Only Connect : Un guide sur la fibre optique

Bienvenue dans un autre article de la série par Nick Locke, deNicab Ltd, qui a plus de 15 ans d'expérience dans l'industrie de la fabrication électronique spécialisée dans l'assemblage de câbles d'interconnexion.

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Comme vous le savez peut-être, je suis un grand fan de la fibre optique, la raison principale étant que la bande passante est massive et que ses utilisations sont presque infinies. Oh, et ça ne rouille pas !

Cette semaine, j'ai décidé de vous faire plaisir avec un guide de la fibre optique de nos amis de la FOA (Fiber Optic Association).

Fibre optique

La fibre optique est le moyen de communication qui fonctionne en envoyant des signaux optiques sur des brins de fibre de verre ou de plastique extrêmement purs. La lumière est « guidée » vers le centre de la fibre appelée le « cœur ». Le cœur est entouré d'un matériau optique appelé « gaine » qui piège la lumière dans le cœur grâce à une technique optique appelée « réflexion interne totale ». La fibre elle-même est recouverte d'un "tampon" car elle est conçue pour protéger la fibre de l'humidité et des dommages physiques. Le tampon est ce que l'on enlève de la fibre pour la terminaison ou l'épissage.

Le noyau et la gaine sont généralement en verre ultra-pur, bien que certaines fibres soient toutes en plastique ou un noyau en verre et une gaine en plastique. Le noyau est conçu pour avoir un indice de réfraction plus élevé, un paramètre optique qui est une mesure de la vitesse de la lumière dans le matériau, que la gaine, ce qui provoque une "réflexion interne totale" pour piéger la lumière dans le noyau jusqu'à un certain angle , qui définit "l'ouverture numérique" de la fibre.

La fibre de verre est recouverte d'un revêtement protecteur en plastique appelé "revêtement tampon primaire" qui la protège de l'humidité et d'autres dommages. Plus de protection est fournie par le "câble" qui a les fibres et les éléments de résistance à l'intérieur d'un revêtement de protection externe appelé "gaine".

Types de fibre : multimode et monomode, taille du noyau/gaine

Les deux types de fibre sont multimode et monomode. Dans ces catégories, les fibres sont identifiées par leurs diamètres de cœur et de gaine exprimés en microns (un millionième de mètre), par exemple une fibre multimode 50/125 microns. La plupart des fibres ont un diamètre extérieur de 125 microns - un micron est un millionième de mètre et 125 microns est de 0,005 pouces - un peu plus grand que les cheveux humains typiques.

La fibre multimode a la lumière voyageant dans le noyau dans de nombreux rayons, appelés modes. Il a un noyau plus grand (presque toujours 50 ou 62,5 microns) qui prend en charge la transmission de plusieurs modes (rayons) de lumière. Le multimode est généralement utilisé avec des sources LED à des longueurs d'onde de 850 et 1300 nm (voir ci-dessous !) pour les réseaux locaux (LAN) plus lents et des lasers à 850 (VCSEL) et 1310 nm (lasers Fabry-Perot) pour les réseaux fonctionnant à des gigabits par seconde ou plus .

La fibre monomode a un noyau beaucoup plus petit, seulement environ 9 microns, de sorte que la lumière se déplace dans un seul rayon (mode). Elle est utilisée pour la téléphonie et CATV avec des sources laser à 1300 et 1550 nm car elle a une perte plus faible et une bande passante pratiquement infinie. La fibre optique plastique (POF) est une fibre à large noyau (environ 1 mm), généralement à indice de saut, qui est utilisée pour les réseaux courts et à faible vitesse.

Le PCS/HCS (silice à revêtement plastique ou dur, revêtement en plastique sur un noyau en verre) a un noyau en verre plus petit (environ 200 microns) et un revêtement en plastique mince.

Le multimode à saut d'indice a été la première conception de fibre. Il a une atténuation plus élevée et est trop lent pour de nombreuses utilisations, en raison de la dispersion causée par les différentes longueurs de trajet des différents modes se déplaçant dans le cœur. La fibre à saut d'indice n'est pas largement utilisée - seuls les POF et PCS / HCS (silice à gaine plastique ou dure, revêtement en plastique sur un noyau en verre) utilisent aujourd'hui une conception à saut d'indice.

La fibre multimode à gradient d'indice utilise des variations dans la composition du verre dans le noyau pour compenser les différentes longueurs de trajet des modes. Elle offre des centaines de fois plus de bande passante que la fibre à saut d'indice - jusqu'à environ 2 gigahertz. Deux types sont utilisés, 50/125 et 62,5/125, où les nombres représentent le diamètre du noyau/gaine en microns.

La fibre monomode rétrécit le noyau si petit que la lumière ne peut voyager que dans un seul rayon. Cela augmente la bande passante presque à l'infini – mais elle est pratiquement limitée à environ 100 000 gigahertz – c'est quand même beaucoup ! La fibre monomode a un diamètre de noyau de 8 à 10 microns, spécifié comme "diamètre de champ de mode", la taille effective du noyau et un diamètre de gaine de 125 microns.

Les fibres spéciales ont été développées pour les applications nécessitant des spécifications de performance de fibre uniques. Les fibres monomodes dopées à l'erbium sont utilisées dans les amplificateurs à fibre, des dispositifs utilisés dans les réseaux à très longue distance pour régénérer les signaux. Les fibres sont optimisées pour la bande passante à des longueurs d'onde appropriées pour les systèmes DWDM ou pour inverser la dispersion chromatique. Il s'agit d'un domaine actif de développement de la fibre.

La fabrication de fibres optiques avec une précision submicronique est un processus intéressant consistant à fabriquer du verre ultra-pur et à le tirer en mèches de la taille d'un cheveu humain. Le processus commence par la fabrication d'une perforatrice, une tige de verre de grand diamètre qui a exactement la même section optique qu'une fibre mais qui est des centaines de fois plus grande. L'extrémité de la tige est chauffée et un mince brin de fibre est tiré du préformé et enroulé sur de grandes bobines. Après fabrication, la fibre est testée puis transformée en câble.

Voici plus d'informations sur la fabrication de fibres.

Tailles et types de fibres

La fibre se décline en deux types, monomode et multimode. À l'exception des fibres utilisées dans des applications spécialisées, la fibre monomode peut être considérée comme une taille et un type. Si vous traitez avec des câbles de télécommunications ou sous-marins longue distance, vous devrez peut-être travailler avec des fibres monomodes spécialisées.

Tailles relatives de toutes les fibres

Comparaison des tailles cœur/gaine

Les fibres multimodes étaient à l'origine disponibles en plusieurs tailles, optimisées pour divers réseaux et sources, mais l'industrie des données a normalisé la fibre à 62,5 cœurs au milieu des années 80 (la fibre 62,5/125 a un cœur de 62,5 microns et une gaine de 125 microns. Elle s'appelle désormais la norme OM1 fibre.) Récemment, alors que les réseaux gigabit et 10 gigabit sont devenus largement utilisés, une ancienne conception de fibre a été relancée. La fibre 50/125 a été utilisée à partir de la fin des années 70 avec des lasers pour les applications de télécommunications avant que la fibre monomode ne devienne disponible. La fibre 50/125 (norme OM2) offre une bande passante plus élevée avec les sources laser utilisées dans les réseaux locaux gigabit et peut permettre aux liaisons gigabit de parcourir de plus longues distances. Les nouvelles fibres OM3 ou optimisées au laser 50/125 sont aujourd'hui considérées par la plupart comme le meilleur choix pour les applications multimodes.

Pour identifier les types de fibre dans un câble, il existe des codes de couleur normalisés pour la gaine du câble couverte par TIA-598. Voici plus d'informations sur les codes de couleur pour les câbles et les connecteurs.

Types de fibre et spécifications typiques (OM/OS fait référence aux types TIA, B fait référence aux types IEC, G fait référence aux types ITU)

Noyau/gaine

Atténuation

Bande passante

Demandes/Remarques

Index gradué multimode

@850/1300 nm

@850/1300 nm

50/125 microns (OM2)

3/1dB/km

500/500 MHz-km

Classé au laser pour les réseaux locaux GbE

50/125 microns (OM3)

3/1dB/km

2000/500 MHz-km

Optimisé pour les VCSEL 850 nm

50/125 microns (OM4)

3/1dB/km

3600/500 MHz-km

Optimisé pour les VCSEL 850 nm, vitesse plus élevée

62,5/125 microns (OM1)

3/1dB/km

160-200/500 MHz-km

Fibre LAN

100/140 microns

3/1dB/km

150/300 MHz-km

Obsolète

Monomode

@1310/1550 nm

9/125 microns (OS1 B1.1 ou G.652)

0,4/0,25 dB/km

HAUT!

~100 térahertz

Fibre monomode, la plus courante pour les réseaux locaux Telco/CATV/haut débit

9/125 microns (OS2, B1.2 ou G.652)

0,4/0,25 dB/km

HAUT!

~100 térahertz

Fibre de pointe à faible teneur en eau

9/125 microns (B2 ou G.653)

0,4/0,25 dB/km

HAUT!

~100 térahertz

Fibre à dispersion décalée

9/125 microns (B1.2 ou G.654)

0,4/0,25 dB/km

HAUT!

~100 térahertz

Fibre décalée de coupure

9/125 microns (B4 ou G.654)

0,4/0,25 dB/km

HAUT!

~100 térahertz

Fibre à dispersion décalée non nulle

Index de pas multimode

@850 nm

@850 nm

200/240 microns

4-6 dB/km

50 MHz-km

Réseaux locaux et liens lents

POF (fibre optique plastique)

à 650 nm

à 650 nm

1 millimètre

~ 1dB/m

&nb sp;~5 MHz-km

Liens courts et voitures

ATTENTION : Vous ne pouvez pas mélanger et assortir les fibres ! Essayer de connecter une fibre monomode à une fibre multimode peut entraîner une perte de 20 dB, soit 99 % de la puissance. Même les connexions entre 62,5/125 et 50/125 peuvent entraîner une perte de 3 dB ou plus, soit plus de la moitié de la puissance. En savoir plus sur les fibres incompatibles.

Spécifications de la fibre

Les spécifications habituelles de la fibre sont la taille (diamètre du noyau/gaine en microns), le coefficient d'atténuation (dB/km aux longueurs d'onde appropriées) et la bande passante (MHz-km) pour la fibre multimode et la dispersion chromatique et en mode polarisation pour la fibre monomode. Alors que les fabricants ont d'autres spécifications pour la conception et la fabrication de la fibre selon les normes de l'industrie, comme l'ouverture numérique (l'angle d'acceptation de la lumière dans la fibre), l'ovalisation (le degré de rondeur de la fibre), la concentricité du noyau et de la gaine, etc., ces spécifications n'affectent généralement pas les utilisateurs qui spécifient des fibres pour l'achat ou l'installation. Voici plus d'informations sur les spécifications de test des fibres.

Certaines fibres ont été conçues pour être beaucoup moins sensibles aux pertes induites par la courbure. Ces fibres "insensibles à la courbure" sont conçues pour être utilisées comme cordons de brassage ou dans des applications de locaux étroits où les fibres ordinaires subiraient des pertes. Voici plus d'informations sur les fibres insensibles à la courbure.

Atténuation

La principale spécification de la fibre optique est l'atténuation. L'atténuation signifie une perte de puissance optique. L'atténuation d'une fibre optique est exprimée par le coefficient d'atténuation qui est défini comme la perte de la fibre par unité de longueur, en dB/km.

L'atténuation de la fibre optique est le résultat de deux facteurs, l'absorption et la diffusion. L'absorption est causée par l'absorption de la lumière et la conversion en chaleur par les molécules du verre. Les absorbants primaires sont l'OH+ résiduel et les dopants utilisés pour modifier l'indice de réfraction du verre. Cette absorption se produit à des longueurs d'onde discrètes, déterminées par les éléments absorbant la lumière. L'absorption OH+ est prédominante et se produit le plus fortement autour de 1000 nm, 1400 nm et au-dessus de 1600 nm.

La principale cause d'atténuation est la diffusion. La diffusion se produit lorsque la lumière entre en collision avec des atomes individuels dans le verre et est anisotrope. La lumière qui est diffusée à des angles à l'extérieur de l'ouverture numérique de la fibre sera absorbée dans la gaine ou retransmise vers la source. La diffusion est également fonction de la longueur d'onde, proportionnelle à l'inverse de la quatrième puissance de la longueur d'onde de la lumière. Ainsi si vous doublez la longueur d'onde de la lumière, vous réduisez les pertes par diffusion de 2 à la puissance 4 soit 16 fois.

Par exemple, la perte de la fibre multimode est beaucoup plus élevée à 850 nm (appelée courte longueur d'onde) à 3 dB/km, alors qu'à 1300 nm (appelée longue longueur d'onde) elle n'est que de 1 dB/km. Cela signifie qu'à 850 nm, la moitié de la lumière est perdue en 1 km, alors que seulement 20 % est perdue à 1300 nm.

Par conséquent, pour une transmission longue distance, il est avantageux d'utiliser la longueur d'onde pratique la plus longue pour une atténuation minimale et une distance maximale entre les répéteurs. Ensemble, l'absorption et la diffusion produisent la courbe d'atténuation d'une fibre optique en verre typique illustrée ci-dessus.

Les systèmes à fibre optique transmettent dans les "fenêtres" créées entre les bandes d'absorption à 850nm, 1300nm et 1550nm, où la physique permet également de fabriquer facilement des lasers et des détecteurs. La fibre plastique a une bande de longueur d'onde plus limitée, ce qui limite l'utilisation pratique aux sources LED de 660 nm.

Bande passante

La capacité de transmission d'informations de la fibre multimode est limitée par deux composantes de dispersion distinctes : modale et chromatique. La dispersion modale vient du fait que le profil d'indice de la fibre multimode n'est pas parfait. Le profil à gradient d'indice a été choisi pour permettre théoriquement à tous les modes d'avoir la même vitesse de groupe ou vitesse de transit sur toute la longueur de la fibre. En faisant des parties externes du noyau un indice de réfraction inférieur à celui des parties internes du noyau, les modes d'ordre supérieur accélèrent à mesure qu'ils s'éloignent du centre du noyau, compensant leurs longueurs de trajet plus longues.

Dans une fibre idéalisée, tous les modes ont la même vitesse de groupe et aucune dispersion modale ne se produit. Mais dans les fibres réelles, le profil d'indice est une approximation par morceaux et tous les modes ne sont pas parfaitement transmis, permettant une certaine dispersion modale. Étant donné que les modes d'ordre supérieur ont des déviations plus importantes, la dispersion modale d'une fibre (et donc sa bande passante laser) a tendance à être très sensible aux conditions modales dans la fibre. Ainsi, la bande passante des fibres plus longues se dégrade de manière non linéaire lorsque les modes d'ordre supérieur sont plus fortement atténués.

Le deuxième facteur de la bande passante de la fibre, la dispersion chromatique, affecte à la fois la fibre multimode et monomode. Rappelez-vous qu'un prisme étale le spectre de la lumière incidente puisque la lumière se déplace à des vitesses différentes selon sa couleur et est donc réfractée à des angles différents. La manière habituelle de l'énoncer est que l'indice de réfraction du verre dépend de la longueur d'onde. Ainsi, un profil d'indice gradué soigneusement fabriqué ne peut être optimisé que pour une seule longueur d'onde, généralement proche de 1300 nm, et la lumière des autres couleurs souffrira de la dispersion chromatique. Même la lumière dans le même mode sera dispersée si elle est de longueurs d'onde différentes.

La dispersion chromatique est un gros problème avec les sources LED dans la fibre MM, qui ont de larges sorties spectrales, contrairement aux lasers qui concentrent la majeure partie de leur lumière dans une plage spectrale étroite. Des systèmes tels que FDDI, basés sur des LED émettrices de surface à large spectre de sortie, souffraient d'une dispersion chromatique si intense que la transmission était limitée à seulement deux km de fibre 62,5/125.

La dispersion chromatique (CD) affecte également les liaisons longues dans les systèmes monomodes, même avec des lasers, de sorte que la fibre et les sources sont optimisées pour minimiser la dispersion chromatique dans les liaisons longue distance.

Bravo d'avoir traversé tout cela, je suis sûr que vous serez d'accord avec moi que la fibre est incroyable et pourquoi ne pas l'utiliser davantage ! Quoi qu'il en soit, en guise de gâterie spéciale, je vous ferai passer un test la semaine prochaine pour voir tout ce que vous avez appris !

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