Avantages et inconvénients des fibres optiques c.1- avantages Ils sont nombreux, on peut les classer comme suit :


15

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

multiplexage possible de plusieurs signaux ; elles permettent aux systèmes d’avoir une portée et une capacité très supérieurs à celles des câbles conducteurs.  Avantage de mise en œuvre : très petite taille, grande souplesse, faible poids,

appréciables aussi bien en télécommunications que pour le câblage en informatique, aéronautiques, applications industrielles.  Sécurité électrique : isolation totale entre terminaux, utilisation possible en ambiance

explosive ou sous forte tension.  Sécurité électromagnétique : la fibre optique n’est pas sensible aux parasites et n’en

crée pas elle-même.  Avantage économique : contrairement à l’aidée encore répandue, le coût globale d’un

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

c.2- inconvénients  la fibre optique ne permet pas le transport d’énergie.  Les répéteurs doivent être alimentés séparément, soit localement, soit par second

câble électrique, soit par un câble mixte optique et électrique. yeux.  les techniciens des installations doivent protéger ces yeux. Il est indispensable de porter des verres de protection infrarouge pour travaille de prés sur un dispositif en fonctionnement.  perte de raccordement entre différents composants optiques du système.  Parmi les pertes de raccordement on trouve :

-pertes de couplage à la source : une partie seulement de la puissance émise par le laser sera captée par la fibre à cause de la désadaptat ion entre eux. -pertes d’épissure : elle est due à cause d’une discontinuité des rayons, une erreur d’espacement, une erreur d’excentrement, une erreur d’alignement angulaire.


16

I.3 Évolution de la capacité de transmission

:

L’augmentation de la capacité de transmission des fibres optiques a été rendu possible grâce à des avancées technologiques technologiques marquantes telle que :  La fibre monomode à faibles pertes.  Les fibres à dispersion décalée.  Les diodes lasers fonctionnant à 1.55µm.  L’amplificateur à fibre dopée.  La technique du multiplexage WDM.

I.4 Évolution des services : En 2030, il est attendu que la vitesse de transmission soit plusieurs centaines de fois supérieure qu’aujourd’hui (Figure I.8). Les prévisions les plus optimistes prévoient qu’il sera possible de transmettre des données à 1 TB/s de et vers les particuliers. D’autres prétendent que 70% du réseau sera encore à 1 Gb/s. Quoi qu’il en soit, l’augmentation de la vitesse favorisera l’émergence du télé-travail, un des facteurs favorisant le développement des télécommunications. L’introduction de l’ISDN, suivi par l’ADSL a permis d’augmenter les vitesses de transmission. Aujourd’hui, la vitesse est de 2 Mb/s.


17

Vitesse des données

Figure I.8 : Evolution du trafic de données données . La croissance de la bande passante va entraîner le développement de nouveaux composants avec de nouvelles fonctions. Le développement de composants, de modules et de systèmes pour les télécommunications optiques est lié aux développements des services (particuliers, entreprises). L’évolution des services et des applications/technologies associées est cependant un cercle vicieux. La demande des utilisateurs est généralement un besoin immédiat. La mise en place des services et applications est généralement rapide mais l’augmentation des débits plus élevés à la connexion se fait plutôt sur le moyen terme. L’infrastructure, elle, se fait sur le très long terme et les services et les applications dépendent à leur tour de l’infrastructure.


18


19

II.1 Introduction :

Les transmissions par fibres optiques sont devenues techniques courantes et éprouvées dans le domaine des télécommunications. Dans les réseaux interurbains, régionaux et inter -centraux, l'utilisation de guides d'ondes optiques représente le mode de transmission le plus fiable et le plus économique lorsqu'il s'agit d'acheminer des débits élevés sur de grandes distances, mais aussi des nombres élevés de canaux. La conception des systèmes de transmission par fibres optiques nécessite la connaissance des caractéristiques de fonctionnement des sous ensembles impliqués. Ainsi le concepteur doit prendre en considération des combinaisons variées de composants optoélectroniques et de techniques de modulation afin d'obtenir les performances souhaitées pour la liaison. II.2 La liaison point à point optique : II.2.1 Introduction :

Une liaison point à point optique simple se compose d’un émetteur, d’un multiplexeur/démultiplexeur, d’une ligne de transmission et d’un récepteur. La ligne de transmission est composée par les fibres optiques et les amplificateurs optiques qui substituent les régénérateurs électriques (figure.II.1).

FigureII.1 : Liaison point à point optique.


20

II.2.2 le module d’émission :

Les systèmes de transmission par fibre optique nécessitent des émetteurs optiques devant remplir certaines conditions : •

Faible encombrement.

•

Fonctionnement à température ambiante.

•

Commande par circuits à semi-conducteurs.

•

Capacité à moduler la lumière émise a haute fréquence.

•

Spectre d’émission étroit.

•

Puissance d’émission importante.

•

Grande durée de vie.

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

et se regroupent en deux deux catégories : les diodes

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

Figure II-2: Structure d’un émetteur optique II.2.2.1 Catégories des émetteurs : A /Les diodes électroluminescentes : DEL

Les diodes sont constituées ,suivant le principe de base base ,d’un cristal semi-conducteur semi-conducteur possédant deux couches dopées de manières : une couche P positive possédant des trous (emplacements ou il manque un électron pour que les atomes soient complets)et une couche N négative négative possédant possédant des électrons libres. Une diode semi-conductrice qui émet de la lumière par émission spontanée, est appelée diode électroluminescente. La qualité de conversion du courant électrique en lumière est décrite par le rendement quantique, qui désigne le rapport entre le nombre de photons émis par unité de temps et le nombre de charges transportées à travers la jonction-PN de la diode semi-conductrice. Transmission des données par voie optique

21



Rendement quantique

Le rendement quantique est défini comme étant le rapport entre le nombre de photon crées et le nombre d’électrons injectés. η q

=

Nombre de photons créés

II-1

Nombre d ' électrons injectés

L’absence d’amplification limite ce rendement quantique .les recombinaisons (électrontrou) qui se produisent, ne sont pas toutes radiatives à cause des imperfections de la structure cristalline et de la présence d’impuretés. 

Ordre de grandeur

DEL à homojonction : η q ≤ 50% DL

à double hétérojonction : 60% ≤ η q ≤ 80%

Comme le rendement quantique décroît avec des températures croissantes, il faut éviter un échauffement de la zone de recombinaisons recombinaisons et en conséquence conséquence il faut donc assurer le dégagement de la chaleur par une conformation appropriée de la DEL. La longueur d’onde de lumière dégagée est est un autre paramètre important relatif au fonctionnement de la DEL. elle est surtout déterminée par l’intervalle de bande Eg et la relation suivante est applicable :

λ = λ

1,24 Eg

II-2

Longueur d’onde, en µm.

Eg intervalle de bande, en en ev. h ν =1.24 La valeur valeur de Eg d’une diode à l’arséniure l’arséniure de de gallium gallium (GaAs) (GaAs) est de 1,43 ev et λ = 0.89 µm Pour le phosphure phosphure d’indium (InP) Eg =1,35 ev et λ =0,92 =0,92 µm. Les diodes électroluminescentes électroluminescentes de de structure simple, ou homojonction, homojonction, présentent deux inconvénients majeurs : la lumière générer est émise dans toutes les directions d’où pertes importantes et la largeur de signal émis est grande, environ 40nm. Par contre, leurs avantages sont une grande facilité de " pilotage " et une durée durée de vie vie de l’ordre 10 5 à107 heures.


22

40nm 100%

50%

810

λ (nm)

850

Figure II.3 : LED caractéristiques spectrales B/ Les diodes laser : DL

Depuis le début des télécommunications par fibre optique, le choix des sources optiques c’est porté sur les émetteurs à semi conducteur à cause de leurs petites dimensions en rapport avec celles du cœur des fibres optiques, de la relative facilité que l’on a à moduler directement la lumière émise en agissant sur le courant, de leur spectre optique relativement étroit et de leur faible consommation énergétique. Ainsi la diode laser est la source la mieux adapter pour les télécommunications optiques car elle permet d’avoir la meilleure efficacité de couplage optique avec la fibre. LASER est l’abréviation de Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation signifie amplification de lumière par émission stimulée de rayonnement. Contrairement à la diode électroluminescente électroluminescente ou l’émission est spontanée. spontanée. Les diodes laser se se caractérisent par l’étroitesse l’étroitesse de la longueur d’onde qu’elles émettent, émettent, le spectre émis se composant de plusieurs raies centrées autour de la longueur d’onde 4nm

principale (Figure II.4) 100%

50%

0%

λ

1540

1550

(nm)

Fi ure II.4 : diode laser, caractéristi ues Transmission des données par voie optique

23

L’émission stimulée :

Un laser est un dispositif qui émet de la lumière grâce au phénomène d'émission stimulée. En effet, dans un semi-conducteur, un électron peut passer d'un état à un autre de trois façons (Figure II.5) : a )L'émission spontanée : De sa propre initiative, l'électron peut tomber dans un état moins

énergétique non occupé (il passe d'un état ionisé à un état lié), en émettant un photon spontané. b) L’absorption :

En absorbant un photon, l'électron peut être amené dans un état plus

énergétique. Il passe de l'état lié (électron et trou combinés) à l'état ionisé (électron dans la bande de conduction conduction et trou dans la bande de valence). valence). c)L'émission stimulée : Frappé par un photon, l'électron peut retomber dans l'état le moins

énergétique (état lié) en émettant un photon stimulé dont le rayonnement correspond à la même longueur d'onde, la même phase, le même état de polarisation et la même directivité spatiale que le photon incident. On parle alors de lumière cohérente. Avec l'émission stimulée s'introduit la notion de gain ou d'amplification du rayonnement incident puisque, à partir d'un photon, on en obtient deux.

Figure II- 5 : Schéma des processus d'émission d'émission spontanée (a), d'absorption (b) et d'émission stimulée (c). Statistiquement, à l'état naturel, un photon émis peut de nouveau être absorbé par un électron et globalement, l'émission et l'absorption se compensent. Pour obtenir l'effet laser et donc rendre l'émission stimulée prépondérante, deux conditions doivent être réalisées :


24

Il faut qu'il y ait suffisamment d'électrons dans l'état d'énergie supérieure. Ceci est réalisé par ce qu'on appelle une inversion de population. Dans un semi-conducteur, cette inversion est réalisée par l'opération de pompage qui consiste à fournir de l'énergie aux électrons afin qu'ils passent dans la bande de conduction. Il faut qu'il y ait suffisamment de photons excitateurs. Pour cela, on oblige l'énergie lumineuse à s'accumuler sur place en enfermant le semi-conducteur dans une cavité résonante constituée, par exemple, par un résonateur du type Pérot-Fabry. Les photons d'émission spontanée amorçant la réaction, lorsque ces deux conditions sont réunies, l'effet laser peut se produire. II.2.2.2 La différence DEL / DL :

Pour montrer la différence différence entre une diode diode électroluminescente électroluminescente et une diode laser, la (figure II.6) illustre les courbes caractéristiques caractéristiques de la puissance puissance lumineuse en fonction du du courant. P opti opti Fonctionnement DL Fonctionnement DEL I Courant de seuil Figure II. 6: Fonction de transfert du LASER

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


25

II.2.2.3 Caractéristiques générale :

Certains paramètres permettent de caractériser les composants d’émission, diodes électroluminescentes ou diodes lasers. 

Puissance d’émission : La puissance d’émission est exprimée pour une valeur donnée du courant. courant. Alors Alors

qu’une LED aura aura une une puissance puissance

d’émission est variant de 10 à 600µW pour un courant de 100mA, une diode aura une puissance variant de 1 à 6mW pour un courant égal au courant courant de seuil plus 30mA , soit environ 50mA. 

Diagramme de rayonnement : Le diagramme de rayonnement donne une image du flux lumineux lumineux tel qu’il se présente présente en sortie de composant. composant.

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

LED

LASER

FigureII.8 : Digramme de rayonnement

L’angle formé entre les rayons extrêmes et l’axe permet de déterminer l’ouverture l’ouverture numérique du composant. Si cette ouverture numérique numérique est supérieur a celle de la fibre une part du flux ne pourra être injecté. Un raisonnement raisonnement analogue peut être mené en se basant sur les diamètres respectifs de la source source et de la fibre. La formule suivante permet le calcul de ces pertes :

Perte dia=10log

dia fibre dia source


2

II.3

26



Bande passante : la rapidité à laquelle la source peut passer d’une absence d’émission à un e émission émission maximale à l’état d’absence d’émission. Ces temps permettent de donner

une indication sur la bande passante que ces

sources pourrant supporter. 

Durée de vie : la durée de vie d’une diode diode est de l’ordre de de million d’heures. Mais pendant cette période, la structure de la diode subit des dégradations entraînant une perte de puissance d’émission. La diode sera considéré en fin de vie lorsque la puissance de son émission aura diminué de moitié, soit -3dB par rapport à la l a valeur d’origine

II.2.2.4 La modulation :

Un modulateur, modulateur, c’est un système système capable de modifier les paramètre paramètre de la lumière (essentiellement amplitude et –ou phase ; mais cela pourrait être : polarisation, direction de propagation, fréquence, fréquence, répartition de modes, modes, etc.) en fonction fonction d’un signal de commande. Un modulateur est un système d’interaction. Les interactions entre phénomène physique de nature différente - mécanique (ou élastique), acoustique, magnétique, etc. On peut moduler ces sources de deux manières différentes. a/ Modulation directe :

on agit sur le courant de jonction qui provoque l'effet laser. En

première approximation, la puissance optique délivrée varie linéairement en fonction du courant. Ce type de modulation provoque une modification dynamique du spectre due à la conversion amplitude-fréquence (désignée par le terme anglo-américain de chirp) et du diagramme de rayonnement, avec des effets nuisibles aux grandes vitesses de modulation. b/ Modulation externe :

le champ émis par la source n'est pas modulé et passe par un

circuit optique spécial où l'on peut provoquer une modulation de phase ou d'amplitude. Les modulateurs d'amplitude ne présentent aucune propriété de linéarité mais introduisent beaucoup moins de conversion amplitude-fréquence. amplitude-fréquence.


27

Le signal modulé envoyé dans la fibre est donc nettement moins affecté par ce phénomène mais mais également moins puissant que dans dans le cas de la modulation modulation directe. Le principe physique utilisé dans ces modulateurs externes est soit la variation de l'indice de réfraction soit la variation de l'absorption (dispositifs à base de semiconducteurs). II.2.3 les modules de réception : II. 2.3.1 Introduction :

Les systèmes de transmission par fibre optique nécessitent des récepteurs optiques devant remplir certaines conditions : •

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

•

Une grande bande passante (réponse à grande vitesse).

•

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

•

Grande fidélité de reconstitution du signal.

•

Bonne stabilité en température.

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

Les mêmes bruits que ceux des De même que pour les modules d'émission, de nombreux efforts ont été fournis pour rendre les modules de réception de plus en plus performants. Le rôle du récepteur est de convertir au mieux le signal optique en signal électrique. Ce module est composé de plusieurs blocs fonctionnels. On y retrouve trois parties (Figure II.10) :


28

•

Le bloc de 'premier étage' composé du photodétecteur. Il peut être accompagné d'un préamplificateur, qui a pour but de rendre le photocourant généré suffisamment fort malgré le faible signal optique reçu ou la faible sensibilité du photodétecteur.

•

Le bloc 'linéaire', composé d'un amplificateur électrique à gain élevé et d'un filtre, réducteur de bruit.

•

Le bloc 'récupération des données', correspondant au dernier étage du récepteur. On y trouve un circuit de décision et un circuit de récupération de rythme, encore appelé circuit de synchronisation.

Figure II.10 : Schéma d'un récepteur de données à détection directe Nous allons maintenant maintenant présenter chaque chaque bloc afin de reconstituer reconstituer le module de de réception. II.2.3.2 Le photodétecteur :

L'interface optique de réception, dans une liaison à fibre optique, est chargée de convertir le signal lumineux en signal électrique, en lui apportant le minimum de dégradation. Ce rôle est tenu par le photodétecteur, qui pour simplifier, se comporte comme un compteur de photons et un générateur de courant. La première propriété requise est une sensibilité importante pour la longueur d'onde utilisée. La deuxième est la rapidité : il doit être utilisé dans des systèmes fonctionnant à 10 Gbits/s voire même 40 Gbits/s. La troisième propriété demandée est un apport minimum de bruit.


29

Afin de satisfaire la plupart de ces conditions, le choix se porte sur les photodétecteurs à semi-conducteur, qui présente les avantages d'être très rapides et faciles à utiliser, bien que d'autres dispositifs soient plus sensibles. Dans ce paragraphe, nous rappellerons le principe de la photodétection avant d'étudier plus précisément deux exemples de photodétecteurs : la photodiode PIN et la photodiode à avalanche (PDA). a) Principe de la photodétection :

Les photons transmis par la fibre pénètrent dans le détecteur, constitué d'un matériau semiconducteur. Absorbés, ils peuvent provoquer le passage d'électrons d'un état de la bande de valence à un état plus élevé de la bande de conduction. Dans cette dernière, les électrons moins liés deviennent libres. Le photon a donc laissé place à une paire électron-trou. Une différence de potentiel est appliquée afin d'empêcher les électrons de retomber dans son état le plus stable. Sous l'effet du champ électrique, les deux catégories de porteurs sont séparées et entraînées vers des zones où ils sont majoritaires (nommées P ou N). Les porteurs ainsi générés sont alors recueillis sous forme de photocourant. Le nombre de paires électron-trou est égal égal au nombre de photons absorbés. absorbés. b) Caractéristiques d'une photodétection :

Tout photon ne subira pas automatiquement automatiquement la photodétection. Tout d'abord, il doit posséder une énergie E photon égale ou supérieure à la hauteur de la bande d'énergie interdite E g pour faire passer l'électron de la bande de valence à la bande de conduction. Cela implique une longueur d'onde de coupure λ c , au-delà de laquelle le matériau devient transparent au rayonnement. c est déterminée par l'énergie de bande interdite Eg du semi-conducteur selon la relation suivante : II.4

Ensuite, il peut traverser le détecteur sans être absorbé. Le coefficient d'absorption du semi-conducteur est donc un facteur essentiel qui va déterminer le rendement du photodétecteur. Transmission des données par voie optique

30

Figure II.11 : Coefficient et longueur d'absorption des matériaux semi-conducteurs . Ce coefficient dépend du matériau utilisé et de la longueur d'onde. Mais il y a d'autres propriétés qui caractérisent caractérisent un photodétecteur photodétecteur (Figure II.11) : Le rendement quantique ( µ ) qui est le rapport du nombre de paires de porteurs " photocréées et collectées " au nombre de photons incidents. Il ne peut être supérieur à 1 et croît avec l'épaisseur de la zone absorbante. La sensibilité (S) de la photodiode exprimée en ampères par watt et définissant le rapport du photocourant I ph au flux énergétique (ou puissance optique P opt) reçu(e). Ces grandeurs sont reliées par les relations suivantes, avec e représentant la charge élémentaire de l'électron, h la constante de Planck, λ la longueur d'onde et c la vitesse de la lumière :

η =

/e p opt / hυ Ι ph

Et S ( λ )=

Ι ph

p opt

=η .

eλ hc

II.5

Le courant créé est proportionnel à la puissance lumineuse, ce qui signifie que la puissance du signal électrique est proportionnel au carré de la puissance optique. Il s'agit d'une détection quadratique. Transmission des données par voie optique

31

c) Les catégories de photodiodes PIN : c.1) Les photodiodes PIN PIN :

Pour effectuer la photodétection en évitant les recombinaisons des paires électron-trou, il est nécessaire que les photons soient absorbés dans une zone dépourvue de porteurs mobiles, assimilable à une zone de charge d'espace d'une jonction PN, encore appelée zone déplétée. Pour favoriser le rendement quantique, il est préférable que cette zone soit large. D'où l'intérêt de la photodiode PIN (Figure II.12)

Figure II.12 : Photodiode PIN. La majorité des photons est absorbée dans la zone intrinsèque (I), où règne le champ électrique pratiquement uniforme, qui sépare les porteurs. Une des zones traversée par la lumière (P ou N) doit être de faible épaisseur, et recouverte d'une couche antireflet qui améliore le rendement quantique externe, et qui protège le matériau. Les paramètres importants, dépendant du matériau et de la structure, qui caractérisent une photodiode PIN sont sont la sensibilité, le courant courant d'obscurité, le temps de réponse. Comme nous l'avons présenté auparavant, la sensibilité dépend du rendement, elle varie selon le coefficient d'absorption du matériau, et selon la largeur de la zone intrinsèque On peut relever un courant d'obscurité, I obs, qui circule dans la jonction en l'absence d'éclairement. Ce courant ne provient donc pas des photons transmis par la fibre. Transmission des données par voie optique

32

Il peut avoir des origines multiples : génération thermique dans la zone intrinsèque, courants de surface, courants de fuite... L'expression du courant total dans la photodiode est donnée par l'Équation suivante I ph = S. Popt + Iobs

II.6

Le temps de réponse de la photodiode doit être très bref. Il est limité par deux facteurs. D'une part, la capacité de jonction est d'autant plus réduite que l'on élargit la zone d'absorption. D'autre part, le temps de transit diminue si on rétrécit cette zone. Un compromis est donc à trouver. On améliore le temps de réponse en augmentant la tension de polarisation inverse, ce qui réduit la capacité et le temps de transit. La longueur de la zone intrinsèque est optimisée afin de maximiser le rendement et le temps de réponse. Le signal électrique émis par la photodiode n'est pas parfait, il est bruité .Apparaît entre autres le bruit quantique (encore appelé bruit photonique ou de grenaille ou bruit Schottky). Il provient du caractère aléatoire de la création des paires électron-trou. Ce bruit proportionnel à la puissance optique optique reçue par la photodiode est inévitable. inévitable. L'expression de la variance du bruit quantique s'écrit sous la forme : II.7 Où e est la charge de l'électron ; S la sensibilité de la photodiode ; P opt la puissance optique reçue par la photodiode et B la bande passante du signal. Il est nécessaire de tenir compte aussi du bruit d'obscurité associé au courant d'obscurité. La variance de ce bruit a pour expression : II.8 Est présent également un bruit en 1/f (avec f la fréquence du signal) et un bruit thermique, provenant des circuits circuits de polarisation du photorécepteur et notamment notamment du préamplificateur. préamplificateur.


33

Le bruit thermique a pour valeur : II.9 (k étant la constante de Boltzmann, T la température et R la résistance du schéma équivalent aux circuits du photorécepteur). Il est possible d'accroître la sensibilité d'une photodiode par un processus de multiplication interne à effet d'avalanche. c.2) Les photodiodes à avalanche APD :

Afin que le rapport signal sur bruit soit suffisamment important, l'idée d'utiliser le phénomène de multiplication interne pour qu'un photon incident n'engendre plus un seul photo-électron, mais plusieurs a été soulevée, ceci pour augmenter la puissance du signal électrique correspondant à une puissance optique incidente donnée. En faisant croître le champ électrique dans la jonction PIN, l'énergie des porteurs s'élève, jusqu'au point d'ioniser un atome en cas d'impact avec celui-ci. Des ionisations en chaîne se produisent alors et les porteurs se multiplient. Ce photodétecteur à gain interne est appelé photodiode à avalanche ou PDA (en anglais APD). Le gain de multiplication par ionisation par impact, appelé aussi facteur de multiplication M, est le rapport entre le nombre moyen de porteurs secondaires créés par ionisation et le nombre de porteurs primaires provenant de la photodétection. La valeur du courant relatif au nombre de photons absorbés devient : IPDA = M (V) * S ( λ ) * Popt

II.10

Le gain augmente avec la différence de potentiel appliquée, mais est limité à une valeur maximale. Si le champ devient trop fort, il y a risque de claquage. Cette valeur limite de tension dépend du matériau et de la structure utilisés. Tout comme pour les photodiodes PIN, il existe plusieurs structures possibles. Voici à titre d'exemple le cas d'une structure dans le Silicium. Transmission des données par voie optique

34

Elle résulte d'un compromis entre une zone d'absorption large, et une jonction très abrupte pour obtenir un très fort champ électrique. C'est le principe de la structure p π pn pn (Figure II-13).

Figure II-13 : Structure d'une photodiode à avalanche p π pn. L'absorption a lieu dans une zone large et peu dopée, dite π et la multiplication a lieu dans la jonction abrupte pn+. En outre, pour une tension inverse élevée, la zone de charge d'espace s'étend dans la zone π , dont la résistivité va augmenter avec la tension. Ce principe introduit un effet stabilisateur : le champ électrique et le gain augmentent lentement, ce dernier peut atteindre de fortes valeurs tout en le commandant avec précision. Il est plus facile d'éviter le claquage. claquage. Le courant d'obscurité observé, I obs', est plus important dans une photodiode en régime d'avalanche, mais il reste en général inférieur au gain, M, multiplié par le courant d'obscurité non multiplié. En effet, toutes les composantes de celui-ci ne subissent pas le phénomène d'avalanche. d'avalanche. Le courant débité par la PDA vaut : Iph' = M . S . Popt + Iobs'

II.11

La rapidité est affectée par le phénomène d'avalanche. Elle est donc inférieure à celle des photodiodes PIN, à cause du temps de multiplication, mais reste élevée (de l'ordre de la nanoseconde).photodiodes nanoseconde).photodiodes PIN affectent les photodiodes PDA . Transmission des données par voie optique

35

Il faut noter que le bruit quantique est également multiplié par le gain M. De plus, chaque porteur primaire ne donne pas naissance à un même nombre m de porteurs secondaires. Cette fluctuation de m donne naissance à un bruit supplémentaire. d) Comparaison PIN, APD :

caractéristiques

PIN

APD

technologie

simple

complexe

Mise en œuvre

simple

délicate

Gain interne

nom

Oui (gain d’avalanche)

Tension de polarisation

faible

élevée

Courant d’obscurité

faible

moyenne

Facteur d’accès de bruit

non

oui

II.2.4 Canal de transmission : II.2.4.1 la fibre optique Fibre monomode (9/125)

Fibre dans laquelle un seul faisceau lumineux circule à la longueur d’onde considérée. Le coeur d’une fibre monomode est de faible diamètre (typiquement 9 µm) (figure II.15).

Figure II.15 : Fibre monomode


36

Coeur : Silice, ∅=9µm Gaine optique: optique: Silice, Ø= 125 125 µm Revêtement de protection: Matériau plastique (ø=250 µm) II.2.4.2 Caractéristiques de transmission : (figure II.16)

_ La fibre monomode est utilisée pour les liaisons à débits importants, pour les longues distances supérieures à 1 km ou pour les réseaux nécessitant peu de points de raccordement. _ La fibre monomode est très performante. La bande passante permet de transmettre un très grand nombre d’informations. _ L’ouverture numérique faible (0,113 mm) nécessite une source lumineuse cohérente (Laser). _ Le coeur d’un diamètre faible nécessite des manipulations relativement délicates ainsi qu’un matériel de haute précision.

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


37

II.2.4.3 Raccordement des fibres optique :

Le raccordement des fibres optiques pour les transmissions à grande distance est indispensable, cela nécessite de les couper à la longueur appropriée à chaque répéteur et de les connecter à d’autres composants. Lorsque les câbles optiques ont été mis en place, vérifiés par un réflectométrie, pour détecter des dégâts éventuels que la fibre aurait pu subir lors du tirage, il ne reste plus qu’à poser les connectiques appropriés. Soit de type connecteurs ou des épissures, qui permettent de réaliser ce raccordement. II.2.4.4 Type de raccordement

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

les raccordements fixes.

•

les raccordements semi-fixes.

•

les raccordements démontables.

a. Les raccordements fixes

Ce sont des raccordement qu’il ne sera plus possible d’ouvrir une fois qu’ils sont posé, leur destination principale et la mise bout à bout de plusieurs câbles optiques a fin de constituer des liaisons à grande portée. Trois techniques sont utilisées dans ce type t ype de raccordement : a.1 la soudure :

La soudure est une technique de raccordement fixe la plus récente, cela consiste à chauffer les deux extrémités de la fibre de manière que la silice atteigne son point de fusion. On obtient ainsi une soudure sans apport le matériau. Les épissures par fusion présentent des pertes d’insertion très faibles moins de 0.1 dB, pas de réflexion parasite et encombrements très réduits. a.2 Le collage :

Le principe est de noyer dans la colle deux fibres positionnées l’une en face de l’autre. Pour cela on utilise un centreur en élastomère translucide dans lequel une rainure est gravée. Ce type de raccordement présente un affaiblissement voisin de 0.1 dB. Transmission des données par voie optique

38

a.3 Le sertissage :

Le sertissage est un moyen d’épissurer deux fibres qui est simple d’utilisation, et qui assure une bonne protection. Il existe différents types de sertissage, suivants les fabricants qui les ont développées, le principe de fonctionnement est toujours le même. Le sertissage présent l’avantage d’être facile et rapide, la qualité reste tout de même très bonne, les pertes typiques sont de l’ordre de 0.1 dB. b. Les raccordements semi-fixes :

Ce type de raccordement est un moyen qui permet de mettre les deux fibres bout à bout d’une façon non permanente. On trouve dans cette catégorie de raccordement : •

Le domaine optique: utilisé pour effectuer des mesures comme la vérification du tirage d’un câble avant la mise en place de la connectique définitive.

•

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

•

L’adaptateur pour fibre nue.

c. Les raccordements démontables :

On utilise dans ce type de raccordement, les connecteurs qui réalisent un raccordement avec une bonne résistance mécanique, utilisé en un nombre de manœuvre importantes, il est généralement constitué de deux fiches et d’un raccord ou d’une embase et d’une fiche, les connecteurs sont utilisés aux extrémités de la liaison pour le raccordement aux équipements d’émission et de réception et dans les répartiteurs optiques. Aujourd’hui les connecteurs pour fibres monomodales ont une perte d’insertion moyenne inférieure à 0.5dB.

II.2.4.5 Répéteur ou régénérateur de signal :

Il existe deux solutions d'ingénierie d'un répéteur : •

solution électro-optique : le faible signal optique reçu est converti en signal électrique par un photo-détecteur, est électriquement amplifié et module un faisceau LASER en sortie (conversion électrique-optique) (figure II.17). II .17).

•


39

•

solution purement optique : le faible signal reçu est mélangé avec le signal issu d'un LASER optique et est amplifié par un amplificateur optique à base d'ions Er 3+ (figure II.18).

Exemple :

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

sont nécessaires.

Figure II.17 : Répéteur électro-optique

Figure II.18 : Répéteur purement optique


40


41

Introduction :

Le principal élément de la partie transmission est la fibre optique. Elle offre une très grande capacité de transport, plus grande que les convertisseurs optique-électronique et les composants électroniques. D'où l'idée de traiter le plus souvent possible le signal lumineux avant sa conversion électrique. Pour cela, de nombreux progrès ont été réalisés sur les composants optiques. Nous verrons tout d'abord les composant actifs certain

de ces

composants sont détaillé en deuxième chapitre (laser, détecteur et modulateur) ont s’intéresse à l'amplification optique et les différents amplificateurs permettant de la réaliser. Seront abordés également dans ce paragraphe les composants passifs comme les filtres optiques, les isolateurs et les coupleurs. Aujourd'hui, on ne peut plus parler de systèmes de télécommunications sans ces éléments. III.1. Amplification optique

L'évolution des systèmes de transmission optique a connu une révolution avec la mise au point et le développement industriel des amplificateurs optiques à la fin des années 80. Trouvant désormais des fibres optiques à dispersion chromatique soit faible, soit opposée (dite fibre à compensation de dispersion dont le sigle anglais est DCF), la principale contrainte de ce support de transmission était devenue l'atténuation des signaux durant la propagation. Or le photodétecteur émettra un courant de qualité, codant correctement l'information à transmettre, seulement si le photocourant n'est pas noyé dans le bruit, et donc si la puissance optique reçue est suffisamment importante. L'amplification optique devient alors une alternative aux complexes répéteurs-régénérateurs optoélectroniques. Elle permet de compenser ces pertes et de contrôler régulièrement la puissance optique des signaux. Il est désormais possible de transmettre le signal optique sans conversion sur une distance beaucoup plus importante. L'amplification optique est à l'origine d'une véritable révolution dans le domaine des télécommunications, vu les avantages que cette technologie procure en association avec le multiplexage en longueur d'onde (WDM). En effet, cette amplification peut intervenir sur Transmission des données par voie optique

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l'ensemble des N longueurs d'onde d'un multiplex, sans distorsion du signal utile. Il évite donc une conversion optoélectronique et une amplification électrique sur chaque canal, donc N amplificateurs électriques. Avant d'étudier deux exemples d'amplificateurs optiques, l'amplificateur à semiconducteur et l'amplificateur à fibre dopée à l'erbium, quelques généralités et le principe de l'amplification optique seront traités dans le premier paragraphe. III.1.1) Généralités sur l'amplification optique

L'amplification optique repose sur le phénomène d'émission stimulée, déjà présentée dans le paragraphe sur les diodes lasers. Le signal est amplifié dans un guide (semiconducteur ou fibre) grâce à un apport extérieur d'énergie appelé pompage (courant injecté ou source de lumière) qui vient créer une inversion de population. La recombinaison électron-trou peut ensuite être provoquée par un photon incident, ce qui donne naissance à un deuxième photon de même fréquence, de même phase et même direction. Cette émission est dite stimulée et conduit à une amplification du signal. En même temps, la recombinaison peut se faire sans la présence d'un photon incident. Ces photons, émis de façon spontanée, de manière non cohérente, constituent le bruit de l'amplification optique. L'ensemble des photons, originels ou pas, subissent une série d'amplifications. Les photons spontanés seront aussi amplifiés, ce qui définit la source de bruit appelée ESA (Émission Spontanée Amplifiée). III.1.2) Les amplificateurs à semi-conducteur (AOSC)

Les premiers travaux sur les AOSC ont démarré au début des années 80, à partir du moment où les lasers à semi-conducteur fonctionnaient en continu avec une fiabilité acceptable. Leur structure de base est peu différente de celle d'une diode laser. Nous retrouvons l'inversion de population, l'émission spontanée et stimulée, les recombinaisons non radiatives, une source externe ... Contrairement aux lasers à semi-conducteur, il n'y a


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pas de miroirs aux extrémités mais un revêtement antireflets déposé sur les faces clivées afin de diminuer les réflexions de la lumière vers l'intérieur l 'intérieur du circuit. Figure III.1

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

La lumière incidente entre dans le circuit, est amplifiée et sort par l'autre extrémité1 pour être couplée dans la fibre. Idéalement, il n'y a pas de réflexion du signal dans l'amplificateur. Les principales caractéristiques des AOSC sont : 

Un gain élevé (jusqu'à 30 dB) selon le semi-conducteur, la longueur d'onde, le courant injecté et la puissance du signal incident.





Une puissance de saturation en sortie autour de 5 - 10 mW. Une bande passante optique importante, de l'ordre de 5 THz (soit environ 40 nm autour de 1550 nm).



Les non-linéarités sont particulièrement importantes dans les conditions de saturation du gain.



C'est de loin le dispositif amplificateur le plus compact qui existe, avec un rendement (rapport gain à la consommation électrique) record. De plus, sa technique de fabrication est compatible avec l'intégration monolithique de nombreux autres composants actifs et passifs, ce qui offre des perspectives attrayantes en matière de traitement optique du signal, et aussi probablement en terme de coût.


44



Les pertes de couplage du faisceau incident dans l'amplificateur sont élevées, en raison de la supériorité du diamètre du faisceau sur l'épaisseur de la couche active du semi-conducteur.

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

Le milieu amplificateur est cette fois-ci le coeur d'une fibre optique monomode dopée avec des ions de terre rare. Pour que la fibre ne soit pas absorbante, mais amplificatrice, il faut l'associer à un pompage optique. Un multiplexeur permet de coupler le flux lumineux puissant provenant d'une diode laser de pompe et le signal à l'intérieur de la fibre. Les longueurs d'onde de pompe doivent permettre des transitions vers les états excités des ions de terre rare et créer l'inversion l' inversion de polarisation. L'ensemble module de pompe, multiplexeur et fibre dopée forme l'amplificateur le plus rudimentaire. La longueur de fibre est généralement comprise entre 10 et 20 mètres. Pour l'amplification autour de 1550 nm, fenêtre spectrale la plus utilisée car de faible atténuation des fibres optiques en silice, les dopants sont des ions Erbium Er 3+. On parle alors d'Amplificateur à Fibre Dopée à l'Erbium (AFDE ou EDFA, Erbium Doped Fiber Amplifier en anglo-américain ). 980 et 1480 nm sont les deux longueurs d'onde de pompe les mieux adaptées à l'EDFA. Et des diodes lasers à semi-conducteur sont disponibles à ces longueurs d'onde (lasers en AlGaAs pour le 980 nm et lasers en InGaAsP pour le 1480 nm). Le multiplexeur optique, sélectif en longueur d'onde, doit présenter une perte d'insertion faible à ces deux longueurs d'onde afin d'optimiser le rendement optique du système. Des isolateurs présents à chaque extrémité en assurent aussi la stabilité en bloquant tous les faisceaux lumineux susceptibles de revenir en aval. Le signal de pompe peut être couplé dans la fibre en co-propagation (mêmes sens pour le signal et le signal de pompe) afin de réduire le facteur de bruit ou en contre-propagation contre-propagation (sens opposés du signal signal de pompe sur le signal utile) favorisant ainsi une plus forte puissance de saturation. Mais afin d'augmenter et uniformiser dans la fibre dopée l'inversion de polarisation et donc l'amplification du signal, un double pompage aux deux extrémités peut également être réalisé. La (Figure III.2) représente la configuration d'un de ces amplificateurs à fibre dopée.


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

III.1.4) Comparaison des amplificateurs

L'amplificateur à semi-conducteur n'apparaît que très peu dans un système de transmission, car il présente aujourd'hui des caractéristiques assez peu favorables, au regard des EDFA. On notera cependant qu'il est le meilleur candidat à 1,3 µm. De plus, il se prête à l'intégration monolithique, ce qui est difficilement réalisable avec les EDFA. L'apparition de ces derniers a néanmoins eu des conséquences fondamentales. Ils ont permis de fabriquer un milieu de propagation sans perte sur une très grande distance dans les systèmes de transmission travaillant à 1,55 µm. En les insérant périodiquement, ils trouvent leur application dans les liaisons sous-marines. Ils introduisent de plus faibles pertes d'insertion, une faible distorsion du signal, un gain plus important important et sont insensibles à la polarisation de la lumière incidente contrairement aux AOSC. Ceci conduit à préférer les EDFA. Leur plus gros défaut est leur limite li mite à amplifier uniquement autour de 1550 nm. III.1.5) Utilisation de l'amplificateur optique

Le choix d'un amplificateur optique doit cependant se faire en fonction de son rôle. Il peut servir d'amplificateur de puissance en émission (booster), de préamplificateur en réception ou d'amplificateur en ligne. Selon l'utilisation qui en est faite, les paramètres diffèrent. On demandera par exemple à un amplificateur de puissance d'être capable de délivrer une puissance de sortie élevée et ses caractéristiques de bruit seront assez peu critiques, tandis qu'un préamplificateur doit être le moins bruyant possible. L'amplificateur en ligne sera un compromis à tout cela afin à la fois de ne pas dégrader la qualité du signal transmis et allonger la distance de transmission. Transmission des données par voie optique

46

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

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

Un atténuateur consiste en un assemblage de filtres, réduisant l’intensité de la lumière qui le traverse. Ce composant composant est utilisé dans les télécommunications optiques pour réguler réguler la quantité de lumière arrivant sur les composant composant sensibles, tels que les photo_détecteur photo_détecteur Un isolateur optique consiste consiste en un assemblage assemblage de lentilles et de prismes, transmettant transmettant la lumière uniquement dans une seule et même direction. Ces composants sont généralement utilisés pour stopper la réflexion ou pour isoler les sources sources émissives, comme comme les lasers. Durant la transmission transmission des multiples longueurs d’onde dans une fibre, les longueurs d’onde les plus longues longues ont tendance à prendre de l’avance sur les plus plus courtes, du fait de leurs modes de dispersion différents durant le trajet. De ce fait, le spectre du signal transmis devient plus large que celui émis émis à l’origine.


47

Pour réguler ce phénomène, on insère avant le récepteur du compensateur de dispersion, constitues d’une fibre courte, ralentissant les longues d’onde longues et accélérant les courtes.

Compensateur de dispersion

Fi ure III.4 Princi

e d’un com ensateur de dis ersion

III.3. Les coupleurs

Dans les réseaux de fibres optiques, les coupleurs permettent de distribuer le signal optique vers plusieurs fibres ou inversement, acheminer le signal venant de plusieurs fibres vers une seule. Le principe de base est celui du couplage par onde évanescente entre deux fibres dont les coeurs sont très proches. Pour que les coupleurs permettent une diffusion efficace d’informations, ils doivent satisfaire à deux conditions fondamentales : •

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

•

Le prélèvement de données en un point ne doit pas soutirer plus de quelques pourcent de la puissance transmise.

Il existe plusieurs formes de coupleurs, telles que les coupleurs étoiles qui disposent de N entrées et N sorties, les coupleurs séries qui disposent de deux entrées et une sortie ou inversement, les coupleurs en T et les coupleurs en Y.


48

Figure III 5: Coupleur Etoile Le coupleur se compose de guides constituant ses entrées et ses sorties. En effet, la figure suivante présente un exemple de coupleurs à deux entrées et une sortie.

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

Les puissances Pa et Pb injectées dans les deux guides du coupleur ont pour expressions : Pa = Sin² (k.z) où z : Direction de propagation de la lumière le long du coupleur. Pb = Cos² (k.z) k : Coefficient de couplage entre les modes des deux guides d’ondes. Pour assurer le transfert de toute la puissance optique, le coupleur doit avoir une longueur Lc.


49

III.4. Les filtres optiques

Le filtrage a pour but de limiter l'occupation spectrale d'un signal. La séparation spectrale est réalisée en réfléchissant une certaine gamme de longueurs d'onde et en transmettant les autres. On caractérise donc le filtre par sa bande passante, c'est-à-dire le domaine de fréquences (ou de longueurs d'onde) pour lequel il laisse passer la lumière et par sa bande atténuée, c'est-à-dire le domaine de fréquences (ou de longueurs d'onde) pour lesquelles il réfléchit la lumière incidente. Ces deux domaines spectraux peuvent être très larges notamment pour les filtres fil tres passe-haut et passe-bas. Conclusion :

Les fibres optiques possèdent de nombreuses qualités pour transmettre une grande quantité d'informations sur de longues distances. Plusieurs de leurs défauts ont été énumérés (par exemple la dispersion chromatique) et des solutions sont proposées pour les corriger (fibres de compensation). Sont apparus sur le marché depuis quelques années des amplificateurs optiques pour remédier à l'atténuation du signal dans les fibres.


50


51

IV.1 Introduction :

Transmettre un signal numérique consiste à reconstituer,à la réception, la signal original et à en extraire l’horloge l’horloge (phase et fréquence). fréquence). Cette horloge est utilisée aussi aussi bien pour des opérations de décision que pendant les opérations de conversion (numérique analogique) et éventuellement lors du multiplexage. Au cours de sa propagation, le signal numérique subit une détérioration (élargissement de l’impulsion) due au caractère dispersif de la fibre. Cet élargissement se traduit par le phénomène d’interférences d’interférences intersymboles. intersymboles. La qualité d’une liaison numérique est caractérisée par le taux d’erreur qui est donné par : TEB

=

Nombre de bits erronés Nombre de bits reçus

Un système de transmission transmission pour objectif d’acheminer d’acheminer à partir d’une source. Ou Ou émetteur, une information vers un destinataire, ou récepteur. Nous allons donc commencer par décrire brièvement qui doit être transmise. IV.1.1 Information analogique et numérique

:

Il convient de bien différencier l’information de la transmission l’information est représentative de faits, de données. Ces données peuvent être d’origine analogique ou numérique, c’est à dire représentées par une suite binaire. Une information analogique peut être numérisée, par exemple la vidéo. Inversement, des données numériques peuvent être transformées en signaux analogiques. Un signal est dit numérique lorsque son amplitude ne prend que des valeurs discrètes par intervalle. Il est dit analogique lorsque son amplitude varie de manière continue dans le temps. IV.1.2 Les codages en bande de base

Le signal binaire n’est généralement pas transmis directement sur la ligne et différents codages numériques sont utilisés pour différentes raisons : • La récupération de l’horloge nécessaire en transmission synchrone est facilitée par des séquences qui présentent des changements d’états fréquents et évitent ainsi les longues suites de 1 ou de 0.


52

•

Le spectre d’un signal binaire est concentré sur les fréquences basses qui sont les plus affaiblies sur la ligne. ligne.

•

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

La transmission est dite en bande de base si elle ne subit aucune transposition de fréquence par modulation. Les fréquences initiales du signal émis sont donc préservées. La transmission en bande de base ne peut donc par essence être utilisée que sur support cuivre. Les signaux bande de base sont sujets à une atténuation dont l’importance dépend du support employé et doivent donc être régénérés périodiquement sur une longue distance. IV.1.3 La modulation numérique

Différentes raisons rendent impossibles la transmission en bande de base à des vitesses élevées et sur de grandes distances : •

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

•

Pertes et affaiblissements du fait de la ligne. li gne.

•

Impossibilités de différencier plusieurs communications sur un même support.

•

Bruit, diaphonie.

•

Ces raisons imposent la transformation des données numériques en un signal analogique adapté au support de transmission.

IV.2 Codage Codage binaire à signal

L’information que nous nous venons de de définir est une grandeur grandeur abstraite et immatérielle, immatérielle, dans le cas numérique c’est simplement une suite de nombres. Pour le transmettre il faut" imprimer" sur des signaux signaux physiques, physiques, en générale électriques électriques ou électromagnétiques. électromagnétiques. C’est cette opération que l’on appelle "codage binaire à signal ". IV.2.1 Quelques exemples de codes en ligne :

Il existe une grande variété en ligne développes depuis le début de la transmission numérique. Le choix est dicté en particulier par des spectrales, c'est-à-dire des caractéristiques de la densité spectrale de puissance de signal aléatoire. Le principe générale du codage peut être résumé ainsi : on dispose d’un ensemble de Transmission des données par voie optique

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signaux de durée T, constituant constituant ce qu’on appelle un alphabet, alphabet, et on associe à la donnée Ak à transmettre dans l’intervalle de temps] kT, (k+1)T], (k+1)T], k entier, l’un des des signaux de cet alphabet. Lorsque le signal utilisé ne dépend dépend que de la donnée donnée Ak on dit que le code est est à des symboles indépendants. Lorsqu’au contraire une corrélation existe entre les signaux successifs, comme ce qui rencontre par exemple dans une longue ou n’importe quelle lettre ne peut pas succéder a n’importe quelle lettre on dit que le code à des des symboles corréler. IV.2.2 Choix du code de transmission :

Il dépend d’un certain nombre de paramètres : • Spectre en bande bande de base Il doit satisfaire aux spécifications suivantes : - Un encombrement encombrement minimum. minimum. - Une transmission nulle en continu. L’encombrement L’encombrement minimum permet de réduire le bruit à la réception et éventuellement de réaliser un multiplexage en longueur d’onde. La polarisation des éléments actifs du récepteur oblige à découpler la source de polarisation à l’aide de capacités bloquant ainsi toute composante continue. Pour éviter tout problème de transmission, il est important que le signal transmis n’ait pas de composante continue. • Récupération du du rythme Elle est nécessaire lors de la prise de décision (1 ou 0) et également lors de la régénération du signal numérique. Il faut donc que le code en ligne choisi permette la récupération du signal d’horloge. • Contrôle automatique du taux d’erreur Pour que ce contrôle puisse se faire sans interruption de la transmission, il faudrait que le code utilisé soit redondant.


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IV.2.3 Représentation des signaux codes :

Parmi les codes les plus utilisés nous citerons les codes NRZ et HDBn : Pour l’ensemble des différents codes décrits, nous prendrons la même suite binaire afin de permettre la comparaison comparaison : 1 0 0 0 0 1 0 1 1 1 1 a) Codage NRZ (Non Return to Zero)

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

Le Figure IV.1 codage NRZ améliore légèrement le codage binaire de base en augmentant la différence d’amplitude du signal signal entre les 0 et les 1. 1. Toutefois les longues séries de bits identiques identiques (0 ou 1) provoquent un signal sans transition pendant une longue période de temps, ce qui peut engendrer une une perte de synchronisation. synchronisation. Le débit maximum théorique est le double de la fréquence utilisée pour le signal : on transmet deux bits pour un hertz. . Particularités de code NRZ: •

Possède une composante spectrale non nulle.

•

Plusieurs séquences de zéros ne contiennent aucune information sur le rythme. Pour éviter de longues séquences de zéros (de un) on utilise un brouilleur à l’émission et un débrouilleur à la réception. Le brouillage est une opération qui consiste à émettre avec le signal, une séquence pseudo-aleatoire que l’on élimine à la réception à l’aide du débrouilleur.

•

Grande facilité de mise en œuvre.


55

b) Codage HDBn (Haute Densité Binaire d'ordre n) : Utilisation : HDB3

Principe : le principe de base est le même que pour le codage bipolaire, mais pour éviter une trop longue série de 0, on introduit un bit supplémentaire au signal pour terminer une série de n 0 consécutifs. Ce bit supplémentaire est de même phase que le dernier 1 transmis pour pouvoir l’identifier, afin qu’il ne soit pas pris en compte dans l’information transmise.

Figure IV.2 Les densités spectrales de puissance

NRZ HDB3 Figure IV.3


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c) Codage NRZI (Non Return to Zero Inverted) Utilisation : Fast Ethernet (100BaseFX), FDDI

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

Figure IV.4

Avec le codage NRZI, on voit que la transmission de longues séries de 0 provoque un signal sans transition sur une longue période. Le débit binaire est le double de la fréquence maximale du signal : on transmet deux bits pour un hertz. d) Codage Manchester Utilisation : Ethernet 10Base5, 10Base2, 10BaseT, 10BaseFL

Principe : dans le codage Manchester, l’idée de base est de provoquer une transition du signal pour chaque bit transmis. Un 1 est représenté par le passage de +V à –V, un 0 est représenté par le passage de -V à +V.


57

Figure IV.5

La synchronisation des échanges entre émetteur et récepteur est toujours assurée, même lors de l’envoi de longues séries de 0 ou de 1. Par ailleurs, un bit 0 ou 1 étant caractérisé par une transition du signal et non par un état comme dans les autres codages, il est très peu sensible aux aux erreurs de transmission. transmission. La présence de parasites peut endommager le signal et le rendre incompréhensible par le récepteur, mais ne peut pas transformer tr ansformer accidentellement un 0 en 1 ou inversement. Toutefois, le codage Manchester présente un inconvénient : il nécessite un débit sur le canal de transmission deux fois plus élevé que le codage binaire. Pour 10 Mbit/s transmis, on a besoin d’une fréquence à 10 Mhz. Ceci le rend difficilement utilisable pour des débits plus élevés. L’utilisation de ce codage pour une transmission à 1 Gbit/s nécessiterait une fréquence maximale du signal de 1 Ghz, ce qui est incompatible avec les possibilités des câblages actuels ainsi qu’avec les normes sur les compatibilités électromagnétiques. Plus la fréquence du signal est élevée, plus les phénomènes de paradiaphonie pouvant perturber les installations avoisinantes du câble sont sensibles. Les normes ISO 11801 et EN 50173 fixent entre autres les règles de compatibilité électromagnétiques (EMC : Electro Magnetic Compatibility).


58

IV .3 Les modulations de base : IV 3.1 Modulation de fréquence ou FSK (Frequency Shift Keying)

Figure IV.6 En modulation de fréquence, les niveaux logiques sont représentés par la variation de la fréquence de la porteuse. Par exemple : La modulation FSK est utilisée pour des transmissions à faible débit sur le réseau téléphonique commuté. IV.3.2 Modulation de phase ou PSK (Phase Shift Keying):

Figure IV.7 La modulation de phase associe à un code binaire une valeur de la phase de la porteuse. La vitesse peut être facilement augmentée en utilisant un code binaire sur 2, 3 bits ou plus sans augmentation de la fréquence de la porteuse.


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

La modulation d’amplitude s’applique en faisant varier l’amplitude du signal en fonction des bits à coder. Par exemple :

Figure IV.8

A noter que la modulation d’amplitude est la seule utilisable sur fibre optique, car les équipements utilisés actuellement ne sont pas en mesure d’appliquer une autre modulation sur les ondes lumineuses. Dans ce cas, la modulation s’effectue par tout ou rien. Par contre, elle est peu employée sur d’autres supports, car elle provoque une détérioration du rapport signal sur bruit. IV.3.4 Modulation QAM :

La modulation QAM (Quadrature Amplitude Modulation) ou modulation d’amplitude en quadrature de phase est une technique qui emploie une combinaison de modulation de phase et d’amplitude. Elle est largement employée par les modems pour leur permettre d’offrir des débits binaires élevés. Prenons par exemple un signal modulé QAM avec 3 bits transmis par baud. Une telle modulation requiert donc 2 3 soit 8 combinaisons binaires différentes. Dans notre exemple, nous prendrons 2 amplitudes combinées avec 4 décalages de phase différents. La table de correspondance pourra être du type :


60

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

Figure IV.9

Les combinaisons possibles en modulations QAM sont souvent représentées par une constellation de points représentant chacun un groupe de bits.


61

Figure IV.10 : Exemple de constellation QAM8 (3 bits par baud) Dans une constellation QAM, l’éloignement du point par rapport à l’origine indique l’amplitude, son angle indique le décalage de phase. Chacun des canaux définis par le multiplexage DMT

(Discrete MultiTone)

en ADSL est modulé en QAM sur 15 bits au

maximum. 32768 combinaisons d’amplitudes et de décalages de phase sont donc nécessaires. Il existe également une variante de la modulation QAM, la modulation codée en treillis TCM (Trellis Coded Modulation). Ce type de modulation est utilisé pour les modems rapides (V32, V34, V90). IV .4 Type de transmission : IV .4.1 Transmission asynchrone : 

Les transmissions asynchrones se réalisent pour des systèmes de transmission possédant chacun chacun une horloge différente



En transmission asynchrone, La transmission n'est donc pas continue mais par paquets séparés par des "silences" "silences"


62

Figure IV.11 IV. 4.2 Transmission synchrone

Pour s'affranchir des erreurs de bits répétées ou ratées, l'émetteur et le récepteur doivent avoir rigoureusement la même horloge.

Figure IV.12 IV.5 Les techniques de multiplexage IV.5.1 Multiplexage TDM:

Le multiplexage TDM (Time Division Multiplexing) ou MRT (Multiplexage à répartition dans le temps) consiste à af


63

fecter à un utilisateur unique la totalité de la bande passante pendant un court instant et à tour de rôle pour chaque utilisateur.

Figure IV.13 : Schéma de principe d’un multiplexage à répartition dans le temps

Le multiplexage TDM permet de regrouper plusieurs canaux de communications à bas débits sur un seul canal à débit plus élevé. 2) Electronique (ETDM):

L’ETDM (Electronic Time Division Multiplexing). le codage RZ et " l'assemblage " des données se font électriquement (Figure I- 14).

Figure IV.14: Synoptique du multiplexage multiplexage ETDM.


64

Le haut débit obtenu est ensuite utilisé pour la modulation du courant de polarisation d'une diode laser et il n'y a qu'un seul signal lumineux émis. Cette étape est schématisée sur la Figure IV-15 par la présence de trois circuits électroniques et d'un multiplexeur électronique(circuit rapide).

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

On retrouve ce type de multiplexage temporel sur les canaux T1 aux Etats-Unis qui regroupent 24 voies à 64 Kbits/s en une voie à 1,544 Mbits/s ou sur les canaux E1 en Europe qui regroupent 30 voies analogiques en une voie à 2,048 Mbits/s. Les canaux T1 ou E1 peuvent être multiplexés entre eux pour former des canaux à plus hauts débits (Figure IV- 16). Cette hiérarchie des débits est appelée hiérarchie numérique plésiochrone ou PDH PDH (Plesiochronous Digital Hierarchy).


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

Cette technique présente toutefois un inconvénient dans le cas de la PDH. L'accès ou l'insertion d'une information dans un canal E4 oblige à démultiplexer l'ensemble du train numérique. De même les technologies SONET (Synchronous Optical NETwork) et SDH (Synchronous Digital Hierarchy) utilisées comme techniques de transport dans les réseaux téléphoniques des grands opérateurs pratiquent un multiplexage temporel pour assembler plusieurs lignes en une une seule ligne de débit supérieur. IV.5.2 Multiplexage fréquentiel (FDM, Frequency Division Multiplex :

ncienne hiérarchie de la téléphonie analogique, la transmission ne s’effectue pas en

Α

Bande de base mais avec différentes translations de fréquence sur

un même support

Physique, chaque canal étant associé à une bande de fréquence et une porteuse (10 000 Voies entre 4 et 60 Mhz): défavorable en numérique.


66

Figure IV.17

IV.5.2 Multiplexage WDM/DWDM

A l’inverse de la technologie TDM qui n’utilise qu’une seule longueur d’onde par fibre optique, la technologie WDM (Wavelength Division Multiplexing) met en œuvre un multiplexage de longueurs d’onde. L’idée est d’injecter simultanément dans une fibre optique plusieurs trains de signaux numériques sur des longueurs d’ondes distinctes. La fibre optique se prête bien à ce type d’usage car sa bande passante est très élevée : de l’ordre de 25 000 GHz. Elle présente donc un fort potentiel au multiplexage de très nombreux canaux sur de longues distances. La norme ITU-T G692 définit la plage de longueurs d’ondes dans la fenêtre de transmission de 1530 à 1565 nm. L’espacement normalisé entre deux longueurs d’ondes est de 1,6 ou 0,8 nm. La fibre optique utilisée est de type monomode.


67

Figure IV.18

Peigne des fréquences en DWDM

La technologie WDM est dite DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing) lorsque l’espacement utilisé est est égal ou inférieur à 0,8 nm ou lorsque plus de 16 canaux sont utilisé. Des tests ont déjà été effectués avec des espacements de 0,4 et 0,2 nm. L’utilisation d’une fibre peut-être unidirectionnelle ou bidirectionnelle.

Figure IV.19: DWDM unidirectionnel et bidirectionnel Les systèmes commercialisés aujourd’hui proposent 4, 8, 16, 32 et même 80 canaux optiques à 2,5 Gbit/s par canal. Les débits atteints avec de tels systèmes sont de 10, 20, 40, 80 et même 200 Gbit/s. Un système à 16 canaux de 2,5 Gbit/s, soit 40 Gbit/s permet l’acheminement de 500 000 conversations téléphoniques simultanément sur une seule paire de fibre optique. . Il faut également s’attendre à un accroissement du débit offert sur chaque canal qui pourrait rapidement atteindre 10 Gbit/s.


68

Figure IV.20: Principe d’une liaison WDM/DWDM Un des éléments clefs est l’amplificateur à fibre dopée erbium, EDFA (Erbium Doped Fiber Amplifier). Il compense les pertes d’insertion dues aux multiplexage/démultiplexage des longueurs d’onde. Il permet également une réduction du bruit. Ce type de technologie nécessite des amplificateurs tous les 50 à 100 km. Ceci est dû à des phénomènes non linéaires qui se développent lors de la propagation du signal dans la fibre et qui introduisent des risques de diaphonie et de mélange des canaux. Les travaux récents du C.N.E.T (Centre National d’Études en Télécommunications) sur la transmission soliton montrent que l’on peut repousser cette limite à 1000 kilomètres. Un soliton est une onde qui se propage sans déformation remarquable de sa forme ni variation de sa vitesse. Ce phénomène a été remarqué pour la première fois sous la forme d’une vague dans un canal, mais il existe dans de nombreux domaines, dont la lumière. Chaque train de signaux numériques est véhiculé sur sa propre longueur d’onde comme sur une seule fibre. Ils peuvent dont être de débits et de formats différents.

Figure IV.21 Indépendance des débits et formats de chaque canal en WDM


69

On peut trouver par exemple sur une même fibre optique et véhiculés simultanément de la voix dans des trames SDH, de la vidéo dans des cellules ATM, des données dans des trames IP, etc. WDM est une technologie de transport indépendante des protocoles utilisés. Elle est donc capable de multiplexer sur une fibre optique ce que l’on sait faire transiter unitairement sur ce type média.

Figure IV.22

Chaque canal peut être attribué à un usage particulier. Il est ainsi possible dans le cas d’un réseau métropolitain ayant une architecture physique en anneau de déployer à travers différents canaux des structures logiques maillées, en bus, point à point, en anneau ou en diffusion. L’attribution d’une longueur d’onde pour une utilisation donnée se fait par reconfiguration logicielle du système et ne nécessite aucune modification matérielle. Les enjeux de cette technologie sont importants. Jusqu'à présent le développement des réseaux de télécommunications était basé sur l’utilisation des technologies de type SONET/SDH/TDM. Mais les besoins en bande passante ont dépassé les prévisions. Le câble transatlantique Gemini a ainsi saturé dès 1997, alors que cela n’aurait pas dû se passer avant 2001. Les opérateurs installent en moyenne des réseaux de 12, 24 voire 48 paires de fibres. La technologie DWDM va permettre de multiplier par au moins 16 la bande passante passante disponible sur ces ces réseaux.


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Il faut noter que d’autres composants sont essentiels au développement des réseaux optiques pour qu’ils deviennent " tout optique ", il s’agit des multiplexeurs à insertion/extraction optiques, des brasseurs optiques et des commutateurs optiques.

Schémas de principe d’un multiplexeur à insertion/extraction optiques Figure IV.23

(Optical Add Drop Multiplexing : OADM)

Schéma de principe d’un brasseur optique Figure IV.24 :

(Optical Cross-Connect : OXC)

Ces fonctions sont aujourd’hui encore assurées par du matériel électrique; mais le temps de conversion des signaux électriques en signaux optiques et inversement est important. Une meilleure exploitation de la fibre et de DWDM passe donc par la mise en place de réseaux tout optiques.


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72


72

Introduction : Ce chapitre représente le corps de notre travail pratique qui a pour but d’étudier la qualité de la transmission en fonction de de différents types de codage, dans notre cas nous avons choisi les deux types de codages suivants : NRZ, HDB3. Pour illustrer la qualité da la transmission dans les deux types de codages précédents, nous avons effectué nos essais sur une liaison point à point a haut débit dans un premier niveau un débit de 2.5 Gbit/s et dans autre un débit de 10 Gbit/s. La liaison est composée de trois principaux blocs : l’émetteur, la ligne de transmission et le récepteur.

Les paramètres paramètres de ces composants sont définis comme suit : 1/ L’émetteur :

L’émetteur est composé par les éléments suivants : ¾ L’entrée est une séquence binaire aléatoire :

¾ Codeur non retour a zéro inversé (NRZ-I) :


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¾ Codeur HDB3

¾ L’alimentation du laser est un courant laser :

¾ Laser systeme :


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¾ Modulateur électro-absorption :

2/La ligne de transmission : ¾ Fibre optique monomode


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3/le Récepteur : ¾ Photodiode - PIN

¾ Filtre électrique a basse fréquence

¾ La sortie :


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Interprétation des résultats : D’après les résultats obtenue on les traites a l’aide de : niveau de chaque point dans la ligne. 9 La transformée de Fourier au niveau 9 La densité spectrale de puissance au niveau d’entrer et la sortie. 9 Concernons le diagramme de l’œil on a fait une comparaison entre les débits

2.5 Gbits/s et 10Gbits/s, d’une liaison codé en premier premier temps avec NRZ et en second temps avec HDB3 ; avec et sans compensation

Simulation I: Liaison point à point à haut débit débit à 2.5 Gbits/s et 10 Gbits/s codé par NRZ. I.1) Sans compensation

Cette simulation permet d'illustrer une comparaison entre une liaison optique point à point de débit 2.5Gbits/s et 10Gbits/s codée par NRZ.

On a réalisé le schéma suivant:

Schéma bloc de la liaison de simulation


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a) Diagramme de l’œil : ¾ Liaison à 2.5Gbits:

¾ Liaison à 10Gbits :

En l'absence de bruit (10Gbits/s), l'oeil est ouvert, si bien qu'il serait possible de détecter les données sans erreur en plaçant un seuil de décision entre les deux valeurs extrêmes. En 2.5Gbits/s on observe des traces brouillées et élargies et la dégradation de la probabilité d'erreur due à l’interférence entre symboles est d'autant plus grande que l'oeil est pas bien ouvert.


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b) Densité spectrale de puissance :

D’après notre simulation on trouve les graphes au dessus, aux niveau les blocs suivants : 9 l’entre 9 laser 9 modulateur 9 la sortie


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c) Transformation de Fourier au niveau de chaque bloc :

Apres la modulation du signal d’entrée codes en NRZ avec un signal laser, on aura un signal lumineux mais bruité par apport au signal d’entrée ; après la transmission, le signal lumineux aura subit plus de bruit, une fois arrivé au photoditecteur PIN, il se converti de la forme lumineuse a celle électronique. Et pour un meilleur signal à la sortie quasi identique à celui de l’entrée, on filtre le bruit à la sortie.


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I.2) Avec compensation :

Cette simulation permet d'illustrer une comparaison entre une liaison optique point à point à haut débit (2.5Gbits, 10Gbits) codé par NRZ. On a réalisé le schéma suivant:

Schéma bloc de la liaison de simulation a) Diagramme de l’œil : ¾ Liaison a 2.5Gbits :



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La première fibre introduite de la dispersion, qui élargit les impulsions. La deuxième fibre est de dispersion négative et permet, en ajustant sa longueur, de compenser exactement la dispersion accumulée dans la première fibre. Alors une diminution de bruit qui est exprimé par l’ouverture de l’oeil donc amélioration en qualité de transmission.


Les graphes ces dessus représentes la DSP, au niveau de : 9 l’entre 9 laser 9 modulateur 9 la sortie


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c) Transformation de Fourier au niveau de chaque bloc:

Apres la modulation du signal d’entrée codes en NRZ avec un signal laser, on on aura un signal lumineux mais bruité par apport au signal d’entrée ; après la transmission, le signal lumineux aura subit plus de bruit, pour le minimiser, on place un morceau de fibre dit fibre de compensation qui élimine la dispersion chromatique de la ligne , une fois arrivé au photoditecteur PIN, il se converti de la forme lumineuse a celle électronique. Et pour un meilleur signal à la sortie quasi identique à celui de l’entrée, on filtre le bruit à la sortie.

Simulation II: Liaison point point à point à haut débit débit à 2.5Gbits et 10Gbits codé par HDB3. II.1) Sans compensation

Cette simulation permet d'illustrer une comparaison entre une liaison optique point à point à haut débit (2.5GHZ, 10GHZ) codé par HDB3.


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On a réalisé le schéma suivant:

Schéma bloc de la liaison de simulation Analyse : a) Diagramme de l’œil : ¾ Liaison à 2.5Gbits :



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D’après notre simulation on trouve les graphes au dessus, aux niveau les blocs suivants : 9 l’entre 9 codeur 9 laser 9 modulateur 9 la sortie


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c) Transformation de Fourier au niveau de chaque bloc :

Apres la modulation du signal d’entrée codes en HDB3 avec un signal laser, on aura un signal lumineux mais bruité par apport au signal d’entrée ; après la transmission, le signal lumineux aura subit plus de bruit, une fois arrivé au photoditecteur PIN, il se converti de la forme lumineuse a celle électronique. Et pour un meilleur signal à la sortie quasi identique à celui de l’entrée, on filtre le bruit à la sortie.

II.2) Avec compensation

Cette simulation permet d'illustrer une comparaison entre une liaison optique point à point à haut débit (2.5Gbits, 10Gbits) codé par HDB3. HDB3. On a réalisé le schéma suivant:


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Schéma bloc de la liaison de simulation II.2.1) Diagramme de l’œil : ¾ Liaison à 2.5Gbits :



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On voie que les résultats obtenus avec le code NRZ dans tous les cas (débit différent, avec et sans compensation) sont plus performent au résultats obtenue avec le code HDB3.on ce base à l’ouverture de l’œil

II.2.2) Densité spectrale de puissance :

Les graphes ces dessus représentes la DSP, au niveau de : 9 l’entre 9 codeur 9 laser 9 modulateur 9 la sortie


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II.2.3) Transformation de Fourier au niveau de chaque bloc :

Apres la modulation du signal d’entrée codes en HDB3 avec un signal laser, on aura un signal lumineux mais bruité par apport au signal d’entrée ; après la transmission, le signal lumineux aura subit plus de bruit, pour le minimiser, on place un morceau de fibre dit fibre de compensation qui élimine la dispersion chromatique de la ligne , une fois arrivé au photoditecteur PIN, il se converti de la forme lumineuse a celle électronique. Et pour un meilleur signal à la sortie quasi identique à celui de l’entrée, on filtre le bruit à la sortie.


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Conclusion

Cette simulation permet de démontrer le code le plus performant pour la liaison point a point à des débits différents 2.5Gbit/s et 10Gbits/s, en utilisant la technique de la fibre de compensation pour minimisé minimisé la dispersion. On utilise cette technique pour pour obtenir une meilleure qualité de transmission, d’après les résultats de simulation on a conclus que le code NRZ répond à ces besoins car il est riche de transition ce que permette la récupération du signal d’horloge.


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Conclusion

Conclusion Après cette étude, nous avons sortir avec des résultats importantes parmi lesquelles: 

L’étude des liaisons point à point optique nécessite une étude sur chacun des des éléments intervenants dans la chaîne de transmission, ce qui permet de voir les caractéristiques du signal transmis.



la fibre permette le transport de débits nettement supérieurs à ceux que peuvent véhiculer les autres supports, et ceci avec une meilleure qualité de transmission.



Les composants optiques optiques sont les moteurs de la révolution des réseaux optiques qui qui tendent vers le tout-optique avec ses optimums performances (énormes capacités, défauts optimisés,…).



Le développement des télécommunications à haut débit par fibre optique nécessite la mise au point de dispositifs de plus en plus rapides, à large bande et fonctionnant dans la plage spectrale des amplificateurs à Erbium



ce projet de fin d’études, présente ainsi, des résultats théoriques et pratiques (simulation sur COMSIS) expérimentaux concernant le codage de l’information sur la transmission de données par voie optique.


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Bibliographie


i

Bibliographie

Documentations [1] Optoélectronique

E. ROSENCHER et B. VINTER Masson, 1998

[2] Les télécommunications par fibres optiques

I. et M. JOINDOT Dunod, 1996

[3] Techniques des ingénieurs

I. et M. JOINDOT TE 7 115, 1999

[4] transmission sur fibres optiques

Y.SUMATSU MASSON 1984

[5] Télécommunications optiques

Z.SIDI ALI MEBAREK O .P.U, 2001

[6] [6] Technologie des télécoms

P.LECOY Hermès,1995

[7] Câble à fibres optiques

Günther M. / Peter G. Siemens 1989

Mémoires de fin d’études [8] PFE Institut des télécommunications d’Oran, Promotion Etudes des liaisons par fibre optique à haut débit

IGE 24

[9] PFE Institut des télécommunications d’Oran, Promotion Le Routage optique dans les liaisons à haut débit WDM-DWDM

IGE 23


ii

Bibliographie

Sites Internet [10] www.palms.univ-rennes1.fr. [11] [11] www.unice.fr . [12] www.fsg.ulaval.ca [13] www.telcite.fr [14] www.bibsciences.org [15] www. perso.wanadoo.fr www. perso.wanadoo.fr [16] www.iut-lannion.fr. [17] www.fsg.ulaval.ca


iii

Annexe


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Annexe

I. Présentation générale COMSIS (COMmunication System Interactive Software) est un logiciel de simulation des systèmes de télécommunications. Ses principales fonctionnalités sont : -

Analyse statistique ;

-

Analyse spectrale ;

-

Synthèse de filtres analogiques et numériques ;

-

Simulations linéaire et non linéaire

-

Etudes paramétriques.

Les simulations que nous mettrons en oeuvre comportent principalement les étapes suivantes : •

Chaque élément du système étudié, par exemple une liaison point à point, est décrit individuellement, soit par ses paramètres "système", soit par ses paramètres "physiques".

Par exemple, une diode laser peut être décrite par sa longueur d’onde, son courant de seuil, son rendement, …, soit par la durée de vie des photons, le volume de la couche active,… •

On accède aux modèles (composants, sous-systèmes, canaux de propagation…) par le menu déroulant Modele.


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Annexe

•

On assemble les différents éléments au moyen de fils de connexion. On place des variables intermédiaires pour la visualisation à la sortie de chaque module et on les nomme. On spécifie une variable de sortie. Ces fonctions sont accessibles au niveau de la barre des tâches principale. La flèche de sélection/désélection permet de capturer une partie quelconque du schéma, de la déplacer, de la copier/coller, ou de la supprimer.

•

A ce stade, il est possible de visualiser le système décrit lors des étapes précédentes.

Une fenêtre contextuelle, dite mode alphanumérique, permet de visualiser : -

Les équations du système ;

-

Les paramètres du système ;

-

La nature du système (continu ou échantillonné).

•

La partie simulation proprement dite est accessible par le menu Analyse. Nous utiliserons principalement pour l’étude des chaînes de communications optiques, les options Analyse Analyse Statique et Analyse Temporelle. Temporelle.


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Annexe

- Analyse Statique : Cette fonctionnalité du logiciel permet l’étude des caractéristiques d’entrée-sortie des éléments individuels du système simulé. Par exemple, on visualise la caractéristique puissance optique/courant, la réponse en fréquence à une modulation d’amplitude d’une diode laser, l’atténuation ou la dispersion d’une fibre optique… - Analyse Temporelle : Le système est simulé dans le temps. La pertinence de l’étude repose sur le choix et la description des différents éléments, ainsi que sur la nature de l’entrée et de l’ensemble des variables intermédiaires.

A ce stade, il n’est pas rare que l’on ne sache pas répondre d’emblée à toutes les questions : il est alors possible de faire appel à l’aide contextuelle de la fenêtre alphanumérique ou des fenêtres de définition défi nition des modèles. Une explication explic ation sur la procédure à suivre s uivre ou la nature des paramètres à renseigner est alors fournie.

•

La visualisation des résultats s’effectue au moyen d’une fenêtre graphique contextuelle qui offre des possibilités de configurations graphiques assez complètes. Un traitement des courbes et grandeurs visualisées est accessible par le menu Dialogue de la fenêtre graphique.


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Annexe

•

Après l’étape de simulation temporelle, plusieurs options et outils sont disponibles pour l’évaluation des performances de l’ensemble :

- La fenêtre Evaluation des performances offre la possibilité de visualiser l’entrée, les variables intermédiaires et la sortie pendant la durée de simulation (Visualisation Globale) ou bien sur une fraction limitée de celle-ci (Visualisation tronquée), etc.… - Lorsque l’un des choix est effectué, par exemple Visualisation Globale, la fenêtre Variables et Prétraitements à visualiser permet de choisir entre une visualisation temporelle simple de la variable sélectionnée (Réponse temporelle), sa fonction d’auto-corrélation, son diagramme de l’oeil, sa puissance…


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Annexe

En résumé :

- On décrit l’ensemble des éléments du système à étudier ; - L’analyse statistique fournit un certain nombre de courbes caractéristiques des éléments du système ; - L’analyse temporelle permet la simulation paramétrique du système à une entrée spécifiée, et s’appuie sur des outils de visualisation et d’analyse des résultats.

II. Traitement mathématique des signaux Les signaux que l’on rencontre dans l’analyse des systèmes de télécommunications constituent des grandeurs physiques qui sont, par nature, toujours analogiques. La simulation est effectuée sur un calculateur numérique. Elle est, par conséquent, une opération où l’on ne manipule que des suites de nombres. Si l’on veut traiter un signal analogique par voie numérique, il faut le représenter au préalable par une suite de valeurs ponctuelles, prélevées régulièrement ou irrégulièrement. Cette opération d’échantillonnage doit cependant vérifier certaines conditions afin d’assurer une représentation correcte des phénomènes à simuler. Pour les signaux de spectre à support borné (de 0 à f max max), le théorème d’échantillonnage de Shannon montre que l’on peut décrire entièrement le signal par la suite complète de ses valeurs instantanées, prélevées à intervalles réguliers de durée inférieure à1/(2.f max max). Une application aveugle de ce théorème conduit, lorsque le signal est en bande étroite (de spectre compris entre f min min et f max max) à une cadence d’échantillonnage supérieure à 2.f max max. Dans le cas d’une transmission basses fréquences ou hyperfréquences, le nombre d’échantillons à traiter reste raisonnable. Par contre, cette condition remet totalement en question la simulation des systèmes optiques dont les fréquences porteuses sont de l’ordre de 10 15 Hz. La représentation par enveloppe complexe apporte une réponse à ce problème. Elle est utilisée par le logiciel COMSIS pour la représentation des signaux optiques. Fondée sur le concept de signal analytique, elle n’a de sens que pour des signaux dont la caractéristique fréquentielle, spectre ou transformée de Fourier, présente la propriété d’être concentrée dans une certaine bande de fréquence ([f min min ; f max max]). Ces signaux sont dits à bandes étroites ou quasi monochromatiques. Considérons un signal x(t), de fréquence porteuse f 0. Deux approches sont possibles pour le décrire :


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Annexe

- Sa représentation temporelle classique x(t) ; - Sa représentation en enveloppe complexe :

Exemple : Une visualisation temporelle directe du signal sLAS délivrée par le laser de la chaîne de communication présentée au début de ce document conduit à une double représentation graphique de sLAS-p et sLAS-q. En revanche, la puissance de sLAS, qui est une grandeur modulée au débit binaire imposé par le générateur de bits placé en entrée, peut être visualisée directement dans le temps, car c’est une grandeur décrite en bande de base.

II. COMSIS pour les télécommunications optiques Le logiciel COMSIS permet une étude assez simple de nombreux aspects des systèmes de télécommunications par fibre optique. Nous ferons, bien évidemment, appel aux composants de la bibliothèque des modules optiques :


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Annexe

On trouve essentiellement, dans cette bibliothèque : - Des entrées optiques : conversion impulsion – gaussienne, conversion impulsion – soliton… - Des sources optiques : lasers, laser à cavité externe… - Une fibre optique ; - Des amplificateurs optiques : à semi-conducteur, dopé à l’erbium… - Des composants pour le multiplexage en longueur d’ondes : entrée WDM, multiplexeurs… - Des réseaux de Bragg, des filtres… - Des photodétecteurs : photodiode à avalanche, photodiode pin…


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(2) Transmission Optique

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