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Chapitre 1 : Fibres optiques et propagation
de la lumière
Mastère professionnel Systèmes des Télécommunications &
Réseaux
Communications optiques
Ministère de l’Enseignement Supérieur
et de la Recherche Scientifique

Introduction
aux Communications optiques (1)
SYSTEME DE TELECOMMUNICATIONS
Emission Réception
Signal
émis
Canal de
transmission
Signal reçu
parole, image….
signal électrique
modulation, codage
multiplexage
démultiplexage
détection
signal électrique
parole, image...
2

Introduction
aux communications optiques (2)
Canaux de transmission
 Espace libre
Faisceaux hertziens (≈250 MHz à 22 GHz): c’un système de transmission numérique
ou analogique, entre deux points fixes par ondes électromagnétiques de l'espace.
Liaisons satellites (6/4GHz(C),14/11GHz(Ku), 30/20GHz(Ka)
 Guides d ’ondes métalliques
Lignes TEM (du MHz au GHz)
 Espace libre en optique
(≈3.1014 Hz soit 300 THz)
 Guides d ’ondes diélectriques (fibres optiques)
(≈3.1014 Hz soit 300 THz)
3

Spectre & Longueurs d'onde utilisées
 La longueur d’onde est la longueur spécifique utilisée par la source de
lumière et elle est mesurée en nanomètre.
 Elle est donnée par la relation suivante: l=c/n avec c est la célérité de la
lumière dans le vide et est la fréquence.
 La bande de fréquences térahertz THz désigne les ondes
électromagnétiques s'étendant de 100 GHz à 30 THz.
 La lumière visible s'étend de 400 nm (violet) à 800 nm (rouge).
 Trois longueurs d’onde sont utilisées en communications optiques: 800
nm, 1300 nm et 1550 nm.
4

La fibre optique: Avantages pour les
télécommunications
 Nombreux atouts par rapport aux câbles en cuivre :
 Très faible atténuation ( 0.2 dB/km),
 Très large bande passante (25 THz),
 Faible poids, très petite taille (cœur de quelques microns dans une
gaine de quelques centaines de microns).
 Sécurité électrique : isolation totale entre terminaux, utilisation en
ambiance explosive insensible et non générateur de parasites,
 Inviolabilité : difficile d’interception d’un signal véhiculé sur une fibre
optique.
 Avantage économique: moins cher que sur cuivre.
5

Les fibres optiques
Présentation
Une fibre optique est constituée de trois éléments concentriques.
 Le cœur: dans cette zone, constituée de verre, que la lumière est guidée et se
propage le long de la fibre.
 La gaine: couche de verre qui entoure le cœur. La composition du verre utilisée est
différente de celle du cœur. Lʼassociation de ces deux couches permet de confiner
la lumière dans le cœur, par réflexion totale de la lumière à lʼinterface cœur-gaine.
 La couche de protection: un revêtement de protection mécanique généralement
en PVC.
Communications optiques 6
Constitution d'une fibre optique

Les fibres optiques
Principe du guidage de la lumière dans une fibre
 Un rayon guidé va subir une réflexion totale à l'interface des deux
couches optiques.
 Si la lumière pénètre dans le cœur de la fibre avec un angle suffisamment
petit, elle subit une réflexion totale à la surface qui sépare le cœur de la
gaine, et elle se propage le long de l'axe de la fibre, suite aux réflexions
successives.
 Un rayon peut être simplement réfracté à l'entrée dans la fibre puis à
l'interface des deux couches, il passera alors dans la gaine et sera perdu.
-> Il existe un angle limite d’injection
n1
n2
Rayon guidé
Rayon
réfracté
7
Guidage de la lumière dans une fibre optique

Structures des fibres optiques
Il existe deux types de fibres optiques :
 La fibre multimode: Multi Mode Fiber (MMF)
 Le diamètre du cœur est grand devant la longueur d’onde.
 Ce diamètre est de l’ordre de 50 à 200 mm pour les fibres de silice.
 La propagation du rayon lumineux se fait selon des milliers de modes
grâce à la réflexion totale sur la surface de séparation cœur-gaine.
 Problème : aucun des modes n'arrive au même moment en bout de
fibre.
 Fibre multimodes à saut d’indice et à gradient d’indice.
 La fibre monomode: Single Mode Fiber (SMF)
 Un diamètre de cœur (10 mm), faible par rapport au diamètre de la
gaine (125 mm) et proche de l'ordre de grandeur de la longueur d'onde
de la lumière injectée.
 Le cœur est si fin que le chemin de propagation des différents modes
est pratiquement direct (sans réflexion).
8

Les fibres à saut d'indice
Présentation
 Le type le plus simple de fibre multimode est le fibre optique à saut
d’indice (step-index fiber), directement issues des applications optiques.
 Dans cette structure, le cœur, d’indice de réfraction n1, est entouré d’une
gaine optique d’indice n2 légèrement inferieur. Ces indices sont voisins de
1.5 pour les fibres de silice.

t
Impulsion émise

Étalement + atténuation
t
’
Plusieurs modes de propagation
Propagation de la lumière
Tracé des rayons optiques pour la fibre multimode
à saut d’indice
10
 Inconvénient: élargissement des impulsions lumineuses émises.

Les fibres à saut d’indice
Ouverture numérique
 L’angle i est déterminé par l’angle d’entrée du rayon dans la fibre, α. Supposons
que la surface d'entrée de la fibre est perpendiculaire à son axe de symétrie. En
passant du milieu extérieur d'indice de réfraction next (généralement de l'air) dans
le cœur de la fibre, l'onde est réfractée en accord avec la loi de Snell. On a :
Propagation à travers une fibre à saut d'indice. L'angle α doit être inférieur à une valeur maximale,
telle que i reste supérieur à l'angle critique pour la réflexion totale (rayon en trait plein). Le trait
interrompu représente un rayon de gaine, qui peut se propager sur une distance plus courte.
next sin α = n1 sin β

Ouverture numérique
 L'angle d’entrée dans la fibre, α, doit donc être inférieur à αmax:
 Cet angle maximal s'appelle l'angle d'acceptance ou l'angle d'admission de la fibre.
Cet angle d’acceptance, que l’on retrouve dans de nombreux domaines en
optique, est habituellement décrite par une quantité appelée l'ouverture
numérique du système (O.N.) (en anglais, numerical aperture, NA). Par définition,
l’ouverture numérique est donnée par
 Il est particulièrement intéressant d’inclure les indices n1 et n2 dans l’ouverture
numérique, car, elle constitue une caractéristique du système optique,
indépendante du milieu extérieur dans lequel celui-ci est placé.
ON = next sin α

Dispersion
 L'information est transmise sous la forme d'une série d'impulsions de
lumière.
 En général, les impulsions à la sortie de la fibre sont élargies par rapport
aux impulsions à l'entrée.
 Le phénomène physique responsable de cet élargissement est la
dispersion de la fibre.
 Si l'élargissement est trop important, il n'est plus possible de décoder
correctement l'information à la sortie: il y a perte d'information suite à des
erreurs de transmission.
 L’exemple suivant montre un train d’impulsions lumineuse à l'entrée d'une
fibre optique et l’effet de la dispersion.
13

Dispersion
(a) Intensité lumineuse à l'entrée d'une fibre optique.
(b) Après une certaine distance, les impulsions ont été
élargies par la dispersion de la fibre.
(c) Lorsque cet élargissement devient trop important, il n'est plus
possible de distinguer deux impulsions voisines.
14
Propagation de la lumière dans une fibre
à saut d'indice

Dispersion modale
 Dans une fibre multimode, la lumière peut se propager suivant différentes
directions, correspondant à des modes différents.
 La distance parcourue entre les extrémités de la fibre dépend de la direction de
propagation.
 Pour une fibre de longueur L, un mode qui se propagerait parallèlement à l'axe de
la fibre doit parcourir une distance L,
 Un mode correspondant à un angle i doit parcourir une distance L /sin(i) .
 Les angles de propagation permis sont définis par le cône d'acceptance; ils sont
compris entre ic et 90°.
 La différence de temps de propagation entre les directions extrêmes vaut donc:
 En remplaçant ic par sin(ic)=n2/n1, la dispersion modale s’écrit comme suit:
avec ∆=(n1-n2) /n1et c=3.108m/s.
1
1
mod
/
/
sin
/
n
c
L
n
c
i
L c



L
cn
n
2
1
mod



15

Bande passante
 Soit B la fréquence maximale des impulsions.
 Pour que les impulsions puissent être distinguées à la sortie de la fibre, on
exige généralement que l'élargissement soit inférieur à la séparation entre
les impulsions:
 Soit
 Le produit de la fréquence maximale par la longueur est donc une
caractéristique de la fibre. Il est appelé bande passante de la fibre et est
exprimé en MHz.km ou GHz.km.
B
1
mod 

)
( 2
1
1
2
n
n
c
n
n
BL


16

Les fibres à gradient d'indice
Présentation
 Les fibres à gradient d’indice (graded-index fibers) ont été spécialement conçues
pour les télécommunications, afin de minimiser l’effet de dispersion intermodale
sans trop réduire l’ouverture numérique, donc la puissance couplée.
 Le cœur est constitué de couches de verre successives à indice de réfraction de
plus en plus grand. L’indice de leur cœur diminue suivant une loi d’allure
parabolique depuis l’axe jusqu’à l’interface cœur-gaine. De la sorte, les rayons
suivent une trajectoire d’allure sinusoïdale, et ceux ayant le trajet le plus long
passent par des milieux d’indice plus faible, ce qui augmente leur vitesse et
permet d’égaliser approximativement les temps de propagation.
 La gaine n’intervient pas dans le guidage lui-même, mais joue un rôle de filtrage
spatial en élimant les rayons les plus inclinés.
Profil d’indice des fibres à gradient d’indice

Propagation de la lumière
t
Atténuation
Etalement moins important
’
t
Impulsion émise

Plusieurs modes de propagation
Tracé des rayons optiques pour la fibre multimode
à gradient d’indice

Dispersion intermodale
 Les rayons qui s'écartent de l'axe suivent donc un chemin plus long, mais
comme l'indice de réfraction diminue vers le bord du cœur, la vitesse de
propagation augmente.
 Par conséquent, les modes d'ordre supérieur (c.à.d. qui s'écartent
davantage de l'axe) peuvent compenser le chemin plus long par une
vitesse moyenne plus grande.
=> La dispersion intermodale diminue.
 Dans le cas d'une source monochromatique, on obtient alors un
élargissement donné par:
 On constate donc une réduction de la dispersion modale d'un facteur 8/∆
par rapport à une fibre à saut d'indice.
L
c
n 2
1
mod
8



19
avec

Les fibres monomodes
 Lorsque le diamètre de cœur est petit (moins de 10 µm) et la différence
d'indice faible (moins de 0,5 %) il est possible de sélectionner un seul
mode qui se propage au voisinage de l'axe.
 La fibre ne propage qu'un seul mode si la fréquence normalisée vérifie la
condition suivante :
où a est le rayon du cœur de la fibre.
 Si V >> 1, le nombre de modes pour une FO à SI est donné par :
N≈V2/2
 La fréquence de coupure est celle au-dessus de laquelle la fibre devient
monomode:
λc=(2πa )/V
405
.
2
2 2
2
2
1
0


 n
n
a
V
l

20
2
2
2
1 n
n 
Faible atténuation
Faible étalement

Comparaison des performances des 3 types de
fibres

Caractéristiques des fibres optiques
Atténuation
 Atténuation (linéique) a en dB/km à 1,55 µm
 Ce paramètre d’atténuation traduit l’ensemble des pertes causées par différents
processus physiques:
 Absorption de la silice (material absorption)
 Transitions électroniques (UV), résonnance vibrationnelle (IR)
 Impuretés
 Le verre n’est plus transparente au delà de 2 µm
 Diffusion Rayleigh (Rayleigh scattering)
 αr = 1/λ4
 Fluctuations de la densité
 Imperfection de la fibre (waveguide imperfections)
 1% signifie 0.03 dB/km
 “Microbending”: imperfection de fabrication
 “Macrobending”: rayon de courbure 5mm
22

 Ces imperfections et d’autres propriétés de la fibre donnent une atténuation non
linéaire en fonction de la fréquence.
 Si on injecte une puissance lumineuse P0 alors sa décroissance linéique est donnée
par la relation suivante :
  dBW)
ou
(W
10 10
L
0
a

 P
L
P
a atténuation
linéique en
(dB/km)
P
0
L en km
Atténuation
P
P
dB
0
log
10

a
L
P0 P
23
L
P
P
km
dB /
log
10 0
/ 






a

 En 1974, on avait a=20 dB/km,
 Aujourd’hui a vaut typiquement 0,1 dB/km,
 Certaines plages de fréquences favorables ont une faible atténuation
 Ces sont les fréquences utilisées pour les communications optiques.
 Le figure ci-dessous montre que l'affaiblissement est plus important vers (850nm)
que dans l'infrarouge (1300-1550nm).
 ‰
L’atténuation varie suivant la longueur d’onde.
Atténuation
24
Affaiblissement de la lumière en fonction de la longueur
d'onde de la source

Dispersion chromatique
 Une source parfaitement monochromatique n'existe pas.
 La lumière émise par une source réelle est donc constituée de la somme de
différentes longueurs d'onde.
 La dispersion chromatique (appelée aussi spectrale) est liée à une différence
de vitesse de propagation dans la fibre en fonction de la longueur d’onde qui
provoque un élargissement des impulsions optiques. Par conséquent, une
interférence entre symboles conduit à une augmentation du taux d'erreur
binaire (BER : bit error rate) du système de communication.
 La dispersion limite essentiellement la bande-passante du signal pouvant être
transmis par la fibre.
 Utiliser les composants émetteurs les plus monochromatiques possibles.
25
Influence de la dispersion chromatique sur une impulsion optique.

 L'indice de réfraction d'un matériau dépend de la longueur d'onde. Il en
résulte que la vitesse de propagation de la lumière dans un matériau
dépend également de sa longueur d'onde.
 Il en résulte un temps de propagation différent pour les différentes
composantes spectrales, et donc un élargissement des impulsion de
lumière émises par une source non monochromatique.
 L'élargissement par dispersion chromatique du matériau dépend de la
largeur spectrale de la source et du paramètre D du cœur, appelé
coefficient de dispersion du cœur:
 D dépend des caractéristiques physiques du cœur et de la longueur
d'onde.
DL
m
c 0
, l
 


26

 La figure ce dessous montre le paramètre de dispersion de la silice en
fonction de la longueur d'onde.
 Les valeurs sont généralement données en ps.nm-1.km-1, ce qui
correspond à des longueurs de fibre données en km et des largeurs
spectrales en nm.
 On note l'existence d'une région de dispersion chromatique négligeable,
autour de 1,27 μm
Paramètre de dispersion de la silice en fonction
de la longueur d'onde.
27

Dispersion chromatique du guide d’onde
 Il faut tenir compte d'une autre phénomène. En effet, le calcul des modes
montre que la direction de propagation dépend, pour un mode donné, de
la longueur d'onde
 Par conséquent, pour un mode donné, le temps de propagation dépendra
de la longueur d'onde, même si on choisit la longueur d'onde
correspondant à une dispersion matériau nulle.
 La dispersion de guide d'ondes est donnée par une formule analogue à la
dispersion matériau:
 La dispersion chromatique totale tient compte des deux effets: dispersion
matériau et dispersion de guide d'ondes:
g
c
m
c
c ,
, 

 




L
d
n
d
c
eff
g
c
0
2
2
0
0
,
l
l
l
l
 











28

Dispersion totale
 Il faut combiner la dispersion modale et les deux sources de dispersion
chromatique:
 Dans une fibre multimode, la dispersion modale est principalement responsable
de l'élargissement des impulsions et donc de la limitation de la bande passante.
 Dans une fibre monomode également, la dispersion totale doit tenir compte de la
dispersion chromatique matériau et de la dispersion chromatique de guide
d'ondes, car ces deux effets sont semblables au cas des fibres à saut d'indice.
Dispersion chromatique totale dans une fibre en
silice à saut d'indice.
   2
mod
2


 



 c
29

Les effets non linéaires
 L’optique non-linéaire concerne l’étude des phénomènes qui se produisent
lors qu’il survient une modification des propriétés optiques d’un matériau en
présence de lumière.
 Les effets non-linéaires sont en général une nuisance pour les réseaux de
télécommunication car ils altèrent le signal transmis.
 Cependant, ces effets présentent de nombreuses applications utiles avec en
particulier l’implémentation de fonctionnalités tout optique dans les réseaux
optiques et l’amplification de signaux.
 Les principales sources de non linéarité dans les fibres optiques :
 l‘effet Kerr: Ce phénomène se traduit par une modulation de l’indice de réfraction du
milieu non-linéaire en fonction de l’intensité de l’onde qui traverse le matériau.
 la diffusion Raman: Cet effet consiste en la diffusion inélastique d’un photon, c.à.d. le
phénomène physique par lequel un milieu peut modifier légèrement la fréquence de la
lumière qui y circule. Ce décalage en fréquence correspond à un échange d'énergie
entre le rayon lumineux et le milieu.
 l‘effet Brillouin: est la diffusion inélastique de la lumière par les ondes acoustiques d'un
milieu.

Anthony REGIS / Romain VENOT 32
Fibre optique
Connexions
 Lors d'une connexion bout à bout on peut avoir au niveau des
connexions:
 une séparation longitudinale,
 un désalignement radial,
 un désalignement angulaire ,
 une excentricité des cœurs ,
 voire une ellipticité des cœurs .
Le positionnement idéal coïncide évidemment avec un maximum
de lumière transmise.

Anthony REGIS / Romain VENOT 33
Fibre optique
Connexions
 Dès lors, on perçoit un problème important  L'affaiblissement du
signal au passage dans ces épissures si celles-ci ne sont pas bien calées
ou sont mal soudées.
 Plusieurs sources d’affaiblissement.

Comment raccorder deux fibres optiques
 Il existe deux manières de raccorder entre elles deux fibres optiques:
L’épissure
 Cette opération consiste à raccorder directement les deux fibres par soudure
au moyen dʼun arc électrique, en alignant le mieux possible les deux cœurs de
fibre. Elle se fait grâce à un appareil appelé soudeuse ou épissureuse.
Avantages:
 Cette méthode de raccordement est rapide et relativement simple à mettre en
œuvre.
 La perte de lumière engendrée par la soudure, due à un alignement des cœurs
imparfait, reste très faible.
Inconvénients:
 Ce type de raccordement est relativement fragile (malgré une protection de la
fusion par un tube thermo-rétractable).
 Cʼest un raccordement définitif.
 Il faut investir dans une soudeuse.

Comment raccorder deux fibres optiques
L’utilisation de connecteurs
Il faut réaliser le câblage du connecteur à chacune des extrémités des fibres à
raccorder. On peut alors raccorder les deux fibres en raccordant les deux
connecteurs.
Avantages:
 Ce type de raccordement est robuste. On peut choisir le type de connecteur et la
robustesse de celui ci en fonction du domaine dʼapplication du système.
 Le raccordement est amovible. On peut connecter et déconnecter les deux fibres
plusieurs centaines à plusieurs milliers de fois sans détérioration.
Inconvénients:
 La mise en œuvre est moins rapide que la fusion, et requiert une expérience ainsi
que des outillages spécifiques.
 La perte de lumière due à la connexion est plus élevée que dans le cas dʼune
épissure.

Les différents types de connecteurs
 Il existe nombre de connecteurs pour la fibre optique. Les plus répandus sont les
connecteurs ST et SC qui font partie des solutions les plus courantes pour des
réseaux fiables.
 Pour les réseaux informatiques Fiber Distributed Data Interface (FDDI), on utilise
les connecteurs doubles MIC .
 Il y a aussi les connecteurs SMA (SubMiniature version A) qui sont des connecteurs
à écrou fileté avec un joint torique et sans CP (contact physique), et les
connecteurs FCPC qui sont des connecteurs à écrou fileté, très courts et rigides,
utilisés pour la fibre monomode.
Connecteur ST
Connecteur SC Connecteur FDDI ou MIC
SMA
FCPC

Les différents types des connecteurs
 Il y a plusieurs manières pour coupler de la fibre optique:
 Le couplage mécanique de deux connecteurs mis bout à bout au moyen d'une
pièce de précision. Le dessin ci-dessous montre l'union de deux connecteurs ST,
mais il existe des coupleurs ST/SC ou ST/MIC.
 Le raccordement par Splice mécanique qui est utilisé pour les réparations à la suite
de rupture ou pour raccorder une fibre et un connecteur déjà équipé de quelques
centimètres de fibre que l'on peut acquérir dans le commerce(Pig tail).
 La fusion au moyen d'un appareil à arc électrique appelé fusionneuse.
Trois exemples de connexions en fibre optique

Mesures optiques
 Elles désignent, en standard, la mesure par affaiblissement, c’est-à-dire la perte
engendrée par la fibre et l’ensemble des composants de la liaison optique. Elle
englobe 2 méthodes : la mesure de perte par insertion ou mesure par
rétrodiffusion (réflectométrie).
 Mesure par insertion
 Cette méthode est utilisée sur site pour effectuer des mesures de puissance de l’énergie
lumineuse qui est émise et reçue via une liaison optique. Elle permet de mesurer la
perte d’une liaison. Elle utilise un émetteur de lumière stabilisé et un récepteur
(mesureur de puissance) étalonné ainsi qu’un jeu de bobines ou de cordons de
référence.
 Réflectométrie
 Méthode de mesure basée sur l’injection et la réception d’une impulsion lumineuse à
une même extrémité de la fibre. Elle permet de visualiser et caractériser l’ensemble des
éléments constitutifs de la liaison optique (Cartographie) : le calcul de l’affaiblissement
et de la réflectance de chaque élément de la liaison optique. L’équipement de mesure
utilisé est le réflectomètre, également appelé OTDR (Optical Time Domain
Reflectometer).

Spécificités des réseaux tout optique
 Fibres à saut d’indice conviennent bien aux transmissions à très courte distance
(réseaux LAN et MAN) pou un débit <50Mb/s.
 Plusieurs standards de fibres toute silice à gradient d’indice (GI) ont été
normalisés pour des applications en télécommunications courtes
distances (fibre 50/125, utilisée pour les réseaux locaux à très haut débit),
réseaux locaux informatiques (62.5/125) et distribution vidéo de 1ere
génération (85/125 peu utilisée). Des fibres plastiques à gradient d’indice
apparaissent pour le gigabit Ethernet.
 Fibres monomodes: plus puissantes
 utilisées pour les grandes distances : réseaux MAN et WAN
 permettent des débits importants
39

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