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Lignes de communication à fibre optique

(FOCL), lignes de communication optiques dans lesquelles les informations sont transmises à l'aide d'éléments à fibre optique. FOCL se compose de modules optiques de transmission et de réception, de câbles à fibre optique et de connecteurs à fibre optique. La fibre optique est le support le plus idéal pour transmettre de grands flux d’informations sur de longues distances. Il est fabriqué à partir de quartz à base de silice, un matériau courant et peu coûteux, contrairement au cuivre utilisé dans les fils classiques. La fibre optique est très compacte et légère, son diamètre n'est que d'env. 100 microns. Les guides de lumière à fibres sont des faisceaux de fibres optiques, collés ou frittés aux extrémités, protégés par une gaine opaque et présentant des extrémités à surface polie. La fibre de verre est un diélectrique. Par conséquent, lors de la construction de systèmes de communication à fibre optique, les fibres optiques individuelles n'ont pas besoin d'être isolées les unes des autres. La durabilité de la fibre optique peut atteindre 25.

Lors de la création de lignes de communication à fibre optique, des éléments électroniques hautement fiables sont nécessaires pour convertir les signaux électriques en lumière et la lumière en signaux électriques, ainsi que des connecteurs optiques à faibles pertes optiques. L’installation de telles lignes nécessite donc des équipements coûteux. Cependant, les avantages de l'utilisation de lignes de communication à fibres optiques sont si grands que, malgré les inconvénients répertoriés des fibres optiques, ces lignes de communication sont de plus en plus utilisées pour transmettre des informations. La vitesse de transfert des données peut être augmentée en transmettant des informations dans deux directions à la fois, puisque les ondes lumineuses peuvent se propager dans une fibre optique indépendamment les unes des autres. Cela permet de doubler la capacité du canal de communication optique.

Les lignes de communication à fibre optique résistent aux interférences électromagnétiques et celles transmises via des guides de lumière sont protégées contre tout accès non autorisé. Il est impossible de se connecter à de telles lignes de communication sans violer l'intégrité de la ligne. La transmission de signaux par fibre optique a été réalisée pour la première fois en 1975. Aujourd'hui, les systèmes de communication optique longue distance sur des distances de plusieurs milliers de kilomètres se développent rapidement. Les lignes de communication transatlantiques USA - Europe, ligne Pacifique USA - Îles Hawaï - Japon sont exploitées avec succès. Des travaux sont en cours pour achever la construction d'une ligne mondiale de communication par fibre optique Japon - Singapour - Inde - Arabie Saoudite - Egypte - Italie. En Russie, TransTeleCom a créé un réseau de communication à fibre optique d'une longueur de plus de 36 000 km. Il est dupliqué par les canaux de communication par satellite. À la fin 2001 Un réseau de communication numérique unifié est créé. Elle fournit des services téléphoniques longue distance et internationaux, Internet et la télévision par câble dans 56 des 89 régions de Russie, où vit 85 à 90 % de la population.

Encyclopédie "Technologie". - M. : Rosman. 2006 .

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Tout le monde ne sait pas encore ce que sont les lignes de communication par fibre optique. Dans les lignes de communication optiques, le signal lumineux est transporté à l'intérieur des fibres. Un système de communication par fibre optique fournit une connexion pour transmettre des informations entre deux points.

Ces composants constituent la base de toute fibre optique, à commencer par un simple système monocanal. Mais il y en a d'autres systèmes complexes, qui sont posés et installés professionnellement par des spécialistes d'entreprises spécialisées disposant d'un équipement professionnel et d'un certain nombre de certificats de https://kabelnieseti.ru/services/volokonno-opticheskie-linii-svyazi/. Les informations transmises sont numériques (dans la plupart des cas), ce qui rend le système à fibre optique très polyvalent et relativement insensible aux distorsions harmoniques par exemple. Pour comprendre ce que sont les lignes de communication par fibre optique, examinons les concepts de base.

Exister divers formats modulation, c'est-à-dire différentes méthodes de codage des informations. Par exemple, le format simple sans retour à 0 (NRZ) transmet des bits successifs en envoyant des signaux de puissance optique élevée ou faible, sans espace entre les bits adjacents, et des moyens supplémentaires de synchronisation. En revanche, le format de retour zéro (RZ) s'auto-synchronise facilement en revenant à un état de repos après chaque bit, mais il nécessite une bande passante de transmission optique plus élevée pour les mêmes débits de données.

Outre les détails matériels et le débit optique liés à l'efficacité de la modulation, les formats de transmission varient également en termes de sensibilité au bruit alternatif et à la diaphonie.

Émetteur de signal FOCL

L'émetteur convertit le signal d'entrée électronique en un faisceau lumineux modulé. Les informations peuvent être codées par exemple via :

puissance optique (intensité),
phase optique,
polarisation;

La modulation d'intensité est l'option la plus courante. La longueur d'onde optique est généralement formée dans l'une des fenêtres dites de télécommunication. Un émetteur typique est basé sur une diode laser monomode (généralement un VCSEL ou DFB), qui peut être soit directement modulée par un courant DML (= laser directement modulé), soit par un modulateur optique externe.

La modulation directe est une option plus simple et peut fonctionner à des débits de signal allant jusqu'à 10 Gbit/s ou même plus. Cependant, la densité de porteurs dans la diode laser varie puis est ajustée à une fréquence instantanée particulière de sorte que le signal se déforme sous forme de modulation de fréquence. Cela rend le signal plus sensible aux effets de dispersion chromatique lorsqu'il est transmis sur de longues distances. Ainsi, la modulation externe est généralement préférée pour la combinaison d'une transmission de données à haut débit (par exemple, 10 à 40 Gbit/s) avec de longues distances de transmission (plusieurs kilomètres). Le laser peut fonctionner en continu et la distorsion du signal est réduite au minimum.

Pour obtenir une signalisation encore plus rapide dans les systèmes à 1 canal, le multiplexage temporel peut être utilisé dans les systèmes comportant quatre canaux de 40 Gbit/s, chacun étant utilisé de manière entrelacée dans le temps pour atteindre une vitesse totale de 160 Gbit/s. . Mais ce sont des technologies d’avenir. Pour obtenir une transmission de données à grande vitesse avec des formats de retour à zéro, il peut être avantageux d'utiliser une source pulsée (par exemple, un laser émettant des impulsions solitons) en combinaison avec un modulateur d'intensité. Cela réduit les besoins en bande passante du modulateur à mesure que la transmission du modulateur évolue entre les impulsions.

Pour obtenir une transmission de données à haut débit, l'émetteur doit répondre à un certain nombre d'exigences. Il est important d’obtenir un taux d’extinction élevé, une faible gigue temporelle, un bruit de faible intensité et une fréquence d’horloge contrôlée avec précision. Bien entendu, le transmetteur de données doit fonctionner de manière stable et fiable avec une intervention minimale de l'opérateur.

Fibre optique

Les fibres monomodes sont utilisées pour la transmission sur moyennes et longues distances, mais le système peut également être utilisé avec des fibres multimodes pour de courtes distances. Dans ce dernier cas, la dispersion de mode à mode peut limiter la plage ou la vitesse de transmission. Les canaux dits full-duplex fournissent une connexion permettant la transmission de données dans les deux sens.

Les canaux fibre optique à large bande peuvent contenir des fibres avec des amplificateurs à certains points (amplificateurs localisés) pour empêcher le niveau de puissance de chuter à un niveau trop bas. Alternativement, un amplificateur distribué peut être utilisé, mis en œuvre à partir de la fibre émettrice elle-même, en injectant un faisceau de pompe supplémentaire de haute puissance (généralement à l'extrémité du récepteur).

La compensation de dispersion (contrecarrant les effets de dispersion chromatique des fibres) ainsi que la régénération du signal peuvent être utilisées. Ce dernier signifie que non seulement le niveau de puissance, mais aussi la qualité du signal (par exemple, la durée et la durée de l'impulsion) sont restaurés. Ceci est réalisable soit en traitant le signal optique lui-même, soit en détectant le signal dans en format électronique, en appliquant un traitement du signal optique et une retransmission. Ce sont les principes de base du fonctionnement des lignes de communication à fibre optique.

Qu'est-ce qu'un récepteur fibre optique ?

Le récepteur contient un type de photodétecteur rapide, généralement une photodiode, et des composants électroniques haute vitesse appropriés pour amplifier le signal faible et extraire les données numériques. Les photodiodes à avalanche peuvent être utilisées pour une sensibilité particulièrement élevée. La sensibilité du récepteur est limitée par le bruit, généralement d'origine électronique. Il convient cependant de noter que le signal optique lui-même est accompagné de bruit optique, provenant par exemple d'un amplificateur. Un tel bruit optique introduit des limitations qui ne peuvent être supprimées par aucune conception spéciale de récepteur.

L'ère technologique nous a donné de nombreuses inventions et découvertes brillantes, mais, apparemment, c'est la capacité de transmettre des informations sur de longues distances qui a apporté l'une des contributions les plus importantes au développement de la technologie. Les supports de transmission des données ont parcouru un long chemin depuis le fil de cuivre il y a un siècle jusqu'aux câbles à fibre optique modernes. En conséquence, le volume de l’information, la vitesse et la distance de sa transmission se sont multipliés, ce qui a repoussé les limites du développement technologique dans tous les domaines.

Les câbles à fibre optique de verre modernes à faibles pertes offrent une bande passante pratiquement illimitée et présentent de nombreux autres avantages par rapport aux supports créés précédemment. Le système à fibre optique le plus simple pour transmettre des informations entre deux points se compose de trois éléments principaux : un émetteur optique, un câble à fibre optique et un récepteur optique (Fig. 1).

Riz. 1. Schéma du système de transmission d'informations par fibre optique le plus simple

Émetteur optique convertit un signal électrique analogique ou numérique en un signal lumineux correspondant. La source lumineuse peut être une LED ou un laser à semi-conducteurs. Les sources lumineuses les plus couramment utilisées sont des longueurs d’onde de 850, 1 300 et 1 550 nanomètres.

Câble de fibre optique se compose d'une ou plusieurs fibres de verre qui agissent comme des guides d'ondes (guides de lumière) pour la lumière. La conception d'un câble à fibre optique est similaire à celle d'un câble électrique, mais il contient des éléments spéciaux pour protéger les guides de lumière à l'intérieur. Le raccordement de plusieurs kilomètres de câbles s'effectue à l'aide de connecteurs optiques détachables et permanents.

Récepteur optique convertit le signal lumineux en une copie du signal électrique d'origine. L'élément de détection du récepteur optique utilise soit une photodiode à avalanche, soit (le plus souvent) une photodiode PIN.

Les systèmes de transmission d'informations par fibre optique - un récepteur et un émetteur optiques reliés par un câble à fibre optique - présentent de nombreux avantages par rapport aux fils de cuivre et aux câbles coaxiaux conventionnels :

Pourquoi les systèmes à fibre optique ont-ils ces propriétés bénéfiques ? En lisant cette brochure et en comprenant les principes de la technologie de la fibre optique, vous aurez la réponse à cette question. Chacun des trois composants des systèmes à fibre optique – émetteurs, récepteurs et câbles – possède sa propre section.

Émetteurs optiques

Un émetteur optique convertit un signal électrique en un flux lumineux modulé pour une transmission via fibre optique. Selon le type de signal, diverses méthodes de modulation peuvent être utilisées : allumer et éteindre la lumière ou la modifier en douceur entre des niveaux spécifiés proportionnellement au signal d'entrée. En figue. 2, ces deux principales méthodes de modulation sont représentées sous forme de graphiques d'intensité lumineuse en fonction du temps.

Riz. 2. Méthodes de base de modulation du flux lumineux

Les sources lumineuses les plus couramment utilisées dans les émetteurs optiques sont les diodes électroluminescentes (DEL) et les lasers à semi-conducteurs (diodes laser). Pour une utilisation dans les systèmes à fibre optique, ces dispositifs sont fabriqués dans des boîtiers qui permettent de rapprocher le plus possible la fibre optique de la zone émettant de la lumière. Ceci est nécessaire pour diriger autant de lumière que possible dans le guide de lumière. Parfois, l'émetteur est équipé d'une lentille sphérique microscopique, qui permet de collecter toute la lumière « jusqu'à la dernière goutte » et de la diriger dans la fibre. Dans certains cas, le filament de verre est fixé directement à la surface du cristal électroluminescent.

Les sources lumineuses les plus couramment utilisées dans les émetteurs optiques sont les diodes électroluminescentes (DEL) et les lasers à semi-conducteurs (diodes laser).

Les LED ont une surface d'élément émetteur assez grande et n'émettent donc pas aussi efficacement que les lasers. Cependant, les LED sont largement utilisées sur les lignes de communication de courte et moyenne longueur. Les LED sont beaucoup moins chères que les lasers, ont une dépendance presque linéaire de l'intensité du rayonnement sur l'amplitude du courant électrique et l'intensité de leur rayonnement dépend faiblement de la température. Les lasers, quant à eux, ont une très petite surface d’émission et peuvent fournir beaucoup plus de puissance à la fibre que les LED. Ils sont également linéaires en courant, mais sont très sensibles à l'influence de la température et nécessitent l'utilisation de circuits électroniques plus complexes pour atteindre la stabilité nécessaire. Les lasers étant assez chers, ils sont principalement utilisés là où la transmission de données sur de longues distances est nécessaire.

Les lasers étant assez chers, ils sont principalement utilisés là où la transmission de données sur de longues distances est nécessaire.

Les LED et les lasers utilisés dans les communications par fibre optique émettent dans la partie infrarouge du spectre des ondes électromagnétiques et leur lumière est donc invisible à l'œil humain sans application. moyens spéciaux. La longueur d'onde du rayonnement a été choisie en tenant compte de la transparence maximale du matériau guide de lumière et de la sensibilité la plus élevée des photodiodes. Les longueurs d'onde les plus couramment utilisées aujourd'hui sont 850, 1 300 et 1 550 nanomètres. Les LED et les lasers sont disponibles pour les trois longueurs d'onde.

Comme déjà mentionné, le flux lumineux des LED et des lasers est modulé de deux manières : « on-off » ou un changement linéaire et continu d'intensité. En figue. La figure 3 montre des circuits simplifiés qui mettent en œuvre les deux méthodes de modulation. Pour contrôler l'émetteur, on utilise un transistor dont la base reçoit un signal numérique préformé. La fréquence de modulation maximale est déterminée par le circuit électronique et les propriétés de l'émetteur. Avec les LED, des fréquences de plusieurs centaines de mégahertz sont facilement réalisables, avec les lasers, des milliers de mégahertz. Le schéma ne montre pas l'unité de stabilisation thermique (les LED n'en ont généralement pas besoin).

La modulation linéaire est réalisée à l'aide d'un circuit basé sur un ampli-op (Figure 3B). Le signal modulant est appliqué à l'entrée inverseuse de l'amplificateur, la polarisation constante est fournie à l'entrée non inverseuse. Le circuit de stabilisation thermique n'est pas non plus représenté ici.

Riz. 3. Méthodes de modulation du flux lumineux des LED
et lasers à semi-conducteurs

Dans un signal numérique utilisant une modulation tout ou rien, les niveaux logiques peuvent être codés de différentes manières. Dans le plus simple d’entre eux, un un logique correspond à la présence de lumière, et un zéro logique correspond à son absence. De plus, la modulation de largeur d'impulsion et de fréquence d'impulsion est utilisée. La modulation de largeur d'impulsion utilise un flux continu d'impulsions, avec deux durées différentes codant les niveaux logiques du signal. Avec la modulation de fréquence d'impulsions, toutes les impulsions ont la même durée, mais leur taux de répétition varie en fonction du niveau logique transmis.

Figure 4. Diverses méthodes de transmission optique vers analogique
et informations numériques

Il existe également plusieurs méthodes de modulation analogique. La plus simple d’entre elles est la modulation linéaire, dans laquelle l’intensité de la source lumineuse est directement liée à l’amplitude du signal transmis. Dans d'autres méthodes, le signal transmis module d'abord une porteuse haute fréquence (et dans certains cas plusieurs porteuses), puis ce signal complexe contrôle la luminosité de la source lumineuse.

En figue. La figure 4 montre l'intensité lumineuse en fonction du temps pour ces méthodes de modulation.

La fréquence de la lumière (qui est également un rayonnement électromagnétique) est très élevée, de l'ordre de plusieurs millions de gigahertz. La bande de fréquences des émetteurs de lumière (lasers et LED) est assez large, mais, malheureusement, la technologie moderne ne permet pas d'utiliser cette bande de manière sélective, comme cela se fait lors de la transmission d'informations par radio. Dans un émetteur optique, toute la bande de fréquences est activée et désactivée en même temps, comme cela se faisait dans les premiers émetteurs à étincelles à l'aube de l'ère radio. À terme, les scientifiques surmonteront cet obstacle et une « transmission cohérente » deviendra possible, ce qui déterminera le développement ultérieur de la technologie de la fibre optique.

Guides de lumière

Injection de lumière dans une fibre optique

Plus la puissance de l’émetteur est élevée, plus la lumière pénètre dans le guide de lumière.

Une fois que l'émetteur a converti le signal électrique d'entrée en lumière correctement modulée, il doit être inséré dans la fibre optique. Comme déjà évoqué, il existe deux manières de procéder : connecter directement l'élément émetteur au guide de lumière, et placer le guide de lumière à proximité immédiate de l'émetteur. Lors de l'utilisation de la deuxième méthode, la quantité de lumière qui pénètre dans la fibre optique dépend de quatre facteurs : l'intensité du rayonnement, la surface de l'élément émetteur, l'angle d'entrée du guide de lumière et les pertes par réflexion et diffusion. Jetons un coup d'œil rapide à tous ces facteurs.

Intensité L'émission d'une LED ou d'un laser dépend de sa conception et est généralement exprimée en puissance totale rayonnée à un courant spécifique. Parfois, ce chiffre est indiqué comme la puissance réelle transférée dans un type particulier de fibre. Toutes choses égales par ailleurs, plus la puissance de l'émetteur est élevée, plus la lumière pénètre dans le guide de lumière.

Le rapport des surfaces de l'élément rayonnant et du cœur de la fibre optique détermine la proportion de la puissance totale qui entre dans la fibre : plus ce rapport est petit, plus la lumière finira dans la fibre.

Seule la lumière entrée dans la fibre optique selon un angle inférieur ou égal à l'angle d'entrée se propagera le long du guide de lumière.

Angle d'entrée les fibres optiques sont caractérisées par leur ouverture numérique (NA), qui est définie comme le sinus de la moitié de l'angle d'entrée. Les valeurs NA typiques vont de 0,1 à 0,4, correspondant à un angle d'entrée de 11 à 46 degrés. Seule la lumière entrée dans la fibre optique selon un angle inférieur ou égal à l'angle d'entrée se propagera le long du guide de lumière.

Pertes. Aux pertes dues à la contamination à la surface de la fibre optique s'ajoute toujours une perte inévitable d'intensité lumineuse provoquée par la réflexion à l'entrée et à la sortie de la fibre optique. Il s'agit des pertes dites de Fresnel (du nom du physicien français O. J. Fresnel), qui représentent environ 4 % de l'intensité totale à chaque interface verre-air. Si nécessaire, pour réduire ces pertes, une petite quantité de gel optique spécial est appliquée sur les surfaces vitrées à assembler.

Types de fibres optiques

Désormais, deux types de fibres optiques sont utilisés : avec un changement progressif et fluide de l'indice de réfraction le long du rayon (profil). En figue. La figure 5 montre que la lumière se propage à travers ces fibres de différentes manières.

Figure 5. Propagation de la lumière à travers une fibre optique avec des profils d'indice de réfraction étagés et lisses

Comme le montre la figure, la fibre à indice de réfraction est constituée d'un noyau de verre à faible perte entouré d'une gaine en verre à indice de réfraction inférieur. Cette différence d'indice de réfraction entraîne la réflexion de la lumière depuis l'interface entre le cœur et la gaine tout au long de son trajet de propagation. La fibre à profil lisse est constituée d'un seul type de verre, mais elle est traitée de manière à ce que son indice de réfraction diminue progressivement du centre vers la périphérie. En conséquence, le guide de lumière, telle une lentille étendue, dévie constamment la lumière qui s’y propage vers le centre.

La fibre optique est caractérisée par l’épaisseur du cœur et de la gaine, exprimée en micromètres. Il existe trois tailles de fibres à usage général qui sont les plus courantes aujourd'hui, bien que d'autres tailles existent pour des applications spécialisées. Il s'agit de fibres multimodes 50/125 et 62,5/125 microns et monomodes 8-10/125 microns. Les deux premières tailles sont généralement utilisées avec des émetteurs LED sur des lignes de transmission courtes et moyennes. La fibre optique avec un noyau de 8 à 10 microns est le plus souvent utilisée dans les systèmes de télécommunication longue distance en conjonction avec des émetteurs optiques laser.

Perte de fibre optique

Outre les pertes d'intensité du signal au niveau de la connexion entre l'émetteur et le guide de lumière, des pertes se produisent également lorsque la lumière se propage à travers la fibre optique. Le cœur de la fibre optique est en verre ultra pur avec de très faibles pertes. Le verre doit avoir la plus grande transparence, car la lumière doit parcourir des kilomètres le long de la fibre qui en est issue. Regardons les vitres ordinaires. Il est transparent, mais uniquement parce que son épaisseur n'est que de 3 à 4 mm. Il suffit de regarder l’extrémité de la plaque de verre et de voir sa couleur verte pour comprendre à quel point elle absorbe la lumière même sur une longueur de dix ou deux centimètres. Il est facile d’imaginer à quel point peu de lumière passera à travers une vitre d’une centaine de mètres d’épaisseur !

La plupart des guides de lumière à usage général produisent des pertes de 4 à 6 décibels par kilomètre à une longueur d'onde de 850 nm (soit 60 à 75 % de la lumière est perdue par kilomètre). À une longueur d'onde de 1 300 nm, les pertes sont réduites à 3-4 dB/km (50-60 %), et à 1 550 nm elles sont encore plus faibles - une valeur de 0,5 dB/km (10 %) n'est pas inhabituelle.

La plupart des guides de lumière à usage général produisent des pertes de 4 à 6 décibels par kilomètre à une longueur d'onde de 850 nm (soit 60 à 75 % de la lumière est perdue par kilomètre). À une longueur d'onde de 1 300 nm, les pertes sont réduites à 3-4 dB/km (50-60 %), et à 1 550 nm elles sont encore moindres - une valeur de 0,5 dB/km (10 %) n'est pas inhabituelle.

La principale cause des pertes est l’absorption de la lumière par les inhomogénéités et leur diffusion. Une autre cause de perte dans la fibre optique est une courbure excessive, qui provoque la fuite d’une partie de la lumière du noyau. Pour éviter de telles pertes, le rayon de courbure du câble à fibre optique lors de l'installation doit être d'au moins 2,5 cm (et le plus souvent même plus).

Bande passante fibre

Cependant, la bande passante de la fibre optique pour un signal modulé est limitée, et plus la fibre est longue, plus elle est limitée.

Moins il y a de modes dans le rayonnement, plus la bande passante de la fibre optique est large.

Les pertes énumérées ci-dessus ne dépendent pas de la fréquence de modulation, c'est-à-dire qu'un niveau de perte de 3 dB signifie que 50 % de la lumière n'atteindra pas le récepteur, qu'elle soit modulée par un signal de 10 Hz ou de 100 MHz. Cependant, la bande passante de la fibre optique pour un signal modulé est limitée, et plus la fibre est longue, plus elle est limitée. La raison de cette limitation est illustrée sur la Fig. 6. La lumière entrant dans la fibre optique selon un petit angle par rapport à son axe (M1) parcourt un chemin plus court que celle entrant selon un angle proche de l'angle d'entrée maximum (M2). En conséquence, différents faisceaux émanant de la même source (appelés modes) n'arrivent pas à l'extrémité de la fibre en même temps, ce qui conduit à un effet de maculage - l'élargissement d'impulsions courtes. Cela limite la fréquence maximale du signal transmis sur le câble à fibre optique. En bref, moins il y a de modes dans le rayonnement, plus la bande passante de la fibre est large. Pour réduire le nombre de modes de propagation, le cœur de la fibre est rendu plus fin. Les fibres monomodes d'un diamètre de cœur de 8 à 10 µm ont une bande passante nettement plus large que les fibres multimodes d'un diamètre de 50 et 62,5 µm, à travers lesquelles un grand nombre de modes de rayonnement peuvent se propager simultanément.

Riz. 6. Bande passante des fréquences de modulation transmises par la fibre optique,
limité par l'existence de différents chemins de propagation de la lumière

Les bandes passantes typiques des fibres optiques conventionnelles sont de plusieurs mégahertz par kilomètre pour les fibres à très grand diamètre de cœur, de plusieurs centaines de mégahertz par kilomètre pour les fibres multimodes standard et de milliers de mégahertz pour les fibres optiques monomodes. À mesure que la longueur du câble augmente, la bande passante diminue proportionnellement. Par exemple, un câble avec une bande de 500 MHz sur une longueur de 1 km peut fournir une bande de 250 MHz sur une longueur de 2 km, et seulement 100 MHz sur 5 km.

La très large bande passante des fibres monomodes permet de pratiquement ignorer leur longueur. Cependant, pour les fibres multimodes, ce facteur est important, car souvent la gamme de fréquences des signaux transmis dépasse la bande passante des câbles.

Conception de câbles à fibres optiques

Les câbles à fibres optiques sont disponibles en différents diamètres et conceptions. Comme pour les câbles coaxiaux, la conception des câbles à fibres optiques est déterminée par leur destination. Extérieurement, le câble à fibre optique est similaire au câble coaxial. En figue. La figure 7 montre un diagramme schématique d'un câble à fibre optique standard.

La fibre optique est dotée d'un revêtement protecteur qui la protège des dommages causés par processus de production. Il est placé dans un tube en polychlorure de vinyle ajusté, où il peut se plier librement lorsqu'il est installé autour des coins des murs et dans les goulottes de câbles.

Ce tube est entouré d'une tresse en Kevlar, qui absorbe la principale force mécanique qui agit sur le câble lors de l'installation. Enfin, la gaine extérieure en PVC protège l'ensemble du câble et empêche l'humidité de pénétrer à l'intérieur.

Les câbles de cette conception conviennent à une installation à l'intérieur de bâtiments où une résistance significative aux influences extérieures n'est pas requise. Il existe des câbles pour presque toutes les options d'installation, tels que des câbles directement enterrés, des gaines extérieures en acier renforcées résistantes aux rongeurs et des câbles ininflammables certifiés UL pour une installation au-dessus de faux plafonds. Des câbles multiconducteurs à code couleur sont également disponibles.

Riz. 7. Installation d'un câble à fibre optique standard

Autres types de guides de lumière

Des guides de lumière en plastique sont utilisés pour transmettre des données sur de très courtes distances à l'intérieur d'équipements électroniques en conjonction avec des LED peu coûteuses. L'une des applications standards de ces guides de lumière est l'isolation optique des circuits de commande dans les alimentations haute tension.

Deux autres types de guides de lumière - le quartz avec un très grand diamètre et entièrement fabriqués en plastique - ne sont généralement pas utilisés dans les télécommunications. Les guides de lumière à quartz sont utilisés pour transmettre des flux lumineux puissants, par exemple en chirurgie au laser. Des guides de lumière en plastique sont utilisés pour transmettre des données sur de très courtes distances à l'intérieur d'équipements électroniques en conjonction avec des LED peu coûteuses. L'une des applications standards de ces guides de lumière est l'isolation optique des circuits de commande dans les alimentations haute tension.

Connecteurs optiques

À l'aide de connecteurs optiques, les câbles à fibres optiques sont connectés aux équipements ou interconnectés. Ils sont similaires aux connecteurs électriques en termes de fonction et d'apparence, mais nécessitent très haute précision fabrication. Un connecteur optique nécessite un alignement et un alignement précis des âmes des deux fibres. Leur diamètre étant très petit (par exemple 50 µm), les exigences de précision sont très élevées : la tolérance est de l'ordre du micron.

De nombreux connecteurs optiques sont actuellement utilisés. divers types. Le connecteur SMA, utilisé avant l'invention des fibres monomodes, restait jusqu'à récemment le plus répandu. En figue. La figure 8 montre les détails de conception de ce connecteur.

Riz. 8. Conception du connecteur SMA

Veuillez noter que les connecteurs multimodes ST ne fonctionneront correctement qu'avec les fibres multimodes.

Pour les fibres multimodes, le connecteur le plus couramment utilisé aujourd'hui est le connecteur ST développé par AT&T. Il utilise un verrou à baïonnette et les pertes globales sont inférieures à celles du SMA. Une paire assortie de connecteurs ST fournit moins de 1 dB (20 %) de perte et ne nécessite pas de bagues de guidage supplémentaires ou de composants similaires. Une saillie spéciale qui empêche le connecteur de tourner garantit que lors de la connexion, les fibres optiques seront toujours installées dans la même position les unes par rapport aux autres, ce qui garantit des caractéristiques stables de la connexion détachable.

Les connecteurs ST sont disponibles pour les fibres multimodes et monomodes - la principale différence réside dans les tolérances. Veuillez noter que les connecteurs multimodes ST ne fonctionneront correctement qu'avec des fibres multimodes. Les connecteurs ST monomodes, plus chers, peuvent être utilisés avec des fibres monomodes ou multimodes. Les procédures d'installation des connecteurs ST et SMA sur un câble sont similaires et prennent à peu près le même temps. En figue. La figure 9 montre les principaux éléments du connecteur ST standard de l'industrie.

Riz. 9. Éléments de base du connecteur ST

Connexions permanentes des guides de lumière

Bien que des connecteurs optiques puissent être utilisés pour connecter deux guides de lumière, il existe d'autres méthodes qui permettent de réduire considérablement les pertes. Les deux plus courants sont les connexions mécaniques et les connexions soudées. Les deux offrent des niveaux de perte de 0,15 à 0,1 dB (3 à 2 %).

Pour la liaison mécanique, les extrémités des guides de lumière sont dégagées des coques, leurs extrémités sont nettoyées et alignées avec précision à l'aide d'un dispositif mécanique spécial. Un gel optique est appliqué sur la jonction, réduisant ainsi la perte par réflexion au minimum. Les extrémités alignées des guides de lumière sont maintenues en place par un mécanisme de verrouillage.

Récepteurs optiques

La tâche principale d'un récepteur optique est de convertir le flux lumineux modulé provenant d'une fibre optique en une copie du signal électrique original fourni à l'émetteur.

La tâche principale d'un récepteur optique est de convertir le flux lumineux modulé provenant d'une fibre optique en une copie du signal électrique original fourni à l'émetteur. Le détecteur du récepteur utilise généralement une photodiode PIN ou à avalanche, qui est montée sur un connecteur optique (similaire à celui utilisé pour les sources lumineuses). Les photodiodes ont généralement un élément de détection assez grand (plusieurs micromètres de diamètre), de sorte que les exigences en matière de précision de positionnement des fibres optiques ne sont pas aussi strictes que pour les émetteurs.

Il est important d'utiliser les récepteurs uniquement avec la taille de fibre pour laquelle ils sont conçus, sinon l'amplificateur pourrait être surchargé.

L'intensité du rayonnement sortant de la fibre optique est assez faible et les récepteurs optiques disposent d'amplificateurs internes à gain élevé. Par conséquent, il est important d’utiliser les récepteurs uniquement avec la taille de fibre pour laquelle ils sont conçus, sinon l’amplificateur pourrait surcharger. Si, par exemple, une paire émetteur-récepteur conçue pour la fibre monomode est utilisée avec le multimode, trop de lumière entrera dans le récepteur, ce qui le fera saturer et déformer gravement le signal de sortie. De même, si vous utilisez une fibre monomode avec un émetteur et un récepteur conçus pour le multimode, peu de lumière atteindra le récepteur et le signal de sortie contiendra beaucoup de bruit, voire aucun signal. Le seul cas où une non-adaptation du récepteur et de l'émetteur au type de fibre peut être utile est s'il y a une perte excessive dans la fibre. Ensuite, les 5 à 15 dB supplémentaires, qui seront obtenus en remplaçant la fibre monomode par du multimode, sauveront la situation et permettront d'obtenir un système fonctionnel. Il s’agit cependant d’une situation extrême et n’est pas recommandée pour une utilisation normale.

Il ne faut pas oublier que les récepteurs de signaux électroniques, contrairement aux câbles à fibres optiques, sont sensibles aux interférences électromagnétiques. Par conséquent, lorsque vous travaillez avec eux, des mesures de protection standard doivent être utilisées - blindage, mise à la terre, etc.

Comme les émetteurs, les récepteurs optiques sont disponibles en versions analogiques et numériques. Ils utilisent tous deux un préamplificateur analogique suivi d'un étage de sortie analogique ou numérique.

En figue. La figure 10 montre un schéma fonctionnel d'un simple récepteur optique analogique. Le premier étage est un amplificateur opérationnel, connecté en tant que convertisseur courant-tension. Le petit courant généré par la photodiode est ici converti en une tension dont l'amplitude est généralement de quelques millivolts. Dans l’étape suivante, qui est un simple amplificateur de tension, le signal est amplifié jusqu’au niveau requis.

Le schéma fonctionnel d'un récepteur optique numérique est présenté sur la Fig. 11. Comme pour un récepteur analogique, le premier étage est un convertisseur courant-tension. Son signal de sortie est envoyé à un comparateur de tension, qui produit un signal numérique propre avec de courtes durées d'oscillation. Le contrôle du niveau de déclenchement du comparateur, le cas échéant, est utilisé pour affiner la symétrie du signal numérique reconstruit.

Souvent, des étages supplémentaires sont ajoutés aux récepteurs pour la reproduction la plus précise du signal d'entrée, qui fonctionnent comme des amplificateurs linéaires pour les câbles coaxiaux, des convertisseurs de protocole, etc. Il ne faut pas oublier que les récepteurs de signaux électroniques, contrairement aux câbles à fibres optiques, sont sensibles aux interférences électromagnétiques. Par conséquent, lorsque vous travaillez avec eux, des mesures de protection standard doivent être utilisées - blindage, mise à la terre, etc.

Riz. 10. Le récepteur optique analogique le plus simple

Riz. 11. Le récepteur optique numérique le plus simple

Développement d'un système de fibre optique

De nombreux facteurs doivent être pris en compte lors de la conception d'un système à fibre optique, chacun contribuant à l'objectif ultime consistant à garantir que le récepteur reçoive quantité suffisante Sveta. Sans atteindre cet objectif, le système ne fonctionnera pas correctement. En figue. 12 identifie bon nombre de ces facteurs.

Riz. 12. Les paramètres les plus importants à considérer
lors du développement d'un système de fibre optique

Lors de l'ingénierie d'un système à fibre optique, la procédure étape par étape suivante est recommandée :

Sélection d'un récepteur et d'un émetteur adaptés au type de signal à transmettre (analogique, numérique, vidéo, RS-232, RS-422, RS-485, etc.).
Détermination des sources d'énergie disponibles (tension alternative, tension continue, etc.).
Déterminez, si nécessaire, les exigences particulières (par exemple, impédances, bande passante, connecteurs spéciaux et diamètre de fibre, etc.).
Calcul des pertes totales dans le système (en décibels) : somme des pertes dans les câbles, dans les connexions détachables et permanentes. Ces spécifications sont disponibles auprès des fabricants d'appareils électroniques et de câbles à fibre optique.
Comparaison du chiffre de la perte qui en résulte avec valeur valide niveau du signal à l’entrée du récepteur. Vous devez jouer la sécurité en ajoutant au moins une marge de 3 dB à l’ensemble du système.
Vérifier si la bande passante du système répond aux besoins de transmission du type de signal souhaité. Si les calculs montrent que la bande passante est insuffisante pour transmettre le signal sur la distance requise, vous devez alors soit choisir un récepteur et un émetteur différents (longueur d'onde différente), soit envisager d'utiliser un câble à fibre optique plus cher et de haute qualité avec des pertes moindres.

Liste de contrôle des paramètres requis pour concevoir un système de transmission par fibre optique

But ( brève description Tâches):
Paramètres du signal analogique :
Tension d'entrée
Impédance d'entrée
Tension de sortie
Impédance de sortie
Rapport signal sur bruit

Bande passante
Connecteurs
Autre informations
Paramètres du signal numérique :
Type d'interface (RS-232, 422, 485, etc.)
Taux de transfert des données
Méthode de communication (DC ou AC)
Taux d'erreur binaire autorisé
Connecteurs
Autre informations
Exigences d'alimentation :
Tension
Actuel
Tension alternative ou continue
Connecteurs
Autre informations

Exigences en matière de ligne à fibre optique :
Longueur de la ligne
Longueur d'onde de la lumière
Pertes acceptables
Connecteurs optiques
Type de fibre
Diamètre des fibres
Conditions de pose
Exigences générales:
Taille de la valise
Méthode d'installation
Caractéristiques environnement
Plage de température de fonctionnement
Plage de température de stockage
Autre informations
Commentaires supplémentaires :

Introduction

Aujourd'hui, la communication joue un rôle important dans notre monde. Et si auparavant des câbles et des fils de cuivre étaient utilisés pour transmettre des informations, l'heure est désormais aux technologies optiques et aux câbles à fibres optiques. Désormais, lorsque nous passons un appel téléphonique à l'autre bout du monde (par exemple, de la Russie vers l'Amérique) ou téléchargeons une mélodie préférée sur Internet qui se trouve sur un site Web quelque part en Australie, nous ne pensons même pas à la façon dont nous gérons. pour faire ça. Et cela se produit grâce à l’utilisation de câbles à fibres optiques. Pour connecter les gens, les rapprocher les uns des autres ou de la source d'information souhaitée, les continents doivent être connectés. Actuellement, l’échange d’informations entre les continents s’effectue principalement via des câbles sous-marins à fibres optiques. Actuellement, des câbles à fibres optiques sont posés au fond des océans Pacifique et Atlantique et presque le monde entier est « empêtré » dans un réseau de systèmes de communication par fibres (Laser Mag.-1993.-No. 3 ; Laser Focus World.- 1992.-28, n° 12 ; Telecom mag.-1993.-N° 25 ; J. Asia Electron.-1992.-N° 5). Les pays européens sont reliés de l’autre côté de l’Atlantique par des lignes de fibre optique à l’Amérique. Les États-Unis, en passant par les îles Hawaï et l'île de Guam - avec le Japon, la Nouvelle-Zélande et l'Australie. Une ligne de communication par fibre optique relie le Japon et la Corée à l’Extrême-Orient russe. À l'ouest, la Russie est reliée aux pays européens de Saint-Pétersbourg - Kingisepp - Danemark et de Saint-Pétersbourg - Vyborg - Finlande, au sud - avec pays asiatiques Novorossiisk - Turquie. Dans le même temps, le principal moteur du développement des lignes de communication par fibre optique est Internet.

Les réseaux de fibre optique sont certainement l'un des plus des orientations prometteuses dans le domaine des communications. La capacité des canaux optiques est bien supérieure à celle des lignes d'information basées sur un câble en cuivre.

La fibre optique est considérée comme le support le plus idéal pour transmettre de grands flux d’informations sur de longues distances. Il est composé de quartz, à base de dioxyde de silicium, un matériau répandu et peu coûteux, contrairement au cuivre. La fibre optique est très compacte et légère, avec un diamètre d'environ 100 microns seulement.

De plus, la fibre optique est insensible aux champs électromagnétiques, ce qui élimine certains des problèmes typiques des systèmes de communication en cuivre. Les réseaux optiques sont capables de transmettre des signaux sur de longues distances avec moins de pertes. Malgré le fait que cette technologie soit encore coûteuse, les prix des composants optiques baissent constamment, tandis que les capacités des lignes de cuivre se rapprochent de leurs valeurs limites et nécessitent de plus en plus de coûts pour le développement ultérieur de ce domaine.

Il me semble que le sujet des lignes de communication par fibre optique est actuellement d'actualité, prometteur et intéressant à considérer. C'est pourquoi je l'ai choisie pour la mienne travail de cours et je pense que FOCL est l'avenir.

1. Histoire de la création

Dans les années 1920, les expérimentateurs Clarence Hasnell et John Berd démontrèrent la possibilité de transmettre des images via des tubes optiques.

L'invention de la fibre optique en 1970 par les spécialistes de Corning est considérée comme un tournant dans l'histoire du développement des technologies de la fibre optique. Les développeurs ont réussi à créer un conducteur capable de maintenir au moins 1% de la puissance du signal optique à une distance d'un kilomètre. Selon les normes actuelles, il s'agit d'une réalisation plutôt modeste, mais il y a près de 40 ans, - condition nécessaire afin de développer le nouveau genre connexion filaire.

E Les premières expérimentations à grande échelle liées à l'émergence du standard FDDI. Ces réseaux de première génération sont toujours opérationnels aujourd’hui.

E Utilisation massive de la fibre optique associée à la production de composants moins chers. Le taux de croissance des réseaux de fibre optique est explosif.

E Augmentation des vitesses de transmission de l'information, émergence des technologies de multiplexage d'ondes (WDM, DWDM) / Nouveaux types de fibres.

2. Les lignes de communication à fibre optique en tant que concept

1 Fibre optique et ses types

Une ligne de communication à fibre optique (FOCL) est un type de système de transmission dans lequel les informations sont transmises le long de guides d'ondes optiques diélectriques, appelés fibre optique. Alors c'est quoi?

Fibre optique - extrêmement fine cylindre en verre, appelé noyau, recouvert d'une couche de verre (Fig. 1), appelée coque, d'indice de réfraction différent de celui du noyau. Une fibre est caractérisée par les diamètres de ces régions - par exemple, 50/125 signifie une fibre avec un diamètre de cœur de 50 microns et un diamètre de gaine externe de 125 microns.

Fig.1 Structure de la fibre optique

La lumière se propage le long du cœur de la fibre par réflexions internes totales successives à l'interface entre le cœur et la gaine ; son comportement est à bien des égards similaire à ce qu'il serait s'il tombait dans un tuyau dont les parois étaient recouvertes d'une couche de miroir. Cependant, contrairement à un miroir conventionnel, dont la réflexion est plutôt inefficace, la réflexion interne totale est essentiellement proche de l'idéal - c'est leur différence fondamentale, permettant à la lumière de parcourir de longues distances le long de la fibre avec une perte minimale.

Une fibre fabriquée de cette manière ((Fig. 2) a)) est appelée fibre à indice échelonné et fibre multimode car il existe de nombreux chemins ou modes possibles pour qu'un faisceau de lumière se propage.

Cette multiplicité de modes entraîne une dispersion (élargissement) des impulsions car chaque mode parcourt un chemin différent à travers la fibre et, par conséquent, différents modes ont des délais de transmission différents lorsqu'ils se déplacent d'une extrémité à l'autre de la fibre. Le résultat de ce phénomène est une limitation de la fréquence maximale qui peut être efficacement transmise pour une longueur de fibre donnée - l'augmentation de la fréquence ou de la longueur de la fibre au-delà des limites provoque essentiellement la fusion des impulsions successives, les rendant impossibles à distinguer. Pour une fibre multimode typique, cette limite est d'environ 15 MHz km, ce qui signifie qu'un signal vidéo avec une bande passante de, par exemple, 5 MHz peut être transmis sur une distance maximale de 3 km (5 MHz x 3 km = 15 MHz km). . Tentative de transmettre un signal à b ó Toute distance supplémentaire entraînera une perte progressive des hautes fréquences.

Fig.2 Types de fibre optique

Pour de nombreuses applications, ce chiffre est inacceptablement élevé, et une recherche était en cours pour une conception de fibre avec une bande passante plus large. Une solution consiste à réduire le diamètre de la fibre à de très petites valeurs (8 à 9 µm), de sorte qu'un seul mode devienne possible. Les fibres monomodes, comme on les appelle ((Fig. 2) b)), sont très efficaces pour réduire la dispersion, et la bande passante qui en résulte - plusieurs GHz-km - les rend idéales pour les réseaux publics téléphoniques et télégraphiques (PTT) et les réseaux de télévision par câble. . Malheureusement, des fibres d'un si petit diamètre nécessitent l'utilisation d'un émetteur à diode laser puissant, aligné avec précision et donc relativement coûteux, ce qui réduit leur attrait pour de nombreuses applications impliquant une courte longueur de ligne conçue.

Idéalement, une fibre avec la même bande passante qu'une fibre monomode mais avec le même diamètre qu'une fibre multimode est nécessaire pour permettre des émetteurs LED à faible coût. Dans une certaine mesure, ces exigences sont satisfaites par la fibre multimode avec un gradient de changement d'indice de réfraction ((Fig. 2) c)). Elle ressemble à la fibre multimode à saut d'indice évoquée ci-dessus, mais l'indice de réfraction de son noyau n'est pas uniforme - il varie progressivement d'une valeur maximale au centre à des valeurs inférieures à la périphérie. Cela entraîne deux conséquences. Premièrement, la lumière se déplace le long d’un chemin légèrement incurvé et, deuxièmement, et plus important encore, les différences de délai de propagation entre les différents modes sont minimes. Cela est dû au fait que les modes élevés entrant dans la fibre sous b ó des angles plus grands et parcourant une plus longue distance commencent en fait à se propager à une vitesse plus élevée à mesure qu'ils s'éloignent du centre vers la région où l'indice de réfraction diminue, et se déplacent généralement plus rapidement que les modes d'ordre inférieur qui restent près de l'axe dans les fibres, dans zones à indice de réfraction élevé. L’augmentation de la vitesse compense simplement la plus grande distance parcourue.

Les fibres multimodes à gradient d'indice ne sont pas idéales, mais elles présentent néanmoins une très bonne bande passante. Par conséquent, dans la plupart des lignes courtes et moyennes, le choix de ce type de fibre est préférable. En pratique, cela signifie que la bande passante n’est que rarement un paramètre à prendre en compte.

Ce n’est cependant pas le cas pour l’atténuation. Le signal optique s'atténue dans toutes les fibres, à un rythme dépendant de la longueur d'onde de la source lumineuse de l'émetteur (Fig. 3). Comme mentionné précédemment, il existe trois longueurs d'onde pour lesquelles l'atténuation des fibres optiques est généralement minimale : 850, 1 310 et 1 550 nm. C'est ce qu'on appelle les fenêtres de transparence. Pour les systèmes multimodes, la fenêtre 850 nm est la première et la plus couramment utilisée (coût le plus bas). A cette longueur d'onde, une fibre multimode graduée de bonne qualité présente une atténuation de l'ordre de 3 dB/km, permettant de mettre en œuvre des communications TV en circuit fermé sur des distances supérieures à 3 km.

Fig.3 Dépendance de l'atténuation en fonction de la longueur d'onde

À une longueur d'onde de 1 310 nm, la même fibre présente une atténuation encore plus faible de 0,7 dB/km, permettant ainsi d'augmenter proportionnellement la portée de communication jusqu'à environ 12 km. 1310 nm est également la première fenêtre de fonctionnement pour les systèmes à fibre optique monomode, avec une atténuation d'environ 0,5 dB/km, qui, en combinaison avec des émetteurs à diode laser, permet des lignes de communication de plus de 50 km de longueur. La deuxième fenêtre de transparence - 1550 nm - est utilisée pour créer des lignes de communication encore plus longues (atténuation de la fibre inférieure à 0,2 dB/km).

2 Classification des FOC

Le câble à fibre optique est déjà connu pendant longtemps, même les premières normes Ethernet le prenaient en charge pour un débit de 10 Mbps. Le premier d’entre eux s’appelait FOIRL (Fiber-Optic Inter-Repeater Link), et le suivant s’appelait 10BaseF.

Il existe aujourd'hui plusieurs dizaines d'entreprises dans le monde qui produisent des câbles optiques à des fins diverses. Les plus célèbres d'entre eux : AT&T, General Cable Company (USA) ; Siecor (Allemagne) ; Câble BICC (Royaume-Uni) ; Les câbles de Lion (France) ; Nokia (Finlande) ; NTT, Sumitomo (Japon), Pirelli (Italie).

Les paramètres déterminants dans la production de câbles à fibres optiques sont les conditions de fonctionnement et la capacité des lignes de communication. Selon les conditions d'exploitation, les câbles sont divisés en deux groupes principaux (Fig. 4)

Les systèmes internes sont destinés à être installés à l’intérieur des bâtiments et des structures. Ils sont compacts, légers et ont généralement une longueur totale courte.

Les lignes principales sont conçues pour la pose de communications par câbles dans les puits, dans le sol, sur des supports le long des lignes électriques et sous l'eau. Ces câbles sont protégés des influences extérieures et ont une longueur de construction de plus de deux kilomètres.

Pour assurer un débit élevé des lignes de communication, des câbles à fibres optiques sont produits contenant un petit nombre (jusqu'à 8) de fibres monomodes à faible atténuation, et les câbles pour réseaux de distribution peuvent contenir jusqu'à 144 fibres, monomodes et multimodes, selon sur les distances entre les segments du réseau.

Fig.4 Classification des FOC

3 Avantages et inconvénients de la transmission du signal par fibre optique

3.1 Avantages des lignes de communication à fibre optique

Pour de nombreuses applications, la fibre optique est préférable en raison de nombreux avantages.

Faible perte de transmission. Les câbles à fibre optique à faible perte vous permettent de transmettre des signaux d'image sur de longues distances sans utiliser d'amplificateurs ou de répéteurs de routage. Ceci est particulièrement utile pour les systèmes de transmission longue distance - par exemple, les systèmes de surveillance routière ou ferroviaire, où des tronçons de 20 km sans répéteur ne sont pas rares.

Transmission de signaux à large bande. La large bande passante de transmission de la fibre optique permet de transmettre simultanément des données vidéo, audio et numériques de haute qualité sur un seul câble à fibre optique.

Immunité aux interférences et aux interférences. L'insensibilité totale du câble à fibre optique aux bruits et interférences électriques externes garantit un fonctionnement stable des systèmes même dans les cas où les installateurs n'ont pas prêté suffisamment d'attention à l'emplacement des réseaux électriques à proximité, etc.

Isolation électrique. L'absence de conductivité électrique pour les câbles à fibres optiques signifie que les problèmes liés aux changements de potentiel de terre, tels que ceux rencontrés dans les centrales électriques ou les chemins de fer, sont éliminés. Cette même propriété élimine le risque de dommages aux équipements causés par les surintensités dues à la foudre, etc.

Câbles légers et compacts. La taille extrêmement réduite des fibres optiques et des câbles à fibres optiques vous permet de donner une nouvelle vie aux canaux câblés encombrés. Par exemple, un câble coaxial occupe le même espace que 24 câbles optiques, chacun pouvant transporter simultanément 64 canaux vidéo et 128 signaux audio ou vidéo.

Ligne de communication intemporelle. En remplaçant simplement les équipements terminaux plutôt que les câbles eux-mêmes, les réseaux de fibres optiques peuvent être améliorés pour transporter davantage d'informations. D'un autre côté, une partie ou même la totalité du réseau peut être utilisée pour une tâche complètement différente, par exemple en combinant un réseau local et un système de télévision en circuit fermé dans un seul câble.

Sécurité contre les explosions et les incendies. En raison de l'absence d'étincelles, la fibre optique augmente la sécurité des réseaux des raffineries chimiques et pétrolières, lors de l'entretien de processus technologiques à haut risque.

Rentabilité des lignes de communication à fibre optique. La fibre est fabriquée à partir de quartz, qui est à base de dioxyde de silicium, un matériau très répandu et donc peu coûteux, contrairement au cuivre.

Longue durée de vie. Au fil du temps, la fibre subit une dégradation. Cela signifie que l'atténuation dans le câble installé augmente progressivement. Cependant, grâce au perfectionnement des technologies modernes de production de fibres optiques, ce processus est considérablement ralenti et la durée de vie du FOC est d'environ 25 ans. Pendant ce temps, plusieurs générations/normes de systèmes émetteurs-récepteurs peuvent changer.

3.2 Inconvénients des lignes à fibre optique

Grande complexité d'installation. Personnel hautement qualifié et outillage spécial. Par conséquent, le plus souvent, le câble à fibre optique est vendu sous forme de morceaux prédécoupés de différentes longueurs, aux deux extrémités desquels le type de connecteurs requis est déjà installé. L'utilisation de câbles à fibres optiques nécessite des récepteurs et émetteurs optiques spéciaux qui convertissent les signaux lumineux en signaux électriques et vice versa.

Le câble à fibre optique est moins durable et moins flexible que le câble électrique. Le rayon de courbure typique autorisé est d'environ 10 à 20 cm, avec des rayons de courbure plus petits, la fibre centrale peut se briser.

Le câble à fibre optique est sensible aux rayonnements ionisants, ce qui réduit la transparence de la fibre de verre, c'est-à-dire augmente l'atténuation du signal.

3. Composants électroniques des lignes à fibres optiques. Principe de transfert d'informations

Dans la plupart vue générale le principe du transfert d'informations dans les systèmes de communication par fibre optique peut être expliqué à l'aide de (Fig. 5).

Fig.5 Principe de transmission des informations dans les systèmes de communication par fibre optique

1 Émetteurs pour fibre optique

Le composant le plus important d'un émetteur à fibre optique est la source de lumière (généralement un laser à semi-conducteur ou une LED (Figure 6)). Les deux ont le même objectif : générer un faisceau lumineux microscopique qui peut être injecté dans la fibre avec une grande efficacité et modulé (en modifiant l'intensité) à haute fréquence. Les lasers fournissent b ó intensité de faisceau plus élevée que les LED et permettre une fréquence de modulation plus élevée ; ils sont donc souvent utilisés pour les lignes à large bande longue distance, telles que les télécommunications ou la télévision par câble. D’un autre côté, les LED sont des appareils moins chers et plus durables, et conviennent également parfaitement à la plupart des systèmes de petite ou moyenne taille.

Fig.6 Méthodes d'introduction d'un rayonnement optique dans la fibre optique

En plus objectif fonctionnel(c'est-à-dire quel signal il doit transmettre), un émetteur à fibre optique est caractérisé par deux paramètres plus importants qui déterminent ses propriétés. L’un est sa puissance de sortie optique (intensité). La seconde est la longueur d’onde (ou couleur) de la lumière émise. Il s'agit généralement de 850, 1310 ou 1550 nm, valeurs sélectionnées à partir de la condition de correspondance avec ce qu'on appelle. fenêtres de transparence dans les caractéristiques de transmission du matériau de la fibre optique.

3.2 Récepteurs pour fibre optique

Les récepteurs à fibre optique effectuent la tâche vitale de détecter un rayonnement optique extrêmement faible émis par l'extrémité d'une fibre et d'amplifier le signal électrique résultant au niveau requis avec un minimum de distorsion et de bruit. Le niveau minimum de rayonnement requis par un récepteur pour fournir une qualité de signal de sortie acceptable est appelé sensibilité ; La différence entre la sensibilité du récepteur et la puissance de sortie de l'émetteur détermine la perte maximale admissible du système en dB. Pour la plupart des systèmes de surveillance TV en circuit fermé avec émetteur LED, le chiffre typique est de 10 à 15 dB. Idéalement, le récepteur devrait fonctionner normalement lorsque le signal d'entrée varie considérablement, car il est généralement impossible de prédire exactement à l'avance quel sera le degré d'atténuation de la ligne de communication (c'est-à-dire la longueur de la ligne, le nombre de jonctions, etc.). De nombreuses conceptions de récepteurs simples utilisent des ajustements manuels du gain lors de l'installation du système pour atteindre le niveau de sortie souhaité. Ceci n'est pas souhaitable car les changements dans l'atténuation de ligne sont inévitables en raison du vieillissement ou des changements de température, etc., ce qui nécessite la nécessité d'ajuster périodiquement le gain. Tous les récepteurs à fibre optique utilisent un contrôle automatique du gain, qui surveille le niveau moyen du signal optique d'entrée et modifie le gain du récepteur en conséquence. Aucun réglage manuel n'est requis ni pendant l'installation ni pendant le fonctionnement.

câble de communication à fibre optique

4. Domaines d'application des lignes de communication à fibre optique

Les lignes de communication à fibre optique (FOCL) vous permettent de transmettre des signaux analogiques et numériques sur de longues distances. Ils sont également utilisés sur des distances plus petites et plus gérables, comme à l’intérieur des bâtiments. Le nombre d'utilisateurs d'Internet augmente et nous construisons rapidement de nouveaux centres de traitement de données (DPC), pour l'interconnexion desquels la fibre optique est utilisée. En effet, lors de la transmission de signaux à une vitesse de 10 Gbit/s, les coûts sont similaires à ceux des lignes « cuivre », mais l'optique consomme nettement moins d'énergie. De longues années Les défenseurs de la fibre et du cuivre se sont battus pour obtenir la priorité dans les réseaux d'entreprise. Perte de temps!

En effet, le nombre d'applications de l'optique augmente, principalement en raison des avantages mentionnés ci-dessus par rapport au cuivre. Les équipements à fibre optique sont largement utilisés dans les établissements médicaux, par exemple pour commuter les signaux vidéo locaux dans les salles d'opération. Les signaux optiques n’ont rien à voir avec l’électricité, ce qui est idéal pour la sécurité des patients.

Les technologies de la fibre optique sont également privilégiées par les militaires, car les données transmises sont difficiles, voire impossibles, à lire de l'extérieur. Les FOCL offrent un haut degré de protection information confidentielle, permettent la transmission de données non compressées telles que des graphiques et des vidéos haute résolution avec une précision au pixel près. L'optique a pénétré tous les domaines clés : systèmes de surveillance, salles de contrôle et centres de situation dans les zones soumises à des conditions de fonctionnement extrêmes.

La réduction du coût des équipements a permis d'utiliser les technologies optiques dans des domaines traditionnellement cuivreux - dans les grandes entreprises industrielles pour l'organisation de systèmes de contrôle de processus automatisés (APCS), dans le secteur de l'énergie, dans les systèmes de sécurité et de vidéosurveillance. La capacité de transmettre un flux important d'informations sur de longues distances rend l'optique idéale et recherchée dans presque tous les domaines industriels, où la longueur des lignes de câbles peut atteindre plusieurs kilomètres. Si pour un câble à paire torsadée la distance est limitée à 450 mètres, alors pour l'optique 30 km n'est pas la limite.

À titre d'exemple d'utilisation de lignes de communication à fibre optique, je voudrais donner une description d'un système de sécurité de vidéosurveillance en boucle fermée dans une centrale électrique typique. Ce sujet est devenu particulièrement pertinent et demandé récemment, après que le gouvernement de la Fédération de Russie a adopté une résolution sur la lutte contre le terrorisme et une liste d'objets d'importance vitale à protéger.

5. Systèmes de surveillance TV à fibre optique

Le processus de développement du système comprend généralement deux composants :

Sélection de composants de chemin de transmission actifs appropriés en fonction de la ou des fonctions requises, du type et du nombre de fibres disponibles ou proposées et de la portée de transmission maximale.

Conceptions d'infrastructures passives de câbles à fibres optiques, y compris les types et spécifications de câbles de base, les boîtes de jonction et les panneaux de brassage de fibres.

1Composants du chemin de vidéosurveillance

Tout d’abord : quels composants sont réellement nécessaires pour répondre aux spécifications du système ?

Systèmes de caméras fixes : ces systèmes sont extrêmement simples et se composent généralement d'un émetteur miniature à fibre optique et d'un récepteur modulaire ou montable en rack. L'émetteur est souvent suffisamment petit pour être monté directement dans le boîtier de l'appareil photo et est équipé d'un connecteur coaxial à baïonnette, d'un connecteur optique ST et des bornes pour connecter une source d'alimentation basse tension (généralement 12 VDC ou AC). Le système de surveillance d'une centrale électrique typique se compose de plusieurs dizaines de ces caméras, dont les signaux sont transmis au poste de contrôle central, et dans ce cas, les récepteurs sont montés en rack sur une carte 3U standard de 19 pouces avec une alimentation commune. fournir.

Systèmes basés sur des caméras contrôlées avec des dispositifs PTZ - ces systèmes sont plus complexes, car un canal supplémentaire est nécessaire pour transmettre les signaux de commande des caméras. De manière générale, il existe deux types de systèmes de télécommande pour de telles caméras : ceux nécessitant une transmission unidirectionnelle des signaux de télécommande (de la station centrale vers les caméras) et ceux nécessitant une transmission bidirectionnelle. Les systèmes de transmission bidirectionnelle sont de plus en plus populaires car ils permettent à chaque caméra d'accuser réception de chaque signal de contrôle, et offrent ainsi une plus grande précision et fiabilité de contrôle. Au sein de chacun de ces groupes, il existe un large éventail d'exigences d'interface, notamment RS232, RS422 et RS485. D'autres systèmes n'utilisent pas d'interface numérique, mais transmettent des données sous forme d'une série de signaux audio sur un canal analogique, semblable aux signaux à double tonalité en téléphonie.

Fig.6 Transmission de signaux de télécommande pour un appareil rotatif sur une fibre

Tous ces systèmes peuvent également fonctionner avec des câbles à fibres optiques en utilisant l'équipement approprié. Dans des circonstances normales, la transmission simultanée de signaux optiques dans des directions opposées sur la même fibre n'est pas souhaitable, car une diaphonie se produira en raison de la réflexion dispersée dans la fibre. Dans les systèmes de télévision en circuit fermé, cet effet crée du bruit dans l'image chaque fois que les commandes de la caméra sont activées.

Pour obtenir une transmission bidirectionnelle sur une seule fibre sans provoquer d'interférences mutuelles, il est nécessaire que les émetteurs situés aux différentes extrémités de la fibre fonctionnent à des longueurs d'onde différentes, par exemple 850 nm et 1 300 nm, respectivement (Fig. 6). Un coupleur de multiplexage par répartition en longueur d'onde (WDM) est connecté à chaque extrémité de la fibre, ce qui garantit que chaque récepteur reçoit uniquement la longueur d'onde de lumière requise (par exemple, 850 nm) de l'émetteur situé à l'extrémité opposée de la fibre. Les réflexions indésirables de l'émetteur proche se retrouvent dans faux plage (c'est-à-dire 1300 nm) et sont coupés en conséquence.

Capacités supplémentaires - bien que le choix d'une caméra fixe ou d'une caméra sur un appareil PTZ satisfasse aux exigences de la plupart des systèmes de surveillance TV en circuit fermé, il existe un certain nombre de systèmes qui nécessitent des capacités supplémentaires, par exemple la transmission d'informations audio - pour notification générale, messages auxiliaires au consommateur ou communication interphonique avec un poste distant . D'autre part, une partie d'un système de sécurité intégré peut inclure des contacts de capteurs qui se déclenchent en cas d'incendie ou d'apparition d'étrangers. Tous ces signaux peuvent être transmis sur fibre optique - soit la même que celle utilisée par le réseau, soit une autre.

2Multiplexage vidéo

Jusqu'à 64 signaux vidéo et jusqu'à 128 signaux de données audio ou numériques peuvent être multiplexés sur une seule fibre monomode, ou un nombre légèrement inférieur sur multimode. Dans ce contexte, le multiplexage fait référence à la transmission simultanée de signaux vidéo plein écran en temps réel, plutôt qu'à l'affichage sur petite image ou sur écran partagé auquel le terme est plus communément appelé.

La capacité de transmettre plusieurs signaux et informations supplémentaires sur plusieurs fibres optiques est très précieuse, en particulier pour les systèmes de surveillance TV longue distance en circuit fermé tels que les autoroutes ou les voies ferrées, où la minimisation du nombre de câbles à fibres optiques est souvent vitale. Pour d'autres applications, avec des distances plus courtes et des caméras largement dispersées, les avantages ne sont pas aussi évidents, et ici la première considération doit être l'utilisation d'une liaison fibre optique distincte pour chaque signal vidéo. Le choix de multiplexer ou non est assez complexe et ne doit être fait qu'après avoir pris en compte tous les aspects, notamment la topologie du système, les coûts globaux et, enfin et surtout, la tolérance aux pannes du réseau.

3Infrastructure de réseau câblé

Une fois les exigences en matière de chemin de transmission déterminées, l'infrastructure du réseau de câbles à fibres optiques est développée, qui comprend non seulement les câbles eux-mêmes, mais également tous les composants auxiliaires - boîtes de jonction, panneaux d'extension de câbles, câbles de dérivation.

La première tâche consiste à confirmer l'exactitude du choix du nombre et du type de fibres optiques déterminé au stade de la sélection des composants du chemin. Si le système n'est pas très long (c'est-à-dire pas plus d'environ 10 km) et n'implique pas de transmission multiplexée de signaux vidéo, alors, très probablement, le choix optimal sera une fibre à indice gradué de 50/125 μm ou 62,5/125 μm. Traditionnellement, la fibre 50/125 µm est sélectionnée pour les systèmes de télévision en circuit fermé et la fibre 62,5/125 µm pour les réseaux locaux. Dans tous les cas, chacun d'eux est adapté à chacune de ces tâches, et en général, dans la plupart des pays, la fibre 62,5/125 microns est utilisée pour les deux objectifs.

Le nombre de fibres requis peut être déterminé en fonction du nombre et du positionnement relatif des caméras et de l'utilisation d'une télécommande ou d'un multiplexage unidirectionnel ou bidirectionnel. Parce que les tuyaux. Les câbles destinés à être installés dans des gaines extérieures sont généralement imperméabilisés avec du ruban d'aluminium (tuyaux creux secs) ou un enduit hydrofuge (câbles remplis de gel). Câble de sécurité incendie.

De nombreux systèmes de télévision en court-circuit ont une configuration en étoile, dans laquelle une seule section de câble est posée entre chaque caméra et le poste de contrôle. Pour de tels systèmes, la conception optimale du câble contiendra deux fibres, respectivement pour la transmission des signaux vidéo et la télécommande. Cette configuration offre une capacité de câble à 100 % puisque, si nécessaire, les signaux vidéo et de télécommande peuvent être transmis sur la même fibre. Des réseaux plus étendus pourraient bénéficier de l’utilisation topologie arborescente inversée (topologie de branches et d'arbres inversés) (Fig. 7). Dans de tels réseaux, un câble à fibre optique à deux conducteurs relie chaque caméra à un « hub » local où elles sont connectées en un seul câble multiconducteur. Le concentrateur lui-même n'est pas beaucoup plus compliqué qu'une boîte de jonction toutes saisons conventionnelle et peut souvent être combiné avec le boîtier d'équipement de l'une des caméras.

L'augmentation des coûts lors de l'ajout de lignes de fibre optique à un câble existant est négligeable, surtout par rapport au coût des travaux publics associés, la possibilité d'installer des câbles avec une capacité supplémentaire doit être sérieusement envisagée.

Les câbles à fibres optiques en tranchée peuvent contenir un renfort en fil d'acier. Idéalement, tous les câbles devraient être construits à partir de matériaux ignifuges à faible émission de fumée pour satisfaire aux codes locaux, destinés à être installés dans des goulottes de câbles externes ou directement dans des tranchées, généralement de conception à tube creux contenant de 2 à 24 fibres dans une ou plusieurs.

Fig.7 Topologie arborescente d'un réseau fibre optique

Au poste de contrôle, le câble à fibre optique d'entrée arrive généralement dans une unité d'interface montée dans un rack 19", chaque fibre ayant son propre ST -connecteur. Pour l'interfaçage final avec le récepteur, des câbles adaptateurs courts de rigidité accrue avec des câbles d'accouplement sont utilisés. ST - des connecteurs à chaque extrémité. Aucune compétence particulière n'est requise pour effectuer tous les travaux d'installation, autre qu'une compréhension raisonnable de la nécessité d'une manipulation soigneuse de la fibre optique (par exemple, ne pas plier la fibre à un rayon inférieur à 10 diamètres de fibre) et des exigences d'hygiène générale ( c'est-à-dire la propreté).

4Budget de perte optique

Il peut paraître étrange que les calculs du bilan de perte optique interviennent si tard dans le processus de conception, mais en fait, tout calcul précis n'est possible qu'une fois que l'infrastructure du réseau câblé a été entièrement définie. Le but du calcul est de déterminer les pertes pour le trajet de signal le plus défavorable (généralement le plus long) et de garantir que l'équipement sélectionné pour le trajet de transmission s'inscrit dans les limites obtenues avec une marge raisonnable.

Le calcul est assez simple et consiste en la somme habituelle des pertes en décibels de tous les composants du trajet, y compris l'atténuation dans le câble (dB/km x longueur en km) plus les connecteurs et les pertes au niveau des joints. La plus grande difficulté consiste simplement à extraire les chiffres de pertes nécessaires de la documentation du fabricant.

En fonction du résultat obtenu, il peut être nécessaire de réévaluer l'équipement sélectionné pour le chemin de transmission afin de garantir des pertes acceptables. Par exemple, il peut être nécessaire de commander un équipement avec des paramètres optiques améliorés, et si cela n'est pas disponible, vous devriez envisager de passer à une fenêtre de transparence avec une longueur d'onde plus longue, où les pertes sont moindres.

5Tests et mise en service du système

La plupart des installateurs de réseaux de fibre optique fournissent des résultats de tests optiques pour le réseau de fibre optique en cours de mise en service. Au minimum, ils doivent inclure des mesures de puissance optique de bout en bout pour chaque liaison fibre – cela équivaut à un test d’intégrité pour un réseau de cuivre conventionnel avec multiplexeurs électriques. Ces résultats sont présentés sous forme de valeurs de perte de ligne en dB et peuvent être directement comparés aux spécifications de l'équipement sélectionné pour le chemin de transmission. Il est généralement considéré comme normal d'avoir une marge de perte minimale (paramètres promis de l'équipement moins la valeur mesurée) de 3 dB pour les inévitables processus de vieillissement qui se produisent dans les lignes à fibres optiques, en particulier dans les émetteurs.

Conclusion

Les experts estiment souvent que les solutions en fibre optique sont beaucoup plus chères que celles en cuivre. Dans la dernière partie de mon travail, je voudrais résumer ce qui a été dit précédemment et essayer de savoir si cela est vrai ou non, en comparant les solutions optiques de la société 3M Volution avec un système blindé standard de 6ème catégorie, qui possède les propriétés les plus proches de l'optique multimode

Le coût estimé d'un système typique comprenait le prix d'un panneau de brassage à 24 ports (par abonné), les cordons d'abonné et de brassage, le module d'abonné, ainsi que le coût d'un câble horizontal par 100 mètres (voir tableau 1).

Tableau 1 Calcul du coût d'un port d'abonné SCS pour cuivre et optique de catégorie 6

Ce simple calcul a montré que le coût d'une solution à fibre optique n'est que 35 % plus élevé qu'une solution à paires torsadées de catégorie 6, les rumeurs sur le coût énorme de l'optique sont donc quelque peu exagérées. De plus, le coût des principaux composants optiques est aujourd'hui comparable, voire inférieur, à celui des systèmes blindés de la 6ème catégorie, mais, malheureusement, les cordons de raccordement optiques et d'abonnés prêts à l'emploi sont encore plusieurs fois plus chers que leurs homologues en cuivre. Cependant, si, pour une raison quelconque, la longueur des canaux d'abonné dans le sous-système horizontal dépasse 100 m, il n'y a tout simplement pas d'alternative à l'optique.

Dans le même temps, la faible valeur d'atténuation de la fibre optique et son immunité aux diverses interférences électromagnétiques en font une solution idéale pour les systèmes de câbles actuels et futurs.

Les systèmes de câblage structuré, qui utilisent la fibre optique pour le câblage principal et horizontal, offrent aux consommateurs un certain nombre d'avantages significatifs : une conception plus flexible, un encombrement réduit dans le bâtiment, une plus grande sécurité et une meilleure gestion.

L'utilisation de la fibre optique sur les lieux de travail permettra à l'avenir de passer à de nouveaux protocoles réseau, tels que Gigabit et 10 Gigabit Ethernet, à moindre coût. Ceci est possible grâce à un certain nombre d'avancées récentes dans les technologies de la fibre optique : fibre multimode avec des performances optiques et une bande passante améliorées ; des connecteurs optiques à petit facteur de forme qui nécessitent moins d'encombrement et de coûts d'installation ; Les diodes laser à cavité verticale planaire permettent la transmission de données sur de longues distances à faible coût.

Une fibre optique est constituée d'un conducteur de lumière central (âme) - une fibre de verre, entourée d'une autre couche de verre - une gaine qui a un indice de réfraction inférieur à celui de l'âme. En se propageant à travers le noyau, les rayons lumineux ne dépassent pas ses limites, se réfléchissant depuis la couche recouvrant la coque. Dans la fibre optique, le faisceau lumineux est généralement généré par un laser à semi-conducteur ou à diode. En fonction de la répartition de l'indice de réfraction et du diamètre du noyau, la fibre optique est divisée en monomode et multimode.

Marché des produits de fibre optique en Russie

Histoire

Bien que la fibre optique soit un moyen de communication largement utilisé et populaire, la technologie elle-même est simple et développée depuis longtemps. L'expérience consistant à changer la direction d'un faisceau lumineux par réfraction a été démontrée par Daniel Colladon et Jacques Babinet en 1840. Quelques années plus tard, John Tyndall utilisa cette expérience dans ses conférences publiques à Londres et publia déjà en 1870 un ouvrage sur la nature de la lumière. L’application pratique de cette technologie n’a été découverte qu’au XXe siècle. Dans les années 1920, les expérimentateurs Clarence Hasnell et John Berd démontrèrent la possibilité de transmettre des images via des tubes optiques. Ce principe a été utilisé par Heinrich Lamm pour l'examen médical des patients. Ce n'est qu'en 1952 que le physicien indien Narinder Singh Kapany a mené une série de ses propres expériences qui ont conduit à l'invention de la fibre optique. En fait, il a créé exactement le même faisceau de fils de verre, et la coque et le noyau étaient constitués de fibres ayant des indices de réfraction différents. La coque servait en fait de miroir et le noyau était plus transparent, ce qui résolvait le problème de la dispersion rapide. Si auparavant le faisceau n'atteignait pas l'extrémité du filament optique et qu'il était impossible d'utiliser un tel moyen de transmission sur de longues distances, le problème est désormais résolu. Narinder Kapani a amélioré la technologie en 1956. Un tas de tiges de verre flexibles transmettaient l’image sans pratiquement aucune perte ni distorsion.

L'invention de la fibre optique par les spécialistes de Corning en 1970, qui a permis de dupliquer le système de transmission de données du signal téléphonique sur un fil de cuivre sur la même distance sans répéteurs, est considérée comme un tournant dans l'histoire du développement de la fibre optique. les technologies. Les développeurs ont réussi à créer un conducteur capable de maintenir au moins 1% de la puissance du signal optique à une distance d'un kilomètre. Selon les normes actuelles, il s'agit d'une réalisation plutôt modeste, mais il y a près de 40 ans, c'était une condition nécessaire au développement d'un nouveau type de communication filaire.

Initialement, la fibre optique était multiphasée, c'est-à-dire qu'elle pouvait transmettre des centaines de phases lumineuses à la fois. De plus, le diamètre accru du cœur de la fibre a permis d'utiliser des émetteurs et des connecteurs optiques peu coûteux. Beaucoup plus tard, ils ont commencé à utiliser des fibres plus performantes, grâce auxquelles il était possible de transmettre une seule phase dans l'environnement optique. Avec l'introduction de la fibre monophasée, l'intégrité du signal a pu être maintenue sur de plus grandes distances, ce qui a facilité le transfert de quantités considérables d'informations.

La fibre la plus populaire aujourd'hui est la fibre monophasée avec un décalage de longueur d'onde nul. Depuis 1983, il s'agit du produit de fibre optique leader du secteur, dont il a été prouvé qu'il fonctionne sur des dizaines de millions de kilomètres.

Avantages de la communication par fibre optique

Signaux optiques à large bande grâce à une fréquence porteuse extrêmement élevée. Cela signifie que les informations peuvent être transmises sur une ligne à fibre optique à une vitesse d'environ 1 Tbit/s ;
Très faible atténuation du signal lumineux dans la fibre, ce qui permet de construire des lignes de communication par fibre optique jusqu'à 100 km ou plus de longueur sans régénération du signal ;
Résistance aux interférences électromagnétiques provenant des systèmes de câblage en cuivre environnants, des équipements électriques (lignes électriques, moteurs électriques, etc.) et des conditions météorologiques ;
Protection contre les accès non autorisés. Les informations transmises sur les lignes de communication à fibre optique sont pratiquement impossibles à intercepter de manière non destructive ;
Sécurité électrique. Étant en fait une fibre optique diélectrique, elle augmente la sécurité contre les explosions et les incendies du réseau, ce qui est particulièrement important dans les raffineries chimiques et pétrolières, lors de l'entretien de processus technologiques à haut risque ;
Durabilité des lignes de communication à fibre optique - la durée de vie des lignes de communication à fibre optique est d'au moins 25 ans.

Inconvénients de la communication par fibre optique

Le coût relativement élevé des éléments de ligne actifs qui convertissent les signaux électriques en lumière et la lumière en signaux électriques ;
Coût relativement élevé de l’épissage de la fibre optique. Cela nécessite des équipements technologiques précis, et donc coûteux. En conséquence, en cas de rupture d'un câble optique, le coût de restauration d'une ligne à fibre optique est plus élevé que lorsqu'on travaille avec des câbles en cuivre.

Éléments de ligne à fibre optique

Récepteur optique

Les récepteurs optiques détectent les signaux transmis le long d'un câble à fibre optique et les convertissent en signaux électriques, qui amplifient puis restituent leur forme, ainsi qu'en signaux d'horloge. En fonction de la vitesse de transmission et des spécificités du système de l'appareil, le flux de données peut être converti de série en parallèle.

Émetteur optique

L'émetteur optique d'un système à fibre optique convertit la séquence de données électriques fournie par les composants du système en un flux de données optiques. L'émetteur se compose d'un convertisseur parallèle-série avec un synthétiseur d'horloge (qui dépend de l'installation du système et du débit binaire), d'un pilote et d'une source de signal optique. Diverses sources optiques peuvent être utilisées pour les systèmes de transmission optique. Par exemple, les diodes électroluminescentes sont souvent utilisées dans les réseaux locaux à faible coût pour les communications à courte distance. Cependant, la large bande passante spectrale et l'incapacité de travailler dans les longueurs d'onde des deuxième et troisième fenêtres optiques ne permettent pas l'utilisation de LED dans les systèmes de télécommunication.

Préamplificateur

L'amplificateur convertit le courant asymétrique provenant du capteur à photodiode en une tension asymétrique, qui est amplifiée et convertie en un signal différentiel.

Puce de synchronisation et de récupération des données

Cette puce doit restaurer les signaux d'horloge du flux de données reçu et leur synchronisation. Le circuit de boucle à verrouillage de phase requis pour la récupération d'horloge est également entièrement intégré à la puce d'horloge et ne nécessite pas d'impulsions d'horloge de contrôle externes.

Bloc de conversion de code série vers parallèle

Convertisseur parallèle-série

Façonneur laser

Sa tâche principale est de fournir un courant de polarisation et un courant de modulation pour moduler directement la diode laser.

Cable optique, constitué de fibres optiques situées sous une gaine de protection commune.

Fibre monomode

Si le diamètre et la longueur d’onde de la fibre sont suffisamment petits, un seul faisceau se propagera à travers la fibre. En général, le fait même de sélectionner le diamètre du cœur pour le mode de propagation du signal monomode témoigne de la particularité de chaque option de conception de fibre individuelle. Autrement dit, le monomode fait référence aux caractéristiques de la fibre par rapport à la fréquence spécifique de l'onde utilisée. La propagation d'un seul faisceau permet de s'affranchir de la dispersion intermode, et donc les fibres monomodes sont des ordres de grandeur plus productives. Actuellement, un noyau d'un diamètre extérieur d'environ 8 microns est utilisé. Comme pour les fibres multimodes, des densités de distribution de matériaux en escalier et en gradient sont utilisées.

La deuxième option est plus productive. La technologie monomode est plus fine, plus coûteuse et est actuellement utilisée dans les télécommunications. La fibre optique est utilisée dans les lignes de communication à fibre optique, qui sont supérieures aux communications électroniques dans la mesure où elles permettent une transmission rapide et sans perte de données numériques sur de vastes distances. Les lignes de fibre optique peuvent soit former un nouveau réseau, soit servir à combiner des réseaux existants - des tronçons d'autoroutes à fibre optique, connectés physiquement au niveau du guide de lumière, ou logiquement au niveau des protocoles de transfert de données. Les vitesses de transmission des données sur les lignes à fibre optique peuvent être mesurées en centaines de gigabits par seconde. La norme est déjà en cours de finalisation pour permettre la transmission de données à une vitesse de 100 Gbit/s, et la norme Ethernet 10 Gbit est utilisée depuis plusieurs années dans les structures de télécommunications modernes.

Fibre multimode

Dans une fibre optique multimode, un grand nombre de modes (rayons introduits dans la fibre sous différents angles) peuvent se propager simultanément. Multimode OF a un diamètre de noyau relativement grand (valeurs standard 50 et 62,5 μm) et, par conséquent, une grande ouverture numérique. Le diamètre de coeur plus grand de la fibre multimode simplifie le couplage du rayonnement optique dans la fibre, et les exigences de tolérance plus souples pour la fibre multimode réduisent le coût des émetteurs-récepteurs optiques. Ainsi, la fibre multimode prédomine dans les réseaux locaux et domestiques à courte portée.

Le principal inconvénient de la fibre optique multimode est la présence d’une dispersion intermode, due au fait que différents modes suivent des chemins optiques différents dans la fibre. Pour réduire l'influence de ce phénomène, une fibre multimode avec un indice de réfraction progressif a été développée, grâce à laquelle les modes de la fibre se propagent le long de trajectoires paraboliques et la différence de leurs chemins optiques et, par conséquent, la dispersion intermodale est significativement moins. Cependant, quel que soit l’équilibre des fibres multimodes à gradient, leur débit ne peut être comparé aux technologies monomodes.

Émetteurs-récepteurs à fibre optique

Pour transmettre des données sur des canaux optiques, les signaux doivent être convertis d'électriques en optiques, transmis via une liaison de communication, puis reconvertis en électriques au niveau du récepteur. Ces transformations se produisent dans le dispositif émetteur-récepteur, qui contient des composants électroniques ainsi que des composants optiques.

Largement utilisé dans les technologies de transmission, le multiplexeur temporel permet d'augmenter la vitesse de transmission jusqu'à 10 Gb/s. Les systèmes modernes de fibre optique à haut débit offrent les normes de vitesse de transmission suivantes.

Norme SONET	Norme SDH	Vitesse de transmission
OC1	-	51,84 Mo/s
OC3	STM1	155,52 Mo/s
OC 12	STM4	622,08 Mbit/s
OC 48	STM16	2,4883 Go/s
D. 192	STM64	9,9533 Go/s

De nouveaux procédés de multiplexage par répartition en longueur d'onde ou multiplexage par répartition en longueur d'onde permettent d'augmenter la densité de transmission des données. Pour y parvenir, plusieurs flux d'informations multiplexés sont envoyés sur un seul canal à fibre optique en utilisant la transmission de chaque flux à une longueur d'onde différente. Les composants électroniques du récepteur et de l'émetteur WDM sont différents de ceux utilisés dans un système à répartition temporelle.

Application des lignes de communication à fibre optique

La fibre optique est activement utilisée pour construire des réseaux de communication urbains, régionaux et fédéraux, ainsi que pour installer des lignes de connexion entre les centraux téléphoniques automatiques de la ville. Cela est dû à la vitesse, à la fiabilité et à la grande capacité des réseaux fibre optique. En outre, grâce à l'utilisation de canaux à fibre optique, il existe la télévision par câble, la vidéosurveillance à distance, les vidéoconférences et les diffusions vidéo, la télémétrie et d'autres systèmes d'information. À l'avenir, il est prévu d'utiliser la conversion des signaux vocaux en signaux optiques dans les réseaux à fibre optique.