La dispersion chromatique et intermodal
I.
Introduction :
Depuis
quelques années, la fibre optique, après avoir supplanté le câble coaxial, est
devenue un des média les plus utilisés pour transporter tous types de données
(audio, vidéo, Internet). Ce choix est dû aux efforts soutenus des chercheurs
dans le domaine des télécommunications optiques.
La fibre optique offre une vitesse de
transmission très élevé, un mode de transmission faiblement atténué ainsi
qu’une très grande bande passante et un multiplexage de plusieurs signaux
(Fibres multi modes); Tout en ayant un faible poids, une petite taille ainsi
qu’une grande souplesse.
· Principaux avantages
- Débit d'informations élevé.
- Faible atténuation, transport sur des longues distances.
- Pas de problème de mise à la terre.
- Très faible atténuation sur une grande plage de fréquence
- Faible coût de fabrication
- Faible encombrement
- Insensibilité aux perturbations électromagnétiques
II.
Les différents types de
fibres :
Les fibres optiques se divisent en
deux grandes familles :
1)
Les fibres monomodes :
Dans une fibre optique monomode, le cœur est très fin ce qui
permet une propagation du faisceau laser presqu’en ligne droite. De cette
façon, elle offre peu de dispersion du signal et celle-ci peut être considérée
comme nulle. Aussi, la bande passante est presque infinie, supérieur à 10 Gb/s.
Elle est très utilisée pour les liens de très longues distances. Le petit
diamètre du cœur des fibres nécessite une grande puissance démission qui est
délivrée par des diodes laser.
2) Les fibres
multimodes
Dites MMF, Multi Mode Fiber, ont été les
premières sur le marché. Elles ont pour caractéristiques de transporter
plusieurs modes. Elles sont utilisées uniquement pour des bas débits ou de
courtes distances. Elles sont caractérisées par un diamètre de cœur de
plusieurs dizaines à plusieurs centaines de micromètres (les cœurs en multi
modes sont de 50 ou 62,5 µm pour le bas débit).
Il existe deux types :
·
Fibre optique multi mode a saut
d’indice
Ce type de fibre optique possède une région du cœur uniforme relativement
large comparativement à la gaine. Le cœur est composé de verre (SiO2) dopé.
Elle est efficace sur de courtes distances parce qu’elle déforme le signal par
le principe de dispersion, ce pas à toutes les applications. Elle est donc
limitée dans sa bande passante. Le faisceau laser se propage en ligne droite et
se réfléchit sur les parois de la gaine qui a un indice de réfraction inférieur
au cœur.
Le
cœur de la fibre optique à gradient possède des couches de verre successives.
Ces couches modifient graduellement l’indice de réfraction. Ainsi, plus le
faisceau laser s’éloigne du centre plus l’indice de réfraction diminue. La
propagation est approximativement une onde sinusoïdale dans le cœur de la fibre
optique. Elle est la plus utilisé pour les moyennes distances. Un des avantages
est que la dispersion nodale est diminuée avec cette fibre. Il y a donc une
meilleure réception du signal.
III.
Dispersion :
La Dispersion au sens large est un étalement ou un élargissement des pulses
lumineux lors de leur propagation le long d’une fibre.
Toutes formes de dispersion dégradent la qualité du signal et réduit la capacité de transport d’information à travers un réseau analogique ou numérique.
Il existe plusieurs types fondamentaux de dispersion :
- la dispersion chromatique.
- la dispersion intermodale.
- la dispersion de polarisation.
1. Dispersion chromatique :
a)
Définition :
La dispersion chromatique est exprimée en ps/ (nm·km)
et caractérise l'étalement du signal lié à sa largeur spectrale (deux longueurs
d'ondes différentes ne se propagent pas exactement à la même vitesse). Cette
dispersion dépend de la longueur d'onde considérée et résulte de la somme de
deux effets : la dispersion propre au matériau, et la dispersion du guide,
liée à la forme du profil d'indice. Il est donc possible de la minimiser en
adaptant le profil.
- La dispersion du matériau (le verre) :
- Dépend du type de verre (impuretés, etc.).
- Dépendance non linéaire entre l’indice du matériau, la longueur d’onde et la vitesse de group
- La dispersion du guide d’onde (la fibre) :
b)
Généralité :
On définit l’élargissement dans la
dispersion chromatique par Dtc au bout d'une longueur L de fibre :
Dtc = Dc L Dλ
Avec Dλ
largeur spectrale de la source.
Dc coefficient de
dispersion chromatique, dépend des paramètres de la fibre et de la longueur
d'onde. On peut le calculer par :
Dc = dt/Dλ qui s'exprime en ps/nm/km et se décompose en :
Dc = DM + DG
Avec :
Dc
: c’est la dispersion chromatique
DM
: c’est la dispersion du matériau due à la variation de son indice avec λ
DG : c’est la dispersion du
guide qui est en fonction de la différence d’indice et le diamètre du cœur.
c)
Différent méthodes de mesure :
Il existe plusieurs méthodes pour mesurer la dispersion chromatique :
- Méthode du temps de vol :
o
Mesurer
le temps relatif entre les impulsions de différentes longueurs d’ondes.
o
Demande
beaucoup de précision quant au temps d’arrivée des impulsions.
- Méthode de délai d’impulsion :
o
On mesure la
différence de temps entre les impulsions optiques des diverses longueurs
d’ondes en utilisant un émetteur de multiples-longueurs d'ondes à une extrémité
de la fibre et d'un récepteur à l'autre extrémité (ou à la même extrémité en
utilisant un OTDR.
o
Une
manière simple d'appliquer cette méthode est d'avoir une banque de quatre à
huit lasers qui peuvent être activées par un générateur d'impulsion simple.
o
La
première longueur d'onde de laser est employée comme délai de référence et
comparée avec les autres temps de transmissions pour les autres longueurs
d’ondes.
o Les points obtenus sont reliés pour tracer la courbe finale de dispersion chromatique.
- Méthode du décalage de phase :
- Méthode du décalage de phase différentielle :
o Mesurer les changements relatifs de phase (relativement à une référence fixe) du signal détecté.
o
Emploi d’une référence
locale électrique de phase
o
Exige la communication
entre la source et le récepteur
o
Emploi d’une des
longueurs d'onde transmises comme référence
o
On évite le besoin de
communication, mais on y induit d'autres limites.
o En changeant la longueur d'onde, les diverses informations de phase sont recueillies et comparées à la phase de la référence
Méthode différentielle :
2. Dispersion intermodale :
a) Définition :
A l’entrée de la fibre optique, on envoi une impulsion lumineuse
infiniment étroite. (Dirac)
Cette impulsion excite tous les modes de propagation de la fibre
(0<θn<θL)
A la sortie de la fibre, on constate que l’impulsion s’est élargie
dans le domaine temporel.
C’est le phénomène de dispersion intermodale.
Dans les fibres monomode, il n'y a qu'un seul mode de propagation donc il n'aurait aucun effet de dispersion intermodale.
Dans les fibres à gradient d'indice, on peut faire varier la vitesse du rayon en fonction du chemin pris en changeant la valeur de l'indice sur chaque point de la fibre. Il faut seulement bien étudier le profil d'indice pour minimiser les différences sur les temps de propagation des différents modes de propagation.
b) Généralité :
L'obtention d'une dispersion intermodale réduite se fait en minimisant ∆ (différence relative d'indice)ou en utilisant une fibre à gradient d'indice. En effet, dans ce cas-là, l'indice de réfraction n1 du cœur décroît avec le rayon de celui-ci de sorte que les rayons axiaux (à trajet court) voient un indice élevé (leur vitesse c/n est alors réduite) tandis que les rayons périphériques (à trajet long) voient un indice plus bas (vitesse accrue).
c) Différent méthodes de mesure :
o
Méthode de la distorsion de l’impulsion
o
Méthode de la mesure en domaine fréquentiel.