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Généralités sur les fibres optiques

Définition

Les fibres optiques sont des conducteurs de lumière. Elles se présentent sous forme de cylindres de verre ou de plastique transparent ayant généralement un diamètre de 125 microns pour les fibres en verre et un millimètre pour celles en plastique. On les emploie dans de nombreux domaines tels que les télécommunications, les réseaux informatiques, le médical, l’automobile, l’avionique, la décoration, la signalisation…

Dans le domaine de la communication, la fibre optique a été le média retenu, depuis des décennies, pour les transmissions de télécommunications de longues distances. Puis, elle a été considérée comme alternative aux câbles en cuivre pour des applications aux exigences particulières. Désormais, les fibres optiques sont de plus en plus utilisées pour les centres informatiques (data centers), le câblage des réseaux locaux des immeubles de bureaux ainsi que la desserte des domiciles des abonnés à Internet. Elles peuvent desservir l’ensemble des postes professionnels ou personnels en transportant des impulsions lumineuses qui correspondent aux signaux provenant des équipements informatiques, téléphoniques ou audiovisuels.

Préjugés et vérités

Jusque vers les années 2000, les fibres optiques ont vu leurs avantages lumineux très souvent obscurcis par des préjugés, des considérations qui avaient pris corps lors de leur arrivée sur le marché. Mais, depuis, la diffusion des connaissances, d’une part, et les avancées techniques, d’autre part, sont en train de remédier à cela. Néanmoins, quatre préjugés restent encore vivaces.

Fragilité

Il est vrai que la fibre nue, construite en verre, est facile à casser en deux. C’est pourquoi elle reçoit une protection sous forme d’un revêtement primaire.

Contrairement aux idées reçues, une fibre ainsi revêtue offre une plus grande résistance à la traction qu’un fil de cuivre ou d’acier de même diamètre. Elle est flexible et résiste aux éléments corrosifs qui attaquent les câbles en cuivre.

Lorsqu’elle est préparée sous forme de câbles, cela lui permet de résister aux agressions mécaniques, physiques ou chimiques. Depuis près de 50 ans, à travers toutes les installations qui ont été réalisées dans des conditions extrêmes - câbles sous-marins, plateformes pétrolières, industries chimiques, carrières, etc. -, la fibre optique...

Définition d’une liaison optique

Une fibre optique est un média de transmission au même titre que le cuivre. Le cuivre transmet l’information grâce aux électrons, pendant que la fibre optique transmet l’information par les photons.

1926 : bonjour les photons

C’est en 1900 que le physicien allemand Max Planck (Kiel 1858 - Göttingen 1947) a introduit en physique l’hypothèse de quantification de l’énergie lumineuse avec la notion de grains de lumière ou quanta, première base de la théorie quantique. C’est en 1926 que ces quanta lumineux ont été appelés photons. Chaque photon, correspondant à la fréquence ν, transporte un quantum d’énergie q tel que q = h x ν où h est la constante de Planck et d’une valeur d’environ 6,626 x 10-34 J.s.

Liaison optique

Pour le transport des photons constituant le signal, l’utilisation d’une fibre optique impose une double transformation :

  • Au départ, le signal électrique est converti en signal lumineux et injecté dans la fibre optique ; le cheminement du signal étant assuré par divers équipements tels que commutateurs, coupleurs, dérivateurs, etc.

  • À l’arrivée, le signal lumineux affaibli est reconverti en signal électrique.

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Schéma d’une...

Avantages des fibres optiques

1. Largeur de bande passante et débit

La capacité de transport d’information croît avec la bande passante du média de transmission et avec la fréquence de la porteuse. Une plus grande bande passante permet ainsi des débits plus importants, c’est-à-dire que le nombre d’informations que l’on peut transmettre par seconde est beaucoup plus important. La bande passante se mesurant en multiples d’hertz par kilomètre, elle est parfois nommée « bande passante kilométrique ».

En ordre de grandeur et suivant leurs caractéristiques, les fibres optiques multimodales proposent des bandes passantes de 500 MHz.km à près de 5 000 MHz.km pour transmettre des débits pouvant atteindre une centaine de gigabits par seconde. Les fibres optiques unimodales offrent des bandes passantes de plusieurs dizaines de gigahertz par kilomètre et assurent la transmission de plusieurs térabits par seconde.

Les niveaux de débits présentés ci-dessus sont des exemples de réseaux en fibres optiques courants. Mais, pour les exploitants de réseaux, c’est plutôt de l’ordre de la vingtaine de térabits par seconde. Comment ? Grâce à l’utilisation simultanée de la technique du multiplexage en longueurs d’onde, en transportant 400 Gbit/s sur 256 longueurs d’onde simultanément (cf. chapitre Multiplexage en longueurs d’onde), et en s’appuyant sur la détection cohérente, des types de modulation très performants tels que la modulation de polarisation, la modulation de phase multiniveaux, la modulation d’amplitude multiniveaux, le tout couplé à un traitement numérique du signal (cf. chapitre Ethernet et fibres optiques).

2. Affaiblissement linéique

Sur une ligne de transmission, la puissance du signal diminue au fur et à mesure...

Principe de fonctionnement des fibres optiques

Afin de mieux comprendre le cheminement de la lumière dans une fibre optique, rappelons tout d’abord quelques données de physique fondamentale qui jouent leur rôle dans ce domaine.

1. Caractéristiques de la lumière

a. Célérité de la lumière et indice absolu d’un milieu

Dans le vide, la célérité de la lumière est d’environ 300 000 km.s-1, ou plus exactement 299 792,458 km.s-1.

Dans l’air, elle est sensiblement la même. Mais, dans une matière translucide comme l’eau, le verre, etc., elle diminue. On appelle indice absolu ni d’un milieu le rapport entre la célérité de la lumière c dans le vide et la célérité vi (vitesse de phase) de la lumière dans ce milieu, soit ni = c / vi.

Par exemple, si l’on considère que la célérité dans le vide est de 300 000 km.s-1 et que, dans l’eau, elle est de 225 000 km.s-1, alors l’indice absolu ou indice de réfraction de l’eau est de 300 000 / 225 000, soit 1,3333.

Où il est question de vitesse

On entend parfois dire : « Dans une fibre optique, la vitesse est bien plus grande que dans le cuivre ». Ceci est erroné car, dans une fibre optique en verre, l’indice absolu est d’environ 1,5, donc la vitesse est de 300 000 / 1,5 soit 200 000 km.s-1. Et dans un câble en cuivre, les électrons, et donc le signal, se déplacent également à environ 200 000 km.s-1 ! De fait, ce qui différencie réellement ces deux supports, ce n’est pas la vitesse mais le débit d’informations transportées qui est sans commune mesure entre le cuivre et la fibre optique, à l’avantage de cette dernière.

À noter qu’il existe des fibres à cœur creux permettant à la lumière de se déplacer à près de 300 000 kilomètres à la seconde.

b. Longueur d’onde et spectre électromagnétique

La longueur d’onde est désignée par la lettre de l’alphabet grec λ (lambda).

Elle est égale à la vitesse de l’onde divisée...

Merci, monsieur Kao

Un peu d’histoire

Pour le côté historique, rappelons que les réflexions sur le guidage de la lumière ont sérieusement commencé au XIXe siècle.

En 1841, D. Colladon, à l’université de Genève, démontrait le guidage de la lumière dans un jet d’eau et, à la même date, le français J. Babinet faisait les mêmes observations et étendait l’idée à un barreau de verre. Cette idée est souvent attribuée à J. Tyndall qui a démontré ce guidage dans un jet d’eau à la Royal Society à Londres, en 1854, en suivant une suggestion de M. Faraday.

Mais, au-delà de ces considérations anecdotiques, on ne saurait terminer des informations générales sur les fibres optiques sans parler d’un de nos contemporains, Charles Kuen Kao, très connu des experts du monde de l’optique. Il a été mis dans la lumière des projecteurs en septembre 2009 lorsque lui fut attribué le prix Nobel de physique.

Charles Kuen Kao

Né en Chine, à Shanghai, en 1933, où il fit ses études primaires et secondaires, il émigra au Royaume-Uni pour faire ses études supérieures et il obtint le doctorat en ingénierie électrique de l’université de Londres en 1965....