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Émetteurs et récepteurs à fibre optique (émetteurs-récepteurs)
Les systèmes de transmission par fibre optique (liaisons de données) fonctionnent tous de manière similaire au schéma ci-dessus. Ils sont constitués d'un émetteur à une extrémité de la fibre et d'un récepteur à l'autre. La plupart des systèmes fonctionnent en mode duplex intégral, en transmettant dans un sens sur une fibre et en sens inverse sur une autre.
La plupart des systèmes utilisent un émetteur-récepteur, qui intègre les fonctions de transmission et de réception dans un seul module . L'émetteur convertit une entrée électrique en sortie optique provenant d'une diode laser ou d'une LED. La lumière émise par l'émetteur est couplée à la fibre optique par un connecteur et transmise par le réseau de fibre optique. La lumière émise à l'extrémité de la fibre est couplée à un récepteur où un détecteur la convertit en signal électrique, lequel est ensuite conditionné pour être utilisé par l'équipement de réception.
Les sources utilisées pour les émetteurs à fibre optique doivent répondre à plusieurs critères : elles doivent être à la bonne longueur d'onde, pouvoir être modulées suffisamment rapidement pour transmettre des données et être efficacement couplées à la fibre.
Quatre types de sources sont couramment utilisés : les LED, les lasers Fabry-Perot (FP), les lasers à rétroaction distribuée (DFB) et les lasers à cavité verticale émettant par la surface (VCSEL). Tous convertissent les signaux électriques en signaux optiques, mais sont par ailleurs des dispositifs très différents. Tous trois sont de minuscules semi-conducteurs (puces). Les LED et les VCSEL sont fabriqués sur des plaquettes de semi-conducteurs de manière à émettre de la lumière depuis la surface de la puce, tandis que les lasers FP émettent depuis le côté de la puce, à partir d'une cavité laser créée au centre de celle-ci.
Les LED ont une puissance de sortie bien inférieure à celle des lasers et leur diagramme de flux lumineux plus large et divergent les rend plus difficiles à coupler aux fibres, limitant ainsi leur utilisation avec des fibres multimodes . Les lasers ont des flux lumineux plus faibles et plus denses et se couplent facilement aux fibres monomodes, ce qui les rend idéaux pour les liaisons haut débit longue distance. Les LED ont une bande passante bien inférieure à celle des lasers et sont limitées aux systèmes fonctionnant jusqu'à environ 250 MHz, soit environ 200 Mbit/s. Les lasers ont une bande passante très élevée, la plupart étant utilisables bien au-delà de 10 GHz, soit environ 10 Gbit/s.
Grâce à leurs méthodes de fabrication, les LED et les VCSEL sont peu coûteux à produire. Les lasers sont plus coûteux car la création de la cavité laser à l'intérieur du dispositif est plus complexe. La puce doit être séparée de la plaquette semi-conductrice et chaque extrémité doit être recouverte avant même que le laser puisse être testé pour vérifier son bon fonctionnement.
Les LED ont une bande passante limitée, tandis que tous les types de lasers sont très rapides. Une autre différence majeure entre les LED et les deux types de lasers réside dans leur spectre de sortie. Les LED ont un spectre de sortie très large, ce qui entraîne une dispersion chromatique dans la fibre, tandis que les lasers ont un spectre de sortie étroit, ce qui réduit considérablement la dispersion chromatique. Les lasers DFB, utilisés dans les systèmes longue distance et DWDM, présentent la largeur spectrale la plus étroite, ce qui minimise la dispersion chromatique sur les liaisons les plus longues. Les lasers DFB sont également très linéaires (le flux lumineux suit directement l'entrée électrique), ce qui permet de les utiliser comme sources dans les systèmes de télévision par câble AM.
Le choix de ces dispositifs est principalement déterminé par des problèmes de débit et de compatibilité avec la fibre. De nombreux systèmes locaux utilisant la fibre multimode ayant dépassé 1 Gb/s, les lasers (principalement les VCSEL) ont remplacé les LED. Le flux lumineux des LED est très large, tandis que celui des lasers est très focalisé, et les sources présentent un remplissage modal très différent dans les fibres. L'introduction restreinte du VCSEL (ou de tout autre laser) augmente la bande passante effective de la fibre, mais la fibre optimisée pour le laser, généralement OM3, est privilégiée pour les lasers.
L'électronique d'un émetteur est simple. Elle convertit une impulsion entrante (tension) en une impulsion de courant précise pour alimenter la source. Les lasers sont généralement polarisés avec un faible courant continu et modulés au-dessus de ce courant de polarisation pour maximiser la vitesse.
Détecteurs pour récepteurs à fibre optique
Les récepteurs utilisent des détecteurs à semi-conducteurs (photodiodes ou photodétecteurs) pour convertir les signaux optiques en signaux électriques. Les photodiodes au silicium sont utilisées pour les liaisons à courte longueur d'onde (650 pour la fibre optique polarisée et 850 pour la fibre optique MM en verre). Les systèmes à grande longueur d'onde utilisent généralement des détecteurs InGaAs (arséniure d'indium et de gallium), car leur bruit est inférieur à celui du germanium, ce qui permet d'obtenir des récepteurs plus sensibles.
Conditionnement
Les émetteurs-récepteurs sont généralement conditionnés dans des boîtiers standard, comme ces modules XFP pour liaisons de données gigabit (à gauche) et Xenpak (à droite). Les modules XFP se connectent à un connecteur LC duplex à leur extrémité optique et à une interface électrique standard à l'autre extrémité. Les Xenpak sont destinés aux réseaux 10 gigabits, mais utilisent une connexion duplex SC. Ces deux modules sont similaires aux convertisseurs de média, mais sont alimentés par l'équipement auquel ils sont intégrés.
Performance
Tout comme pour la transmission par fil de cuivre ou radio, les performances d'une liaison de données par fibre optique peuvent être déterminées par la correspondance entre le signal électrique reconverti en sortie du récepteur et le signal d'entrée de l'émetteur. La discussion sur les performances des liaisons de données s'applique directement aux émetteurs-récepteurs qui assurent la conversion optique-électrique.
Chaque fabricant d'émetteurs-récepteurs spécifie la sensibilité du récepteur (éventuellement une puissance minimale requise) et la puissance minimale couplée à la fibre depuis la source. Ces spécifications constitueront les spécifications de liaison de données du produit final utilisé sur le terrain.
Toutes les liaisons de données sont limitées par leur budget de puissance. Ce budget correspond à la différence entre la puissance de sortie de l'émetteur et la puissance d'entrée requise par le récepteur. La portée du récepteur est déterminée par son rapport signal/bruit (S/B). Le rapport S/B est généralement utilisé pour les liaisons analogiques, tandis que le taux d'erreur binaire (TEB) est utilisé pour les liaisons numériques. Le TEB est pratiquement une fonction inverse du rapport S/B.
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