1- Introduction :
Le principe de toute transmission de données est de faire circuler des informations entre un émetteur et un récepteur en minimisant les risques de déformation du signal reçu, de façon à assurer une fiabilité maximale du transfert de l'information. Dans le l e cas dune transmission par fibre optique, le signal est tout d'abord codé ou modulé suivant une séquence connue qui peut être contrôlée à la réception. Ce signal est injecté dans la fibre optique par l'intermédiaire de l'émetteur. À la sortie de la fibre, le signal est reçu sur une photodiode puis amplifié avant d'être décodé pour être remis sous sa forme initiale. Dans cet exposé nous allons évoquer le problème des pertes pert es et datténuation dans la fibre optique, les causes et les conséquences qui en résultent. 2. La fibre optique : 2.1. Principe:
Le principe de la transmission de la lumière à l'aide d'une fibre optique est simple: un matériau transparent d'indice de réfraction n1, de forme cylindrique, est entouré d'un matériau d'indice n2 avec n1 > n2 .Si la lumière pénètre dans le cur de l a fibre avec un angle suffisamment petit, elle subit une réflexion totale à la surface qui sépare le cur de l a gaine, et elle se propage en zigzag le l e long de l'axe de la l a fibre, suite aux réflexions successives. 2.2. Types de fibres:
Suivant les dimensions du cur et les valeurs des indices n1et n2, on peut classer les fibres en deux catégories : soit
3. Pertes et atténuation dans la fibre optique : Une
perte, ou atténuation se traduit en fibre optique par la perte dénergie lumineuse dans la fibre. Elle est mesurée en dB/Km. Les longues portées utilisées avec les fibres optiques influent directement sur le signal lumineux, mais ce nest pas la seule cause datténuation qui existe, en effet, labsorption, la diffusion, les courbures et les pertes de connectiques sont les principales causes de latténuation. La dispersion chromatique et la dispersion modale sont deux phénomènes qui causent la perte du signal. la figure ci-dessous montre les différents types datténuation et des pertes.
Figure.1.
Les différents types de pertes
Atténuation linéique :
Lorsquon injecte, à lentrée dune fibre optique, o ptique, une puissance Pe= P(0) sous forme dune onde électromagnétique, cette puissance décroît décroît avec la longueur L d e la fibre optique en fonction de l'atténuation linéique dB/km, et à la sortie, so rtie, on récupère la puissance Ps = P(L). (figure.2)
'' dépend du matériau (plastique, silice,...) et de la longueur d'onde . (figure.3)
Figure.3
Figure.2
Pour la figure.3, on définit 3 fenêtres de transmission : - Les fenêtres 1 et 2 résultent d'un compromis technico-économique entre l'atténuation apportée par la fibre et les composants optoélectroniques utilisés en fonction des d es applications. - La fenêtre 3 correspond à l'atténuation minimale mais exige des composants optoélectroniques très performants, elle est réservée aux applications à haut débit et longues distances. Perte par injection:
La fibre optique accepte les rayons compris dans le cône d'entrée limité par son ouverture numérique et par conséquent les rayons, émis par la source lumineuse, non inclus dans ce cône, seront perdus. Le rapport entre la puissance lumineuse reçue par la fibre Pr et la puissance lumineuse Pe émise par la source de lumière (diode DEL, diode Laser) s'appelle coefficient de couplage et se note c. Les pertes par injection sont définies par: Pi(dB)= 10.Log (c) 3.1. Pertes par absorption : 3.1.1. Labsorption intrinsèque : On
peut observer deux types dabsorption : les absorptions dues dues aux vibrations de liaisons li aisons et celles dues aux transitions électroniques. 3.1.1.1. Absorption due aux vibrations de liaisons
Ce mécanisme d'absorption correspond à l'excitation de vibrations du réseau formé parles atomes du matériau. Ce mécanisme d'absorption n'est important que si la fréquence de réquence d'oscillation de la liaison entre les l'onde électromagnétique est voisine de la f réquence atomes, soit la liaison Si-O dans la silice. A cette fréquence de vibration correspond des longueurs d'onde entre 8 et 12 m, soit assez loin dans l'infrarouge. Toutefois, des longueurs d'onde plus courtes contribuent encore faiblement à l'absorption par excitation de vibrations du réseau.
3.1.1.2. Absorption électronique :
Les niveaux d'énergie permis des électrons se trouvent dans des bandes. Les niveaux occupés les plus élevés forment une bande, b ande, appelée bande de valence. A température ambiante, aucun niveau inoccupé n'existe dans cette bande. La bande suivante, formée de niveaux inoccupés, s'appelle la bande de conduction. Elle est séparée de la bande de valence par une bande interdite de largeur Eg. Figure 4
Figure.4
L'absorption due aux transitions électroniques entre la bande de valence et la bande de conduction n'est donc possible que pour pou r des rayonnements électromagnétiques telles que l'énergie des photons soit supérieure à Eg, ce qui correspond à des longueurs d'onde inférieures à :
3.1.2. 3.1.2. Absorption extrinsèque : 3.1.2.1. Sels de métaux de transition :
Ce mécanisme dabsorption est lié à la présence inévitable d'impuretés dans le verre. Ces impuretés sont principalement principalement les atomes métalliques (Fe, Cu, V, Co, Ni, Mn, et Cr) et les l es ions OH provenant de traces d'eau. Les atomes métalliques se trouvent dans le verre sous forme d'ions dont les niveaux d'énergie électroniques sont tels que la lumière utilisée dans les fibres (0,8 - 1,55 m) peut facilement exciter des transitions électroniques. 3.1.2.2. Polluants organiques :
Tous les polluants organiques peuvent être responsables de labsorption optique dun matériau. De ce fait, une purification poussée est nécessaire. Mais labsorption extrinsèque est principalement due à la présence deau, dont la vibration des groupements hydroxyle entraîne une forte atténuation optique. 3.2. Atténuation optique par diffusion : 3.2.1. Diffusion intrinsèque :
Elle causée par la diffusion Rayleigh qui est la diffusion diffusion de la lumière sur les molécules du matériau (la silice), due à des variations locales lo cales de l'indice de réfraction créées par des changements de densité ou de composition apparus au moment de la solidification du matériau. Cette diffusion se traduit par la propagation dune partie de lénergie incidente dans toutes les directions de lespace, ceci en tout point de l a fibre. La courbe ci-dessous traduit cette perte en fonction de la longueur donde.
Figure.5. Diffusion
de Rayleigh
3.2.2. Diffusion extrinsèque :
Cette diffusion est provoquée par les imperfections dans la structure de la fibre. Elle ne dépend pas de la longueur donde et peut être réduite au minimum en améliorant les techniques de fabrication. Ces imperfections peuvent prendre la forme de zones
microcristallines, dinfondus, dagrégats de toutes sortes, de bulles dair, de poussière, dune pollution à linterface entre le cur et la gaine et/ou provenir de variations du diamètre du cur du guide. La figure 6 résume latténuation par absorption et par diffusion. diffusion.
Figure.6.
Atténuation de la lumière dans une fibre optique en sili ce de haute qualité
3.3. Les courbures :
La courbure de la fibre, tant macroscopique (due au câblage) que microscopique (due à la pression d'un revêtement protecteur par exemple) peut entraîner une atténuation de la lumière. Les pertes par courbure macroscopique sont souvent négligeables en pratique, mais les pertes par micro-courbures peuvent augmenter l'atténuation de manière significative si on ne prend pas les précautions nécessaires lors de la fabrication et de la manutention des câbles. Figure 7
Figure.7.
Types de courbures
3 .4. Pertes P ertes de connectique :
Ces pertes sont dues à l a séparation longitudinale, désalignement radial/ angulaire, Excentricité/ellipticité des curs (figure 8).
Figure.8.
Pertes de connectique
4. Amplification du signal : 4.1. But des amplificateurs optiques :
Le rôle des amplificateurs optiques est de permettre de prolonger les distances que lon peut atteindre avec un système de télécommunication. Lamplification permet donc de r estituer le signal atténué. 4.2. Réamplification du signal par voie optique : Un
amplificateur optique est constitué dune fibre optique « particulière » que lon va exciter en lui fournissant de lénergie. Cette excitation va pouvoir donner naissance à un processus damplification comme cela est montré ci-dessous :
Figure.9
L e schéma de principe dun amplificateur optique est donné dans la figur e ci-dessous
Figure.10
Un
amplificateur pour applications aux télécommunications est toujours composé de 3 éléments : - La fibre amplificatrice elle-même. -Une source dexcitation de la fibre. Cette source est typiquement un laser de puissance mW à quelques watt. Ces lasers sont qualifiés de laser de élevée, émettant de la centaine de mW à pompage. - Un multiplexeur qui permet de coupler dans la fibre le signal à amplifier ainsi que le laser de pompe.
5. Conclusion :
Nous avons vu dans ce mini projet les différentes causes de latténuation du signal dans la fibre optique. Lamplification par voie optique permet de restituer le signal dorigine à partir dune fibre amplificatrice et dun laser de pompage.
