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ÉPREUVE COMMUNE DE TIPE - PARTIE D
TITRE :
Mesures sur les fibres optiques
Temps de préparation : ……………..….2 h 15 minutes 10 Temps de présentation devant le jury : …….10 minutes Entretien avec le jury : ……………………..10 minutes
GUIDE POUR LE CANDIDAT :
Le dossier ci-joint comporte :
- Un texte principal de 11 pages présentant la théorie de la rétrodiffusion et ses applications pour les mesures sur les fibres optiques.
- Un texte complémentaire comportant un glossaire. 20 Travail suggéré au candidat :
On suggère au candidat de faire un exposé de synthèse du texte principal en présentant la méthode de caractérisation des fibres optiques, de dégager les avantages de la méthode de rétrodiffusion et d’analyser les difficultés liées à cette technique.
CONSEILS GENERAUX POUR LA PREPARATION DE L'EPREUVE :
- Lisez le dossier en entier dans un temps raisonnable. 30 * Réservez du temps pour préparer l'exposé devant le jury.
- Vous pouvez écrire sur le présent dossier, le surligner, le découper … mais tout sera à remettre au jury en fin d’oral.
- En fin de préparation, rassemblez et ordonnez soigneusement TOUS les documents (transparents, etc. ) dont vous comptez vous servir pendant l’oral, ainsi que le dossier, les transparents et les brouillons utilisés pendant la préparation. En entrant dans la salle d'oral, vous devez être prêts à débuter votre exposé.
- A la fin de l'oral, vous devez remettre au jury le présent dossier, les transparents et les brouillons utilisés pour cette partie de l'oral, ainsi que TOUS les 40 transparents et autres documents présentés pendant votre prestation.
MESURE SUR LES FIBRES OPTIQUES
1) INTRODUCTION
Comme tout support de transmissions, les fibres optiques (voir annexe) apportent certaines distorsions aux signaux transmis, limitant par conséquent la portée et la capacité de transmission des systèmes envisagés. La portée est limitée par l’atténuation que subit la lumière porteuse de l’information durant sa propagation dans la fibre. 50 La capacité de transmission (ou bande passante de la fibre), qui concerne le signal modulant la porteuse optique est limitée :
- Par la dispersion ‘’intermodale’’ : différence des temps de propagation des groupes de modes, que l’on peut assimiler en première approche à des rayons lumineux.
- Par la dispersion ‘’chromatique’’ : différence des temps de propagation des diverses longueurs d’onde composant le spectre de l’émetteur optique. Pour les fibres multimodes ***** , les deux types de dispersion contribuent à la limitation de la bande passante, qui était mesurée sur les liaisons installées. Pour les fibres unimodes*, la limitation de la bande par les différences de temps de propagation entre les différents modes disparaît du fait de la propagation d’un mode unique. Le seul phénomène limitatif 60 pour ce type de fibres reste donc la dispersion chromatique. Les caractéristiques de transmission vérifiées sur les liaisons installées sont principalement :
- L'atténuation linéique des fibres.
- L'atténuation due aux raccordements.
- Le bilan de la liaison
- La régularité de la courbe de rétrodiffusion (voir annexe) :
- Les mesures de longueurs. Les mesures de dispersion chromatique restent délicate et nécessitent des appareils relativement onéreux.
70 2) ATTENUATION
L’atténuation A(λ) ( voir annexe ) pour une longueur d’onde λ entre deux plans de section droite d’une fibre optique séparés d’une distance L est par définition le rendement P1/P0 des puissances optiques P0 traversant la section 0 et P1 la puissance traversant la section 1, ce rendement est exprimé en dB sous la forme :
2.1) Mécanisme de l’atténuation L’atténuation de la puissance optique dans une fibre est du principalement à deux phénomènes dont les effets se cumulent. Il s’agit de :
- Pertes provoquées par " l'absorption " du matériau constituant la fibre.
- Pertes provoquées par la " diffusion " de ce matériau. α = αa + αd 90 ou α est le coefficient d’atténuation linéique exprimé en dB/km (voir annexe), αa le coefficient d'absorption et αd le coefficient de diffusion.
0
1 (^10) P
P
A( λ ) dB 10log
P0 P
120 2.1.3) Atténuation totale Pour une longueur d’onde donnée, les deux courbes précédentes s’additionnent point par point pour donner l’atténuation totale d’une fibre en fonction de λ comme le montre la figure3.
Figure 3 : Atténuation totale d’une fibre unimodale
En fait, les récents progrès technologiques dans la fabrication des fibres optiques ont rendu les pertes par absorption négligeables (les pics d’absorption extrinsèque et en particulier OH- ont fortement 130 diminué). Pour ces longueurs d’ondes, on peut écrire : α = α (^) d
3) MESURE DE L’ATTENUATION : METHODE DE LA RETRODIFFUSION
3.1 principe : Cette méthode consiste à injecter des impulsions de lumières calibrées à l'entrée d’une fibre optique et à observer depuis cette extrémité, l'intensité optique qui parcourt la fibre dans le sens inverse de la propagation des impulsions émises. Elles découlent directement de la propriété de diffusion des fibres. La structure hétérogène de la silice constituant la fibre présente des variations de concentration et 140 densité, qui sont autant de ‘’centres diffuseurs’’ pour la lumière incidente. Cette diffusion a lieu dans toutes les directions de l’espace :
- une partie de l'énergie diffusée continue à se propager dans le sens direct. - une partie contenue dans l’angle solide limité par l’ouverture numérique de la fibre (voir annexe) , se propage en sens inverse du sens d’émission d’ou le nom de ‘ ’rétrodiffusion’’ (voir annexe), - enfin une troisième partie, est perdue par propagation à travers la gaine optique. La figure 4 représente schématiquement ces phénomènes pour une fibre multimode. Les rayons retrodiffusés sont compris dans le cône d’angle θ déterminé par l’angle limite de réflexion totale I 0.
150 Figure 4 : Centre diffusant
I
I
3.2 Principe de la réflectométrie Le schéma du principe commun à tous les réflectomètres (voir annexe) , représenté sur la figure 5, comprend trois sous ensembles : un émetteur, un coupleur directif et un module détecteur associé à un ensemble d’acquisition et de traitement du signal ainsi qu’à un dispositif d’observation. L’émetteur optique (diode laser de longueur d’onde proche de celle du systeme considéré), modulé à quelques Khz par un générateur, délivre des impulsions lumineuses calibrées en durée et en amplitude à la fibre sous test par l’intermédiaire d’une entrée du coupleur directif. Au cours de la propagation, la puissance lumineuse des impulsions subit une atténuation due aux pertes par absorption et diffusion du cœur de la fibre. 160
Figure 5 : Principe d’un réflectomètre
Le coupleur directif récupère l’énergie rétrodiffusée (elle même atténuée pendant sa propagation en sens inverse) pour l’orienter à travers son autre branche vers le photodétecteur. Celui-ci convertira enfin ce signal optique en un signal électrique adapté à la mesure.
Le signal obtenu après traitement donne une cartographique complète de la liaison testée. On verra 170 plus loin que la courbe obtenue est exponentielle décroissante, mais pour des raisons de commodité d’exploitation, elle est représentée sous forme logarithmique. Les parties correspondantes à la rétrodiffusion dans la fibre optique sont alors des droites dont la pente donne l’atténuation linéique de la fibre à la longueur d’onde de mesure.
La figure 6 montre un exemple de synoptique ou ligne optique. Le réflectomètre est placé au début de la ligne (ACQ). Dans cette synoptique, on trouve aussi bien des connecteurs (C1, C2…) que des soudures (E1) ou épissures (voir annexe). Un calcul simple montre que le bilan total (atténuation totale) est de 7.5 dB.
180
3.3 Calcul du signal rétrodiffusé. Afin de bien comprendre les phénomènes liés à la rétrodiffusion, il est nécessaire de développer ici le 210 calcul de l'expression mathématique du signal rétrodiffusé.
3.3.1 Énergie présente à la distance x de l'origine Soit une impulsion d'énergie E 0 injectée au temps t = 0 sur la face de la fibre (abscisse x = 0). A la distance x de l'origine, cette énergie aura diminué exponentiellement et vaudra :
'(x) dx 0
x
E( x) E e^0
−∫ α
α’(x) est le coefficient d’atténuation à la distance x.
220 L’intégrale représente l’atténuation cumulée de l’origine jusqu’au point x. Si l’on considère la qualité des fibres actuelles, on peut dire que α’(x) est constant et indépendant de x. L’égalité précédente s’écrira :
' x
E( x) E 0 e
3.3.2 Diffusion de la lumière sur une petite partie dx de la fibre : A la distance x de l'origine, une partie dE(x) de E(x) est diffusé dans toutes les directions de l'espace, sur l'intervalle dx. Cette partie diffusée est la puissance E(x) parvenue en x, multipliée par un coefficient αd(x), représentant la proportion d’énergie diffusée au point d’abscisse x : 230
dE (x)=αd .E(x).dx=αd(x).E 0 .e−α'x. dx
Figure 8 : autre exemple de courbe de rétrodiffusion
3.3.3) Puissance repartant dans la fibre Comme déjà vu plus haut, seule une fraction S(x) de cette énergie diffusée va se trouver « piégée » dans le cône d’acceptance de la fibre et sera guidée vers l’arrière (Fig.4). L'énergie rétrodiffusé au point x vaut donc :
dE r (x)=S(x)αdE 0 e−α'x dx
240 De même que pour le trajet 0 ⇒ x, l'impulsion retour x ⇒ 0 va subir une nouvelle atténuation globale α’’ (ou atténuation cumulée de x en 0). On considère aussi que pour le trajet retour α’’(x) est constant et indépendant de x. L'énergie de retour à l'entrée de la fibre vaut donc :
dE( x)=S(x)αd (x)E 0 e−α'x.e−α''x dx
dE( x)=S(x).αd .E 0 .e−(α'+α'')x. dx
Pour les fibres optiques de fabrication actuelle : αd =α'=α''=constante
250 L’équation précédente devient :
dE( x)= S(x)αE 0 e−^2 αx dx (1)
3.3.4) Équation de la rétrodiffusion en fonction du temps. En effectuant un changement de variables sur E et x, on obtient :
- Si le temps mis pour parcourir le trajet aller retour de l’origine au point x, et V la vitesse de groupe (vitesse de l’énergie dans la fibre - voir annexe ) que l’on supposera constante, on peut écrire :
Vt 2
x = d’où Vdt 2
dx = (2)
On a d'autre part les relations : E 0 = P 0 Tet dt
dE P ( t )= (3)
260 (P 0 : puissance crête à crête et T la durée de l'impulsion)
En reportant (2) et (3) dans (1), l’équation cherchée s’écrit finalement :
P t = PTSαVe − α^ vt
Cette expression représente la puissance optique reçue par le détecteur, puissance correspondant à une impulsion ayant effectué un aller retour de l’origine au point x pendant le temps t. Elle a été établie en supposant que les fibres ont des qualités de transmission identiques dans le sens aller retour (coefficient α et S de même valeur en tout point x et dans les deux sens), ce qui est le plus courant 270 mais pas toujours vrai.
On peut que remarquer que P(t) est proportionnelle :
- à la puissance de l'impulsion émise P 0
- à la durée de cette impulsion (voir annexe).
- aux deux paramètres propres à la fibre : α, coefficient d'affaiblissement linéique S, coefficient de rétrodiffusion, dépend de l'ouverture numérique ON pour les fibres monomodes ou du mode de propagation pour les fibres multimodes (voir annexe).
nc : indice de réfraction du cœur de la fibre ne = indice du milieu extérieur
En incidence normale, on a : Pi
Pc Puissanceincidente
Puissanceréflechie R = =
2
c e
c e n n
n n
Niveau du signal réfléchi Dans le cas où le milieu extérieur est l’air (fin de fibre ou connecteur sans adaptateur d’indice), on a ne = 1 et nc = 1,46 :
R =Pc/Pi = ((1,46-1)²/(2,46)² # 4% Soit en dB : 10logR = -14 dB 340 Cela veut dire que le niveau de la puissance réfléchie (dans le cas d'une cassure) est très faible par rapport à la puissance incidente. La puissance est réfléchie sur la face d'entrée de la fibre, sur la face de sortie mais aussi en tout point où il y a passage de² la lumière de la fibre dans l'air ou de l'air dans la fibre (connecteurs).
On peut déjà voir que ces puissances réfléchies, qui se traduisent sur les courbes par des «pics de Fresnel », vont être gênantes puisqu’elles ont un niveau nettement plus important que celui du signal rétrodiffusé. On notera d’après (7) que contrairement au niveau rétrodiffusé, le niveau du signal réfléchi est indépendant de la largeur T des impulsions. Sur la face d’entrée de la fibre, le signal est 350 particulièrement gênant en ce point puisque son niveau élevé va saturer le détecteur du réflectomètre. Le temps de retour se traduit par une « zone aveugle » qui va cacher le signal utile. Sur un connecteur (cas d’une connexion sans gel d’indice et dont les fibres ne sont pas en contact), la reflexion sur les deux interfaces silice/air et air/silice se traduit dans les deux cas par une perte de 0, dB, soit au total 0,34 dB pour la connexion :
Perte = 10log(Pi-Pc/Pi) = 10log(1-Pc/Pi) = 10log(1-4/100) =-0,17 dB
Cette perte de 0, 34 dB est donc la valeur théorique minimale en dessous de laquelle l’atténuation d’un tel connecteur ne pourrait pas descendre malgré une mise en œuvre parfaite. 370 Dans le cas d’équipements de transmission, ces puissances réfléchies peuvent de plus perturber les sources optiques fonctionnant à haut débit. Diverses méthodes sont actuellement étudiées pour diminuer ces réflexions ou atténuer leur propagation :
- coupe ou ponçage oblique de la fibre : dans ce cas, une partie de la lumière réfléchie ne sera plus contenue dans l’ON et par conséquent ne sera plus guidée par la fibre. On admet que le coefficient de Fresnel chute de 1% pour un angle de coupe de 4°.
- traitement chimique de la surface des fibres (acide fluorhydrique)
Fibre Pi nc Pc
milieu extérieur
(ne)
Puissance transmise
(Pi - Pc)
Puissance incidente Pi Puissance réfléchie Pc
Perte = ,017 dB
4.3) Comparaison des signa ux réfléchi et rétrodiffusé. 380 Si R caractérise le coefficient de réflexion, on peut écrire la puissance réfléchie Pc(x) par une cassure située à la distance x sous la forme : 2 x Pc (x) R P 0 e = ⋅ −α
La puissance rétrodiffusée P(x) juste avant la cassure est :
2 x P (x) 0 , 5 P 0 T S V e = ⋅ ⋅ ⋅ ⋅α⋅ ⋅ − α
Le rapport entre ces deux puissances, exprimé en dB, représente donc l’écart de niveau ∆ entre la 390 puissance réfléchie et rétrodiffusée en un point de la fibre :
10 logR 10 log( 0 , 5 .T.S. .V) ( 0 , 5 .T.S. .V)
R
10 log P(x)
P(x) 10 log c^ = − α α
Cet écart est donc fonction de la largeur d’impulsion et des caractéristiques de la fibre. Avec les valeurs numériques déjà utilisées, on obtient :
∆=− 14 −(− 46 )= 32 dB
Le signal réfléchi a un niveau supérieur de 32 dB à celui du signal rétrodiffusé. 400 Tous ces résultats sont résumés sur la figure 9.
Figure 9 : Ordre de grandeur des signaux réfléchis et rétrodiffusés
V) ZONE MORTE (OU ZONE AVEUGLE)
Lorsqu’une impulsion rencontre un défaut réfléchissant (connecteur par exemple), le signal réfléchi est beaucoup plus important que le signal rétrodiffusé. Ces variations brusques de niveau sont plus grandes que la dynamique des sous-ensembles constituant 410 la chaîne d'acquisition du signal : elle provoque un phénomène de saturation de la photodiode de réception et de l'amplificateur associé. La chaîne de réception ne revient à l'équilibre après un retard important qui se traduit sur la courbe par une zone aveugle (voir annexe) éliminant toute possibilité de
ANNEXE
440 TERMES DE COMMUNICATIONS PAR FIBRE OPTIQUE.
1) Atténuation. L'atténuation totale résulte de l'absorption et de la diffusion de la lumière causées par les impuretés de la fibre, ses propriétés intrinsèques et des facteurs extrinsèques, tels que les épissures et les courbures physiques du câble. L'atténuation augmente avec la longueur de la fibre : l'amplitude du signal diminue à mesure que la longueur de la fibre augmente.
2) Coefficient d'atténuation. Atténuation d'une fibre optique par unité de longueur, généralement exprimées en dB/km. 450 3) Rétrodiffusion. Fraction de la diffusion de Rayleigh qui se propageant dans la direction opposée au signal incident (voir diffusion de Rayleigh).
4) Coupleur. Dispositif utilisé pour fractionner le signal optique d'une fibre sur deux ou plusieurs fibres.
5) Zone Morte La zone morte d'un événement (voir ci-dessous), dite aussi résolution spatiale entre deux points, est la 460 distance minimale suivant une réflexion à partir de laquelle le réflectomètre optique peut effectuer une mesure précise de la distance précédent une 2ème^ réflexion..
6) Événement. Toute rupture ou connexion d'une fibre optique mise en évidence à l'écran d'un réflectomètre optique par une modification ou une discontinuité de la représentation de la rétrodiffusion normale de la fibre. Les événements peuvent être causés par des épissures mécaniques ou des soudures, des connecteurs, des courbures et des ruptures dans la fibre.
7) Réflexion de Fresnel 470 Réflexion résultant d'une discontinuité de l'indice de réfraction de la fibre. Elles sont causées, par exemple, par une extrémité de fibre clivée, un connecteur non raccordé ou une cassure. Sur un réflectomètre, les réflexions de Fresnel apparaissent comme des pics pointés vers le haut.
8) Mode de propagation A chaque valeur de l’angle θ compris entre π/2 et θc (angle limite de réflexion totale – voir ouverture numérique), est associée un trajet particulier de l’onde. Chaque trajet de l’onde dans le guide est appelé mode de propagation. On a donc un nombre fini de modes guidés.
Figure 12 : mode de propagation
9) Fibre monomode L’un des deux types fondamentaux de fibre (multimode et monomode). Le diamètre du cœur des 490 fibres monomodes est compris entre 3 et 10 microns, soit moins que le diamètre des fibres multimodes.
θ 1 = 2
gaine d’indice n2^ π^ θ 2 θ^3
cœur d’indice n
10) Fibre multimode L’un des deux types fondamentaux de fibre (multimode et monomode). Une fibre multimode achemine plusieurs modes lumineux. Le diamètre du cœur des fibres multimodes est compris entre 50 et 100 microns, soit plus que les diamètres des fibres monomodes.
11) Epissure. Soudures ou collages permettant de mettre bout à bout deux fibres, de manière fixe.
500 12) fibre optique Brins de verre ultra pur conçu pour acheminer des impulsions lumineuses d'un émetteur vers un récepteur à très hauts débits. Les impulsions lumineuses sont des signaux optiques capables de véhiculer des informations vocales, info rmatiques et vidéo.
Figure 13 : Fibre optique
13) Réflectomètre optique 520 Instrument des tests optiques polyvalent effectuant des mesures de distance et de perte sur les événements des fibres optiques au moyen des tests réalisés depuis une extrémité de la fibre. Le réflectomètre optique envoie des impulsions lumineuses dans la fibre puis traite lumière diffusée et renvoyée au réflectomètre. Le réflectomètre optique affiche généralement une représentation graphique sous forme de courbe. En outre, les réflectomètres optiques de la dernière génération analysent la courbe, puis localisent chaque événement et en donne les pertes correspondantes.
14) Durée de l'impulsion. Les impulsions sont acheminées par des impulsions de lumière transitant dans une fibre optique. À cet effet, la source lumineuse est activée et désactivée ou modulée. La durée d'impulsion est la période 530 pendant laquelle le signal lumineux atteint son intensité maximale.
15) Diffusion de Rayleigh Diffusion produite par les défauts microscopiques de la fibre optique, dont la taille est infime par rapport à la longueur d’onde de la lumière. Dans les fibres optiques, la diffusion de Rayleigh représente la limite fondamentale du coefficient d'atténuation. Les réflectomètres optiques mesurent la perte optique des composants en mesurant l’atténuation de la composante de la diffusion de Rayleigh rétrodiffusé par l'événement. La diffusion est inversement proportionnelle à la puissance 4 de la longueur d'onde.
540 16) Ouverture Numérique (ON) : L’ouverture numérique permet de chiffrer l’aptitude d’une fibre optique à collecter la lumière. En d’autres termes, l’angle γmax est le demi-angle au sommet d’un cône qui contient tous les rayons lumineux qui pourront pénétrer dans la fibre et se propager par réflexions internes totales. Selon la loi de DESCARTES, l’angle d’incidence γ, pris par rapport à la normale à la surface d’entrée
Cœur d'indice n 1
Gaine d'indice n 2 Revêtement de protection
