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Plan du cours
1
 Généralités sur l'optique
 Notions élémentaires sur la F.O.
 Le Bilan de Liaison
19/04/2012
Formation Théorique en Fibre Optique

Plan du cours
2
19/04/2012

Objectifs
19/04/2012
3
 Pourquoi la fibre Optique ?
 Des transmissions multiservices toujours croissantes
 L'avènement du réseau "tout optique" pour remplacer les
réseaux numériques déployés (PDH vers 1980 puis SDH dès
1990)
 L'atout de la lumière guidée
 L'immunité aux interférences externes

Comparaison avec les autres média
19/04/2012
4
Paires
torsadées Câble coaxial Fibre
optique
Coût Bas Moyen Assez
élevé
Bande passante Moyenne Large Très large
Longueur maximale Moyenne Elevée Elevée
Immunité aux
interférences
Basse
moyenne
Moyenne
élevée
Très
élevée
Facilité de connexion Simple Variable Difficile
Facilité d'installation Variable Variable Difficile
Fiabilité Bonne Bonne Très
bonne

Spectre disponible
19/04/2012
5
La quantité d'informations susceptible d'être transportée est
proportionnelle à la fréquence de l'onde porteuse :
Lm = Cm/s / FHz avec C = 3 108
VLF ( Very Low Frequency ) de 3 à 30 kHz de 10 à 100 km
LF ( Low Frequency ) de 30 à 300 kHz de 1 à 10 km
MF ( Medium Frequency ) de 300 à 3000 kHz de 100 à 1000 m
HF ( High Frequency ) de 3 à 30 MHz de 10 à 100 m
VHF ( Very High Frequency ) de 30 à 300 MHz de 1 à 10 m
UHF ( Ultra High Frequency ) de 300 à 3000 MHz de 1 à 10 dm
SHF ( Super High Frequency ) de 3 à 30 GHz de 1 à 10 cm
EHF ( Extra High Frequency ) de 30 à 300 GHz de 1 à 10 mm
Lumière infra-rouge de 100 à 1,6 µm
Lumière visible de 1,55 à 0,8 µm

Spectre disponible
19/04/2012
6
100
Hz
1
kHz
10
kHz
100
kHz
1
MHz
10
MHz
100
MHz
1
GHz
10
GHz
100
GHz
1
THz
10
THz
100
THz
VLF LF MF HF VHF UHF SHF EHF
km hm dam m dm cm mm µm
F.V. Infra-rouge U.V.

Spectre disponible
19/04/2012
7
100
Hz
1
kHz
10
kHz
100
kHz
1
MHz
10
MHz
100
MHz
1
GHz
10
GHz
100
GHz
1
THz
10
THz
100
THz
F.V. Infra-rouge
M
o
d
e
d
e
p
r
o
p
a
g
a
t
i
o
n
Onde de sol
Réflexion ionosphérique
Réfraction troposphérique
Dispersion troposphérique
Visibilité directe
U.V.

Spectre disponible
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8
100
Hz
1
kHz
10
kHz
100
kHz
1
MHz
10
MHz
100
MHz
1
GHz
10
GHz
100
GHz
1
THz
10
THz
100
THz
F.V. Infra-rouge
R
a
d
i
o
d
i
f
f
u
s
i
o
n
s
o
n
o
r
e
Ondes longues (OL) 150 à 285 kHz
Télévision (bande I, III, IV et V)
Ondes moyennes (OM) 0,525 à 1,6 MHz
Ondes courtes (OC) 4 à 26 MHz
Ondes ultra-courtes (OUC) 87,5 à 108 MHz
Radiodiffusion
visuelle 41/68, 174/216, 470/605, 606/960 MHz
U.V.

Spectre disponible
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9
100
Hz
1
kHz
10
kHz
100
kHz
1
MHz
10
MHz
100
MHz
1
GHz
10
GHz
100
GHz
1
THz
10
THz
100
THz
F.V. Infra-rouge
S
y
s
t
è
m
e
s
d
e
t
é
l
é
c
o
m
m
u
n
i
c
a
t
i
o
n
s
Radio communications mobiles
80, 160 et 460 MHz
Faisceaux hertziens
(FH) 0,25 à 22 GHz
Satellites 3 à 30 GHz
Télégraphie et téléphonie par ondes courtes
1,6 à 30 MHz
U.V.

3 longueurs d’onde utilisées en communications optiques
Lumière visible
l
Infra-Rouge Ultra-Violet
Longueurs d'onde utilisées
800 nm 1300 nm 1550 nm
F = c / l
l
19/04/2012
Formation Théorique en Fibre Optique 10

Concepts de l'optique
19/04/2012
11
 Optique "géométrique"
 Rayons lumineux rectilignes utilisés pour la description des
instruments optiques classiques (lentilles, lunettes,…)
 Optique "ondulatoire"
 Les rayons peuvent être perçus comme des ondes
électromagnétique qui se propagent.

Vitesse de propagation
19/04/2012
12
 Vitesse de propagation de la lumière dans le vide :
C = 300 000 km/s (Célérité)
 La vitesse de propagation de la lumière dans un milieu
est :
Vitesse de propagation = C / n ( n = indice de réfraction )
 Les principaux indices de réfraction sont :
 1 pour le vide
 1,003 pour l'air
 1,3 pour l'eau
 1,5 pour le verre
 2 pour le diamant

 L'indice absolu n1 d'un milieu est le rapport entre la vitesse de la
lumière dans le vide et la vitesse de la lumière dans le milieu
considéré.
19/04/2012
Indice optique d'un milieu
Vitesse de la lumière : c = 299792,5 km/s
1
1
c
c
n =

Théorèmes optiques
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14
 La réflexion
 La réfraction
 La diffusion
 L'absorption
 La diffraction

La Réflexion
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15
 La réflexion est le renvoi de la lumière par la surface
qui la reçoit :
 Le rayon réfléchi est dans le plan d'incidence
 L'angle de réflexion est égal à l'angle d'incidence
N
n1
n2
Rayon réfléchi
Rayon incident i i'
1ère
loi de Descartes

19/04/2012
La Réflexion

La Réfraction
19/04/2012
17
• La réfraction est la déviation subie par les rayons
lumineux à la traversée de la surface séparant deux
milieux transparents :
 Le rayon réfracté se trouve dans le plan d'incidence
 L'angle de réfraction suit la loi : n1 sin i = n2 sin r
Rayon incident
2ème
loi de Descartes
N
n1
n2 Rayon réfracté
i
r
i
r
n
n 2
1 



Réflexion & Réfraction
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18
Rayon incident
N
n1
n2
Rayon réfléchi








=
2
1
arcsin
n
n

i
n1 > n2
i =  = angle limite de réfraction
i >  (effet miroir)

Rayon réfracté

L'absorption
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19
 Partie de l'énergie lumineuse qui est absorbée par
certains éléments.
 Elle est transformée en une autre forme d"énergie :
 Vibrations moléculaires
 Rayonnement stimulé ……

La diffusion
19/04/2012
20
 La diffusion est le renvoi de la lumière dans toutes
les directions par le milieu qu'elle frappe.
R

La diffraction
19/04/2012
21
 La diffraction est l'éparpillement d'un rayon
lumineux traversant une ouverture de faible
diamètre sur une surface finement striée.
théorique
réel

22
19/04/2012

Supports physiques de transmission
EMETTEUR
CANAL
OU
LIGNE
RECEPTEUR
 Un élément de transport apparent, par exemple un câble ou un guide d’onde
 Ils sont classés en diverses catégories en fonction de leurs matériaux
constituants et de leurs formes.
 Généralement, chaque support correspond à un mode de propagation et à
une étendue de fréquence, on dit qu’il est adapté à une gamme de fréquence.
19/04/2012
23

Mode d’exploitation des lignes
 Simplex : la ligne n’est utilisée que dans un seul sens de transmission
 Semi duplex ou half duplex : la ligne autorise la passage des signaux
dans les deux sens mais pas simultanément.
Dans ce type d’utilisation, il faut prévoir a chaque modification du sens
de transmission des temps de silence, dits « temps de retournement ».
 Duplex intégral ou full duplex : la ligne autorise le passage des signaux
dans les deux sens simultanément.
19/04/2012
24

 Les fibres optiques sont non-conducteurs de l’électricité et n’irradient pas
de l’énergie ;
 Ce sont des guides pour des ondes électromagnétiques de fréquences très
élevées, dont certaines sont dans le spectre visible.
Leurs principales propriétés sont:
 Grande capacité
 Indifférence aux rayonnements ou parasites électromagnétiques de tous
genres.
• Immunité aux diaphonies causées par induction magnétique entre
câbles voisins ;
• Immunité aux interférences statiques causées par allumage, moteurs
électriques, lumières fluorescentes et autres sources de bruit électrique ;
 Plus résistantes à l’environnement et sont moins infectées par les liquides
solvants, les gaz corrosifs, ou autres produits contaminant ;
Faciles à installer et à maintenir
Sécurisées ;
19/04/2012
25

La technologie de la fibre optique bénéficie des capacités potentielles:
• Une largeur de bande énorme,
• Une faible atténuation du signal (en dessous de 0,2dB/km),
• Une faible déformation du signal,
• Une faible alimentation électrique,
• Un petit espace requis
• Un prix réduit
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26

Gaine mécanique
250 mm
Gaine optique (n2)
125 mm
Coeur
(n1>n2)
Fibres multimode 20 à 100µm
Fibres monomode < 10 mm
19/04/2012
Structure d'une fibre optique

 La masse d'une fibre optique est d'environ 1/10e de la masse d'un câble
coaxial d'égale performance pour les fibres optiques actuelles les moins
performantes.
 Le regroupement de plusieurs fibres constitue un câble optique. Pour des
besoins d’installation, on ajoute un élément qui renforce le câble à fibre
optique
19/04/2012
28

La définition d'une fibre optique s'appuie sur la longueur d'onde du signal
électromagnétique qu'elle peut transporter.
La longueur d'onde (λ) est donnée par le rapport de la vitesse de la lumière
(en km/s) par la fréquence:
λ = c/f = 300000km/f
Les fibres optiques sont généralement utilisées dans l'infrarouge proche,
soit à une longueur d'onde de l'ordre du μm. Les pertes relatives (dB/km)
en fonction de la longueur d'onde montrent un minimum autour de
λ=1550nm; et cette longueur d'onde permet aussi des fibres à faible
dispersion.
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n1
n2
Rayon guidé
N
Rayon réfracté
Il existe un angle limite d’injection
19/04/2012
Principe du guidage dans une fibre

n1
n2
N N
2
2
2
1
max
sin
1 n
n
n
ON 
=
= 
Ouverture numérique
Cône d’acceptance
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L'injection dans la fibre
max


Conditions de guidage
19/04/2012
32
• Il existe deux conditions de guidage :
 n1 > n2
 i >   réflexions totales tout au long de la fibre optique
 On utilise deux types de fibre.
10 µm < Rayon de cœur < 100 µm
Bande passante limitée à 1GHz
Fibres à saut ou gradient d’indice
Fibre multimode
Rayon de cœur très faible
Bande passante > 1GHz
Fibres à saut d’indice
Fibre monomode

La notion de mode
19/04/2012
33
 Issue du caractère ondulatoire de la lumière, l'injection d'une
onde électromagnétique dans la fibre optique entraîne une
décomposition de l'énergie incidente en sous entités
énergétiques ou "mode" qui se propagent différemment.
 En multimode l'énergie se répartie sur plusieurs modes ou
chemins possibles. Les chemins étant de longueurs
différentes, les temps de propagation seront différents, ce qui
limitera la bande passante.
C'est la dispersion modale. Elle est négligeable en monomode

Types de fibre optique
19/04/2012
34
 Trois catégories de fibres optiques:
• La fibre multimode à saut d'indice
• La fibre multimode à gradient d'indice (graded index),
• La fibre monomode

Elles sont constituées:
d’un cœur d’indice n1
d’une gaine d’indice n2
r
n
19/04/2012
La fibre multimode à saut d'indice

La fibre multimode à saut d'indice
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36
Indice de réfraction dans le cœur n1 est constant

t
Pulse émis

Étalement + atténuation
t
’
n1
n2
Plusieurs modes de propagation
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Propagation de la lumière dans la fibre
multimode à saut d'indice

19/04/2012
Inconvénient :
• Divers modes de propagation lumineux.
• Diversité de chemins pour chaque Longueur d’Onde.
• Différents temps de parcours lumineux.
• Déformation du signal.
multimode à saut d'indice

r
n
Elles limitent le phénomène d’élargissement d’impulsion
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Fibre multimode à gradient d'indice
L'indice du cœur varie suivant
une loi parabolique fonction de r

19/04/2012
Fibre multimode à gradient d'indice
• L’indice du cœur diminue suivant une loi parabolique depuis l’axe
jusqu’à l’interface cœur-gaine.
• La diminution de l'indice fait que la lumière se propage plus vite, ce
qui réduit la dispersion intermodale.

t
Atténuation
Etalement moins important
’
t
Pulse émis

n1
n2
Plusieurs modes de propagation
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multimode à gradient d'indice

r
n
Le diamètre du cœur
est très petit
m
m
10
à
3
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La fibre monomode
Elles sont constituées:
d’un cœur d’indice n1
d’une gaine d’indice n2

t
Pulse émis

n1
n2
t
Faible atténuation
Faible étalement

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monomode
Un seul mode de propagation

19/04/2012
Avantages:
•Un seul mode de propagation lumineux (par le centre de la FO).
• Diamètre du noyau plus réduit, compris entre 8 et 10 µm.
• Le signal ne se déforme pas
• Communication à longue distance
• Communication à haute vitesse
• Traitement plus complexe
monomode

C’est une variable utilisée par les technologues, elle est donnée par la
relation suivante:
ON . R
V .
2
l
p
=
Si V<2,405 alors la fibre est MONOMODE
Si V>2,405 alors la fibre est MULTIMODE
19/04/2012
La fréquence normalisée (V)

 Les valeurs typiques de bande passante pour une fibre de 1 km
sont:
19/04/2012
Bande passante
100 MHz
Multimode à
saut d'indice
quelques GHz
Multimode à
gradient d'indice
> 10 GHz
Monomode

 Une partie du signal se perd dans le noyau, malgré la non-existence de
réfraction.
 La mesure est en décibels par unité de longueur (dB/Km).
 Les pertes sont causées par divers facteurs, que l’on peut ainsi
qualifiés:
• Extrinsèque
• Intrinsèque
Les types de Perte dans la F.O
19/04/2012
47

EXTRINSÈQUE
 Pertes par courbure:
• Défauts de fabrication.
• Procédure d’installation.
• Elles sont appelées microcourbes, et elles ont des effets sur
la longue distance.
 Pertes par connexion et épissure:
• Pertes d’insertion des connexions (0,3-1,5dB)
• Épissures mécaniques (0,3-0,2dB).
• Épissures par fusion (<0,2dB).
• Préparation de l’épissure ou connexion:
 Coupure défectueuse.
 Saleté des surfaces à épisser.
 Caractéristiques différentes des FO.
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48

INTRINSÈQUE
 Pertes inhérentes à la FO:
• Pertes par absorption des métaux de transition Fe, Cu,
• Pertes par absorption par l’eau sous la forme de ions de OH-.
 Irrégularités dans le processus de fabrication:
• Variation du Ø du noyau.
 Réflexion de Fresnel:
• Quantité de lumière qui est réfléchie à cause d’un changement du milieu
Lumière Réfléchie (%)=
n1 - indice de réfraction du noyau
n2 - indice de réfraction de l’air
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49

 Les pertes dans la puissance du signal lors de la traversée de la lumière
dans la fibre optique sont appelées atténuation.
 Les trois fenêtres principales de fonctionnement des fibres optiques sont
autour de 800nm, 1300nm et 1500nm. Elles correspondent aux régions de
longueurs d’onde où l’atténuation est faible et qui sont adaptées du côté
émetteur de générer efficacement la lumière et du côté récepteur d’en
détecter.
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50

19/04/2012
Atténuation de la fibre optique

Parmi les causes physiques d’atténuation sont l’absorption et la
diffusion :
 Absorption : conversion de l’énergie de la lumière en chaleur ; l’absorption
enlève l’énergie du signal à cause de l’interaction entre la lumière qui se propage
(photons), et les molécules dans le noyau.
 Diffusion : radiation de la lumière propagée ; la diffusion redirige la lumière du
noyau vers la gaine
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52

19/04/2012
53
• Si on injecte une puissance lumineuse P0 alors sa
décroissance linéique est donnée par la relation
suivante :
  dBW)
ou
(W
0 e
P
x
x
P


=
 atténuation linéique en
(dB/km)
P0
x en
km

19/04/2012
54
 Aujourd’hui  vaut typiquement 0,2dB/km, ce
paramètre d’atténuation traduit l’ensemble des
pertes causées par différents processus physiques
(absorptions atomique ou moléculaire, diffusion,…)
 Typiquement en 1974 on avait =20 dB/km on a
donc réussi à optimiser la transmission optique dans
un rapport de 100 000

19/04/2012
55
 Aujourd’hui  vaut typiquement 0,2 dB/km, ce
paramètre d’atténuation traduit l’ensemble des pertes
causées par différents processus physiques (absorptions
atomique ou moléculaire, diffusion,…).
 Typiquement en 1974 on avait  = 20 dB/km on a donc
réussi à optimiser la transmission optique dans un
rapport de 100 000.
 Les valeurs recommandées par la spécification G 957 de
l’UIT sont :
 l = 1310 nm,  = 0,3 – 0,4 dB/km
 l = 1550 nm,  = 0,15 – 0,25 dB/km

Dispersion chromatique ou de longueur d’onde
Lorsqu’une onde se propage dans un milieu dispersif, les diverses
composantes fréquentielles de l’onde se propagent à des vitesses différentes,
créant un étalement temporel de l’onde à l’arrivée. On parle alors de
dispersion en groupe de vitesse
Élargissement temporel d’une impulsion dans une fibre
19/04/2012
56

L’étalement temporel entre deux longueurs d’ondes est proportionnel à
 La distance de transmission
 La largeur spectrale de la source
 Au paramètre de dispersion du milieu
Le paramètre de dispersion d’un milieu est proportionnel à la longueur d’onde et
à l’accélération du changement de l’indice de réfraction
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57

 Si le paramètre de dispersion est négatif, le milieu est dit posséder une
dispersion normale ou positive et les composantes de hautes fréquences du
signal transmis “voyagent” plus lentement que les composantes de basses
fréquences et le signal devient “chirpé positivement” augmentant en
fréquences avec le temps
impulsion à pas décroissant
19/04/2012
58

Dans le cas contraire où le paramètre de dispersion est positif, le
milieu possède une dispersion anormale et le signal diminue de
fréquences avec le temps.
Impulsion à pas croissant
 Si ce paramètre est nul, le milieu est non-dispersif et toutes les
composantes fréquentielles du signal voyagent à une même vitesse à travers
ce milieu
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59

Causée par la différence dans le temps de propagation des rayons
lumineux empruntant des chemins différents dans les fibres
multimodes.
Les rayons de lumière parcourent des distances différentes, et ils
arrivent en des temps différents.
Cette dispersion peut être réduite considérablement en utilisant des
fibres a gradient d’indice.
Dispersion modale – ou étalement d’impulsions
19/04/2012
60

61
19/04/2012

Bilan de la liaison
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62
 Budget d’équipement :
B.E = Pe – Pr – MS
Il représente l’affaiblissement maximal admissible
Par contre la liaison subit :
 Bilan d’atténuation de la liaison optique
 Bilan de dispersion chromatique

Bilan de la liaison
19/04/2012
63
 Bilan d’atténuation de la liaison optique se présente
dans :
 Pertes dues aux épissures Pepi = N*αepi
 Pertes dues aux connecteurs Pconn = N* α conn
 Pertes dues à la fibre Pf = αf * L
cela plus la marge câble Mc
αT + Mc < B.E

19/04/2012
64
 Bilan de dispersion chromatique D’une part :
Dadmissible = 0,33/ Bu
Bu bande utile du système
D admissible Représente la dispersion totale admissible à la limite de porté de notre
système
Donc la dispersion de notre liaison doit être inférieur à cette valeur :
Dc *Δλ* L2 < Dadmissible
Ainsi: Lmax = Min (L1, L2)
Lmax représente la porté maximum de notre liaison optique
Bilan de la liaison

19/04/2012
65
 Exemple :
Soit une fibre T.F 140 ALCATEL
Avec B = 167 Mhz, λ=1300 nm, Δλ= 4nm
La puissance émise est de : Pe = -3 bB
A la réception le seuil de réception est de Pr= - 37,5 dB
Son Dc = 3,5 ps/nm.Km
Atténuation linéique des épissures = 0,05 dB/Km
Pertes dues aux connecteurs et de 2dB
Marge système est de 5,5 dB
Marge câble est de 0,02 dB/Km
Atténuation de la fibre est de 0,45 dB/Km
Bilan de la liaison

19/04/2012
66
 Questions :
Déterminer le budget d’équipement
Déterminer la Dispersion maximale admissible
Déterminer la portée du système
Bilan de la liaison

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Le processus de fabrication

Fabrication de fibres optiques et de câbles
optiques
 La composition de la fibre optique est régit par deux paramètres :
l’atténuation et le coût.
 Pour ce qui est de l’atténuation, on cherche à travailler dans une fenêtre
de longueurs d’onde où l’atténuation est la plus faible.
 Les fibres sont construites de verre, de plastique ou d’une combinaison
des deux, (ou même de chlorite de zinc) ;
En comparant le plastique au verre, on note les avantages suivants:
+ Plus flexible ;
+ Plus facile à installer ;
+ Moins cher ;
+ Pèse 60% moins que celui de verre ;
- Forte atténuation, ne propage pas aussi bien la lumière que le verre ;
-Moins résistant
- Plus encombrant ;
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 La fibre optique de verre, possède un diamètre nominal de 125μm et
dispose d'une grande capacité de transmission
La fibre optique en verre
 Les fibres optiques en verre sont constituées de verres spéciaux,
généralement dopés (plomb, etc.) de 2000 à 40000 fois plus transparents
que le verre ordinaire
 Ce dopage peut se modifier dans le temps ou peut être pollué, par
rayonnements radioactifs,
 Les fibres à noyau de verre et à gaine de verre (SCS) présentent les meilleures
caractéristiques de propagation
19/04/2012
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Durant le processus de fabrication des fibres optiques en verre, des impuretés
sont ajoutées pour obtenir les indices de réfraction désirés pour guider la
lumière.
On réalise un écart d'indice entre le coeur et la gaine en incorporant des
dopants, tels que:
• Le Germanium et le Phosphore qui accroissent l'indice de réfraction dans le
coeur,
• Le Bore et le Fluor qui le font décroître dans la gaine.
19/04/2012
70
La fibre optique en verre

CONSTRUCTION
☞ STRUCTURE AISÉE (FO 250μm)
☞ STRUCTURE SERRÉE (FO 900μm)
STRUCTURE AISÉE:
Les câbles de structures aisées sont employées dans la plupart des installations
extérieures, aériennes, dans des conduits, ou enfouis sous terre directement
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CÂBLES DE FIBRE OPTIQUE

• UNITUBE
Les FO se logent de façon aisée à l’intérieur de chaque tube (creux en général),
ou avec un gel hydrofuge résistant à l’eau, qui empêche le passage de celle-ci.
La FO a une surlongueur pour éviter les efforts de tension quand ceux-ci
adviennent sur le câble.
– Une couche de renforcement mécanique est appliquée sur le tube comme
support dans les opérations de pose et installation.
– La gaine ou protection extérieur du câble peut être formée, entre autres
matériaux, par du polyéthylène, une armature en acier ou d’autres matériaux
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ÉLÉMENTS PRINCIPAUX
A - Fibre optique (250μm)
B - Tube polyamide
C - Élément de renforcement
D - Gaine interne
E – Armature
F - Gaine extérieure
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Vidéo sur le processus de
fabrication

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FIN
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