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Comprendre les caractéristiques des différents types de câbles à fibres optiques permet de mieux appréhender leurs applications. Le bon fonctionnement d'un système à fibres optiques repose sur la connaissance du type de fibre utilisé et de son utilité. Il existe deux types principaux de câbles à fibres optiques : les câbles multimodes et les câbles monomodes. La fibre multimode est idéale pour les courtes distances de transmission et convient aux réseaux locaux (LAN) et à la vidéosurveillance. La fibre monomode, quant à elle, est conçue pour les longues distances de transmission et est donc idéale pour la téléphonie longue distance et les systèmes de diffusion de télévision multicanaux.
Fibre multimode
Les câbles à fibres multimodes , les premiers à avoir été fabriqués et commercialisés, se caractérisent par la transmission simultanée de nombreux modes, ou rayons lumineux, dans le guide d'ondes. Ces modes résultent du fait que la lumière ne se propage dans le cœur de la fibre que sous des angles discrets à l'intérieur du cône d'acceptance. Ce type de fibre possède un diamètre de cœur beaucoup plus important que celui de la fibre monomode, ce qui permet un plus grand nombre de modes. De plus, la fibre multimode est plus facile à coupler que la fibre optique monomode. On distingue deux types de fibres multimodes : les fibres à saut d'indice et les fibres à gradient d'indice. La figure 2 illustre l'application du principe de réflexion totale interne à la fibre multimode à saut d'indice. L'indice de réfraction du cœur étant supérieur à celui de la gaine, la lumière incidente sous un angle inférieur à l'angle critique est guidée le long de la fibre.
Trois ondes lumineuses différentes se propagent dans la fibre. Un mode se propage verticalement au centre du cœur. Un deuxième mode se propage avec un angle important et subit de multiples réflexions par réflexion totale interne. Le troisième mode dépasse l'angle critique et se réfracte dans la gaine. Intuitivement, on constate que le deuxième mode parcourt une distance plus longue que le premier, ce qui explique leur arrivée à des instants différents. Ce décalage temporel entre les rayons lumineux est appelé dispersion, et il en résulte un signal brouillé à la réception. Pour une explication plus détaillée de la dispersion, voir « Dispersion dans les systèmes à fibres optiques ». Il est toutefois important de noter qu'une forte dispersion est une caractéristique inévitable des fibres multimodes à gradient d'indice. Le terme « gradient d'indice » fait référence au fait que l'indice de réfraction du cœur diminue progressivement en s'éloignant du centre. L'augmentation de l'indice de réfraction au centre du cœur ralentit la vitesse de certains rayons lumineux, permettant à tous les rayons d'atteindre le récepteur quasiment simultanément et réduisant ainsi la dispersion. La figure 3 illustre le principe de la fibre multimode à gradient d'indice. L'indice de réfraction central du cœur, nA, est supérieur à celui de la périphérie, nB. Comme mentionné précédemment, l'indice de réfraction du cœur est parabolique, plus élevé au centre. La figure 3 montre que les rayons lumineux ne suivent plus une trajectoire rectiligne ; ils suivent un trajet sinueux, progressivement dévié vers le centre par la diminution continue de l'indice de réfraction. Ceci réduit la disparité des temps d'arrivée, car tous les modes arrivent quasiment en même temps. Les modes se propageant en ligne droite, ayant un indice de réfraction plus élevé, se déplacent donc plus lentement que les modes sinueux.Ces particules parcourent une plus grande distance mais se déplacent plus rapidement dans la région du noyau externe, où l'indice de réfraction est plus faible.
Fibre monomode
La fibre monomode permet une capacité de transmission d'informations supérieure car elle préserve la fidélité de chaque impulsion lumineuse sur de longues distances et ne présente aucune dispersion due à la présence de plusieurs modes. De plus, elle offre une atténuation plus faible que la fibre multimode. Ainsi, une plus grande quantité d'informations peut être transmise par unité de temps. À l'instar de la fibre multimode, les premières fibres monomodes étaient généralement qualifiées de fibres à saut d'indice : l'indice de réfraction du cœur est supérieur à celui de la gaine, contrairement aux fibres à gradient d'indice où il est progressif. Les fibres monomodes modernes ont évolué vers des conceptions plus complexes, telles que les fibres à gaine adaptée, à gaine déprimée et d'autres structures plus sophistiquées.
La fibre monomode présente des inconvénients. Son cœur de plus petit diamètre rend le couplage de la lumière plus difficile. Les tolérances pour les connecteurs et les épissures monomodes sont également beaucoup plus exigeantes. La fibre monomode a connu une évolution continue depuis plusieurs décennies. De ce fait, on distingue trois grandes classes de fibres monomodes utilisées dans les systèmes de télécommunications modernes. La plus ancienne et la plus répandue est la fibre non dispersive (NDSF). Ces fibres étaient initialement conçues pour une utilisation aux alentours de 1310 nm. Plus tard, les systèmes à 1550 nm ont rendu la fibre NDSF inadaptée en raison de sa très forte dispersion à cette longueur d'onde. Pour pallier ce défaut, les fabricants de fibres ont développé la fibre à dispersion décalée (DSF), qui déplace le point de dispersion nulle vers la région des 1550 nm. Des années plus tard, les scientifiques ont découvert que si la DSF fonctionnait extrêmement bien avec une seule longueur d'onde de 1550 nm, elle présentait d'importantes non-linéarités lors de la transmission de plusieurs longueurs d'onde proches autour de 1550 nm dans les systèmes DWDM. Récemment, pour pallier le problème des non-linéarités, une nouvelle classe de fibres a été introduite : les fibres à dispersion décalée non nulle (NZ-DSF). Disponibles en versions à dispersion positive et négative, ces fibres s’imposent rapidement comme la fibre de choix pour les nouveaux déploiements. Pour plus d’informations sur ce mécanisme de perte, consultez l’article « Dispersion des fibres ».
Une autre variété importante de fibre monomode est la fibre à maintien de polarisation (PM). Toutes les autres fibres monomodes mentionnées jusqu'à présent pouvaient transporter de la lumière polarisée aléatoirement. La fibre PM est conçue pour propager une seule polarisation de la lumière incidente. Ceci est essentiel pour des composants tels que les modulateurs externes qui nécessitent une lumière polarisée en entrée. La figure 7 illustre la section transversale d'un type de fibre PM. Cette fibre présente une caractéristique unique : outre le cœur, elle comporte deux anneaux supplémentaires appelés barres de contrainte. Comme leur nom l'indique, ces barres de contrainte créent une contrainte dans le cœur de la fibre, favorisant ainsi la transmission d'un seul plan de polarisation. Les fibres monomodes présentent des non-linéarités qui peuvent fortement affecter les performances du système.
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