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La fibre optique, plus légère, plus fine et plus flexible que le cuivre, permet de transmettre des signaux plus rapidement et sur de plus longues distances. Cependant, de nombreux facteurs peuvent affecter ses performances. Parmi eux, les pertes dans la fibre optique sont négligeables et constituent une priorité absolue pour tous les ingénieurs qui s'efforcent de trouver des solutions.
La lumière se propageant dans une fibre optique subit une perte de puissance avec la distance. Cette perte dépend de la longueur d'onde de la lumière et du matériau de propagation. Dans le cas du verre de silice, les longueurs d'onde les plus courtes sont les plus atténuées (voir figure 1). La perte la plus faible est observée à la longueur d'onde de 1550 nm, couramment utilisée pour les transmissions longue distance.
La transmission de la lumière par fibre optique n'est pas efficace à 100 %. Plusieurs facteurs expliquent ce phénomène, notamment l'absorption par le cœur et la gaine (due à la présence d'impuretés) et les fuites de lumière à travers la gaine. Lorsque la lumière se réfléchit à l'interface gaine/cœur, elle parcourt une courte distance à l'intérieur de la gaine avant d'être réfléchie à nouveau. Ceci entraîne une atténuation (réduction du signal) pouvant atteindre 2 dB/km pour une fibre multimode . Par exemple, avec ce niveau d'atténuation, si la lumière parcourt 10 km de câble, seulement 10 % du signal parviendra à l'autre extrémité.
L'atténuation d'un câble donné dépend également de sa longueur d'onde. La figure 1 illustre le profil d'atténuation des deux principaux types de fibres : multimode et monomode (décrits en détail ci-dessous). Le pic d'absorption à 1 000 nm est dû aux propriétés de la fibre monomode, tandis que celui à 1 400 nm est causé par des traces d'eau résiduelles. C'est pourquoi deux longueurs d'onde standard pour la fibre monomode sont utilisées : 1 310 nm et 1 550 nm. Si 1 310 nm a longtemps été la norme, l'utilisation de 1 550 nm tend désormais à se généraliser, notamment en raison du besoin d'espacer les répéteurs.
L'atténuation de la lumière dans une fibre optique se mesure en décibels (dB). Les spécifications des câbles à fibres optiques expriment cette atténuation en dB/km. Cette valeur est multipliée par la longueur totale de la fibre optique en kilomètres pour déterminer l'atténuation totale de la fibre en dB.
La perte de lumière dans les fibres optiques est causée par un certain nombre de facteurs qui peuvent être classés en pertes extrinsèques et intrinsèques :
● Extrinsèque
● Perte par flexion
● Perte d'épissure et de connecteur
● Intrinsèque
● Perte inhérente à la fibre
● Pertes résultant de la fabrication des fibres
Figure 1. Longueurs d'onde de fonctionnement des fibres optiques.
● Réflexion de Fresnel
Pertes par courbure. Les pertes par courbure se produisent au niveau des coudes des câbles à fibres optiques dont le rayon de courbure est inférieur au rayon de courbure minimal du câble. Des pertes par courbure peuvent également survenir à plus petite échelle en raison de facteurs tels que :
● Courbes prononcées du noyau en fibre
● Déplacements de quelques millimètres ou moins, causés par des imperfections du tampon ou de la gaine
● Mauvaises pratiques d'installation
Cette perte de puissance due à la lumière, appelée microcourbure, peut s'accumuler et représenter une quantité significative sur une longue distance.
Pertes d'épissure et de connexion. Les pertes d'épissure se produisent à tous les points d'épissure. Les épissures mécaniques présentent généralement les pertes les plus élevées, allant couramment de 0,2 à plus de 1,0 dB, selon le type d'épissure. Les épissures par fusion présentent des pertes plus faibles, généralement inférieures à 0,1 dB. Une perte de 0,05 dB ou moins est généralement obtenue avec un équipement performant et une équipe d'épisseurs expérimentée. Des pertes élevées peuvent être attribuées à plusieurs facteurs, notamment :
● Mauvais clivage
● Désalignement des noyaux de fibres
● Un espace d'air
● Contamination
● Inadéquation de l'indice de réfraction
● Inadéquation du diamètre du noyau, pour n'en citer que quelques-uns.
Les pertes au niveau des connecteurs de fibre optique varient généralement de 0,25 à plus de 1,5 dB et dépendent fortement du type de connecteur utilisé. Parmi les autres facteurs contribuant à la perte de connexion, on peut citer :
● Saletés ou contaminants sur le connecteur (très fréquent)
● Installation incorrecte du connecteur
● Face de connecteur endommagée
● Pauvre scribe (clivage)
● Cœurs de fibres non appariés
● Noyaux de fibres mal alignés
● Inadéquation de l'indice de réfraction
Pertes inhérentes à la fibre. Les pertes de lumière dans une fibre, inévitables lors de sa fabrication, sont dues aux impuretés présentes dans le verre et à l'absorption de la lumière au niveau moléculaire. Ces pertes, liées aux variations de densité optique, de composition et de structure moléculaire, sont appelées diffusion Rayleigh. Les rayons lumineux rencontrant ces variations et impuretés sont diffusés dans de nombreuses directions et perdus.
L'absorption de la lumière au niveau moléculaire dans une fibre optique est principalement due aux contaminants présents dans le verre, tels que les molécules d'eau (OH⁻). La pénétration de ces molécules dans la fibre optique est l'un des principaux facteurs contribuant à l'augmentation de son atténuation lors du vieillissement. L'absorption par résonance moléculaire du verre de silice (SiO₂) contribue également aux pertes de lumière.
La figure 1 illustre l'atténuation nette d'une fibre optique en verre de silice et les trois fenêtres de fonctionnement de cette fibre à 850, 1310 et 1550 nm. Pour les transmissions longue distance, on utilise les fenêtres de 1310 ou 1550 nm. L'atténuation est légèrement inférieure à celle de la fenêtre de 1550 nm. La communication à 850 nm est courante pour les installations à plus courte distance et à moindre coût.
Pertes dues à la fabrication de la fibre. Les irrégularités survenant lors du processus de fabrication peuvent entraîner une perte de rayonnement. Par exemple, une variation de 0,1 % du diamètre du cœur peut engendrer une perte de 10 dB par kilomètre. Il est donc essentiel de maintenir une tolérance de précision tout au long de la fabrication de la fibre afin de minimiser ces pertes.
Réflexion de Fresnel. La réflexion de Fresnel se produit à toute interface entre deux milieux où l'indice de réfraction change, ce qui provoque la réflexion d'une partie du rayon lumineux incident dans le premier milieu. L'extrémité d'une fibre optique en est un bon exemple. La lumière, passant de l'air au cœur de la fibre, est réfractée dans ce dernier. Cependant, environ 4 % de cette lumière est réfléchie dans l'air. La quantité réfléchie peut être estimée à l'aide de la formule suivante :
Au niveau d'un connecteur de fibre optique, la lumière réfléchie est facilement visible sur le tracé d'un réflectomètre optique temporel ( OTDR ). Elle se manifeste par un pic important vers le haut. Cette lumière réfléchie peut poser problème lors de l'utilisation d'un laser et doit être minimisée.
L'utilisation de connecteurs de meilleure qualité permet de réduire la puissance de la lumière réfléchie. Les connecteurs portant la mention « PC » (contact physique) ou « APC » (contact physique angulaire) sont conçus pour minimiser cette réflexion.
Comment réduire les pertes dans la fibre optique ?
Afin de garantir que la puissance de sortie reste compatible avec la sensibilité du récepteur et de prévoir une marge suffisante pour la dégradation des performances au fil du temps, il est essentiel de réduire les pertes dans la fibre optique. Voici quelques approches courantes pour la conception et l'installation de liaisons fibre optique.
● Veillez à utiliser autant que possible des câbles de haute qualité présentant les mêmes propriétés.
● Choisissez autant que possible des connecteurs de qualité. Assurez-vous que la perte d'insertion soit inférieure à 0,3 dB et la perte additionnelle inférieure à 0,2 dB.
● Essayez d'utiliser le disque entier pour la configuration (un seul disque de plus de 500 mètres) afin de minimiser le nombre de joints.
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