Telcité : Opérateur de réseau optique
Voyage au coeur de la fibre
Lorsqu'un faisceau lumineux heurte obliquement la surface qui sépare deux milieux plus ou moins transparents, il se divise en deux :
une partie est réfléchie tandis que l'autre est réfractée, c'est à dire transmise dans le second milieu en changeant de direction.
L'indice de réfraction est une grandeur caractéristique des propriétés optiques
d'un matériau. Il est obtenu en divisant la vitesse de la lumière dans le vide (Cv=299 792 Km/s) par la vitesse de cette même onde dans le matériau.
Plus l'indice est grand, et plus la lumière est lente.
Ainsi, dans l'air, la vitesse de la lumière est à peu près égale à Cv ; dans l'eau, elle est égale à 75% de Cv; dans le verre, elle est égale
à environ 55% ou 60% de Cv selon le type de verre.
C'est ce principe qui est utilisé pour guider la lumière dans la fibre. La fibre optique comprend ainsi deux milieux : le coeur, dans lequel l'énergie lumineuse
se trouve confinée, grâce à un second milieu, la gaine, dont l'indice de réfraction est plus faible.
Les recherches menées dans les années 1970 ont conclu que la silice était un bon support pour des longueurs d'onde prises dans le proche infrarouge
(850 nm - 1300 nm - 1500 nm).
La fabrication en série de lasers à semi-conducteurs dans ces longueurs d'onde est venue par la suite confirmer ce choix. Rappelons qu'un laser (light amplification by
stimulated emission of radiation) ou amplification de la lumière par émission de radiation stimulée, est un dispositif qui amplifie la lumière et la
rassemble en un étroit faisceau, dit cohérent, où ondes et photons associés se propagent en phase, au lieu d'être arbitrairement distribués.
Cette propriété rend la lumière laser extrêmement directionnelle. Techniquement le laser combine trois phénomènes d'optique fondamentale : le pompage optique,
l'émission stimulée de lumière et la résonance optique.
La fabrication d'une fibre optique passe par la réalisation d'une préforme cylindrique en barreau de silice. La silice est un composé oxygéné
du silicium, de formule SiO2, présent dans un grand nombre de minéraux, tels que le quartz, la calcédoine et l'opale.
La fibre est ensuite étirée à partir de ce barreau. Son centre, qui constitue le coeur de la fibre, nécessite une silice très pure avec un minimum d'ions
hydroxyles OH- .
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Le coeur est entouré d'une silice de moindre qualité qui forme la gaine optique. On réalise un écart d'indice entre le coeur et la gaine en
incorporant des dopants, tels que :
- le germanium et le phosphore qui accroissent l'indice dans le coeur,
- le bore et le fluor qui le
font décroître dans la gaine.
Une préforme de verre d'une longueur de 1 m et d'un diamètre de 10 cm permet d'obtenir par étirement une fibre monomode d'une longueur
d'environ 150 Km.
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Les fibres multimodes ont un diamètre de coeur important (de 50 à 85 microns). Un rayon lumineux pénétrant dans le coeur de la fibre, à l'une
de ses extrémités, se propage longitudinalement jusqu'à l'autre extrémité grâce aux réflexions totales qu'il subit à l'interface entre le verre de coeur et
le verre de gaine .
Parmi les fibres multimodes, on distingue les fibres à faible indice ou saut d'indice (débit limité à 50 Mb/s) et les fibres à gradient d'indice
(débit limité à 1 Gb/s).
Les fibres monomodes ont un diamètre de coeur (10 microns), faible par rapport au diamètre de la gaine (125 microns) et proche de l'ordre de
grandeur de la longueur d'onde de la lumière injectée.
L'onde se propage alors sans réflexion et il n'y a pas de dispersion nodale.
Le petit diamètre du coeur des fibres monomodes nécessite une grande puissance d'émission qui est délivrée par des diodes-laser.
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Les caractéristiques essentielles d'une fibre optique monomode pour la transmission d'un signal sont :
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- l'affaiblissement (dB) par unité de longueur (Km), qui est fonction de la longueur d'onde, soit 0,36 dB/Km à 1300 nm et 0,2 dB/Km à 1550
nm
- la dispersion chromatique, qui conduit à un élargissement d'une impulsion lumineuse du fait de la variation des vitesses de propagation, ce
qui est pénalisant dans le cas d'une modulation directe (1 ou 0) du signal optique,
- la dispersion des modes de polarisation (PMD), qui se caractérise par un étalement spectral en ligne,
- la longueur d'onde de coupure.
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L' UIT-T a dans un premier temps normalisé la fibre monomode G-652 (fibre à dispersion non décalée) qui compte plus de 80 millions de Km de fibres
installées dans le monde, puis la fibre monomode G-653 (fibre à dispersion décalée, notamment utilisée dans les câbles sous-marins).
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Mais, les effets non linéaires de la dispersion chromatique et de la dispersion de mode, conjugués aux forts niveaux
de puissance produits à la sortie des amplificateurs étant des paramètres critiques pour le haut débit, ont conduit quelques
fournisseurs à proposer à la standardisation une nouvelle fibre optique monomode, spécialement conçue pour les systèmes
WDM amplifiés.
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Ainsi est née, sous la spécification G-655, la fibre NZDF (Non Zero Dispertion Fiber), fibre à dispersion non nulle, utilisée aujourd'hui
dans les infrastructures terrestres et sous-marines longue distance.
Plus récente, la fibre G 657 supporte de très faibles rayons de courbure ce qui est utile pour réaliser le câblage notamment à l'intérieur des bâtiments.
On trouve deux catégories de cette fibre, la A et la B, mais seule la fibre G 657 A est compatible avec la G 652.
Lucent Technologies, après avoir déjà conçu une fibre G-655 "TrueWave" garantissant l'homogénéité des performances de ce type de fibre dans
la bande 1528-1565 nm, a réalisé une fibre optique "All Wave" capable de fonctionner sur une large étendue du spectre de lumière, à savoir :
1300 nm - 1400 nm - 1550 nm (fenêtre pour le WDM) - 1620 nm, en utilisant un nouveau procédé breveté de purification permettant d'éliminer les
molécules d'eau résiduelles dans le coeur de la fibre, molécules d'eau qui rendaient inutilisables les fibres dans certaines zones du spectre optique.
Le tableau suivant compare les distances maximales autorisées par les fibres G 652 et G 655 du fait de la dispersion induite pour différentes valeurs du débit
de transmission :
A l'opposé, il existe des fibres optiques en plastique, à bas coût et à faibles performances, utilisées en milieu local pertubé, par exemple, pour réaliser
les circuits de commande-contrôle dans un avion ou dans un métro.
Câbles à fibres optiques
Les fibres optiques sont ensuite placées dans des câbles qui en assurent le conditionnement (plus ou moins de fibres enrobées dans des
tubes ou des rubans), la protection mécanique et chimique. La taille et le poids réduit des câbles à fibres optiques permettent des poses
d'un seul tenant pouvant dépasser 4800 m contre seulement 300 m avec un câble coaxial en cuivre. Pour tenir compte des contraintes de
déroulage sur les voies ferrées, les tourets de câbles optiques de Telcité sont limités à 2100 m.
Les principales structures de câble à fibres optiques sont :
- le câble à structure libre tubée (n fibres dans m tubes de protection libres en hélice autour d'un porteur central).
La capacité type est de 2 à 432 fibres,
- le câble à tube central (n fibres libres dans 1 tube central, la rigidité étant assurée par des mini-porteurs placés dans la gaine),
- le câble ruban à tube central (n fibres les unes à côté des autres dans m rubans dans 1 tube central). La capacité type est de 12 fibres par 18 rubans,
soit 216 fibres. L'avantage de ce type de câble est de pouvoir souder simultanément la totalité des fibres d'un même ruban.
- le câble ruban à tubes libres (n fibres les unes à côté des autres dans m rubans dans p tubes libres en hélice autour d'un porteur central).
- le câble à jonc rainuré (n fibres dans m rubans dans p joncs). La capacité type est de (8 à 12)*10*5 = 400 à 600 fibres.
- le câble ruban à jonc rainuré,
La réalisation des câbles doit tenir compte des contraintes physiques et chimiques ainsi que des conditions de sécurité de l'environnement où il sont
déployés. Ainsi, on trouve une grande variété de câbles spécifiques :
- des câbles ignifuges, sans halogène (cas des câbles RATP et ceux de Telcité),
- des câbles sans métal résistant aux rongeurs,
- des câbles résistant aux termites,
- des câbles pour l'industrie pétrochimique,
- des câbles pour environnement hostile (vapeur, humidité, hydrogène, hydrocarbure),
- des câbles sous-marins transocéaniques, (France Télécom a mis en service commercial, en août 1999, le câble optique "SEA-ME-WE 3"
de 40 000 Km, le plus long au monde),
- des câbles pour les égouts,
- des câbles pour applications aériennes sur lignes haute tension,
Les applications de la fibre optique
Elles sont nombreuses et les plus connues concernent :
- les télécommunications, pour la réalisation des réseaux haut débit des opérateurs en technologie WDM, SDH, Ethernet, ATM.
- l'audiovisuel, pour la réalisation des réseaux câblés de télévision en association avec le câble coaxial utilisé pour le raccordement de
l'abonné,
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- la médecine, où la fibre optique est notamment utilisée :
* en chirurgie associée à un faisceau laser qui permet de : pulvériser un calcul rénal, découper une tumeur, réparer une rétine ...
* en endoscopie, pour éclairer l'intérieur du corps et transmettre les images
jusqu'au médecin.
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- l'éclairage (muséographique, architectural, espaces d'agrément publics ou domestiques),
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- le balisage, le surlignage de bâtiments, le silhouettage,
- la décoration/illumination de piscines, bassins, fontaines,
- la signalétique d'orientation et d'information (panneaux de signalisation et enseignes),
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- la signalisation routière (ronds points, séparation de voies de circulation).
D'autres applications sont développées pour la réalisation de différents capteurs, comme par exemple le gyroscope à fibres optiques qui utilise une propriété
physique de la lumière : les rayons lumineux qui parcourent les trois bobines de fibres de ce nouveau gyroscope se déphasent quand le véhicule
(fusée, avion, bateau, voiture) change de direction.
Le système calcule ainsi sa position avec une précision de 0,1 degré à l'heure. Ne contenant pas de pièces mécaniques et ne nécessitant qu'une faible
énergie électrique, il est l'appareil idéal pour constituer le coeur des systèmes de navigation des fusées et des satellites.
En conclusion, la plupart des technologies nécessaires au déploiement d'une infrastructure "tout-optique" sont aujourd'hui disponibles :
- la fibre optique, de plus en plus performante en bande passante,
- le multiplexage en longueurs d'onde WDM, DWDM et CWDM,
- l'insertion/extraction de longueurs d'onde, les amplificateurs large bande, le brassage optique.
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Des technologies pour l'aiguillage des faisceaux de photons (routage optique) ont été développés, par exemple :
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- Agilent utilise un système basé sur des bulles de gaz,
- Nanovatron utilise une technique de résonateurs optiques,
- Lucent Technologies a opté pour le dispositif des micromiroirs mobiles (photo ci-contre), qui appartiennent à la famille
des MEMS (Micro Electro Mechanical Systems).
Les MEMS sont produits par gravure comme les puces électroniques.
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Lucent Technologies commercialise un routeur optique, le WaveStar/ LambdaRouter. Ce dernier regroupe 256 fibres optiques
en entrée, suivant une matrice 16 x 16, et 256 fibres optiques en sortie, également disposées en matrice 16 x 16, adressables individuellement
par le jeu de 256 micromiroirs mobiles, implantés sur une base de silicium de 2,5 cm².
Il est 16 fois plus rapide que les commutateurs électroniques utilisés dans les réseaux actuels.
Records et perspectives
Le Fraunhofer Institute of Telecommunication de Berlin est parvenu au début 2006, en coopération avec les Fujitsu Laboratories, à obtenir un taux de transfert de 2,56 Tbit/s
(Terabit par seconde) sur une liaison en fibre optique de 160 Km de long. Un tel débit permettrait de transférer le contenu d'environ 60 DVD en 1 seconde !
En plus de ce record de vitesse, les chercheurs ont également établi deux records de distance en transmettant des informations :
- à une vitesse de 1,28 Tbit/s sur une
liaison en fibre optique de 240 Km,
- à une vitesse de 160 Gbit/s (Gigabit par seconde) sur une liaison en fibre optique de 4 000 Km.
A la mi-2006, les laboratoires de l'opérateur japonais NTT sont parvenus à maintenir un débit de 14 Tbit/s sur une distance de 160 Km. Pour y parvenir, NTT a réuni 140 canaux
sur une même fibre, chaque canal étant capable de transporter les informations à un débit de 111 Gbit/s.
Alcatel-Lucent a annoncé, en septembre 2009, avoir établi un nouveau record de vitesse de transmission
de données sur fibres optiques. Les ingénieurs de Bell Labs, centre de recherche et développement de l'équipementier, sont parvenus à
atteindre 15,5 Tbit/s sur une distance de
7 000 km entre Paris et Chicago.
Un record sur une telle distance qui dépasse de dix fois la capacité actuelle des câbles transocéaniques de dernière génération et qui correspond à l'envoi de 400 DVD par seconde,
ces DVD étant encodés à la norme MPEG2 en simple face (soit 5 Giga octets / DVD).
Pour y parvenir, les équipes de Villarceaux dans le département de l'Essonne ont exploité 155 longueurs d'ondes différentes
sur chacune desquelles ils ont « injecté » 100 Gbit/s selon la méthodologie WDM (Wavelength Division Multiplexing) standard. Elles ont pour cela exploité la détection cohérente, une technique
qui permet plus de précisions dans la décomposition de la lumière que la méthode dite de détection directe.
A quand le prochain record ?
La fibre optique à domicile
L'annonce faite par France Télécom à la fin 2005, puis de Free en octobre 2006, sur l'intention de déployer progressivement la fibre optique jusqu'au domicile des particuliers est un évènement
majeur pour la France dans le domaine des télécommunications. Le rêve de communiquer à 100 Mb/s avec un débit symétrique va devenir réalité dans les
prochaines années !
En effet, même si les plus récentes technologies "cuivres" telles le VDSL2 (Very High Speed DSL) permettent aussi d'atteindre un tel débit, en fait, leur performance
réelle dépend directement de la distance entre le central téléphonique (NRA) et l'abonné final.
Du débit, mais pourquoi faire ?
Avec l'arrivée des offres triple play (Téléphonie sur IP, Internet Haut Débit et Télévision) et prochainement quadruple play (la mobilité en plus), la demande des internautes
ne peut que s'accroître dans les prochaines années. Parallèlement de nouveaux services sont appelés à se développer : TéléVision Haute Définition (TVHD) sur plusieurs
écrans dans la maison, visioconférence de qualité (grâce au débit symétrique proposé), téléchargement et chargement ultra-rapide de gros fichiers multimédia, bien pratique
pour expédier ses photos à développer sur le Net ou encore transmettre dès filmé son dernier clip vidéo pris au camescope !
A cette liste, il convient d'ajouter aussi tous les échanges permettant de sauvegarder à distance ses données ainsi que les jeux en réseau, bien que moins consommateurs
de ressources. Pour fixer les idées, l'envoi d'un fichier vidéo de 120 Méga octets prend environ 10 secondes !
Les principales technologies de la famille FTTx :
FTTH : Fiber To The Home : Fibre jusqu'à domicile ;
FTTB : Fiber To The Building : Fibre jusqu'à l'immeuble ;
FTTO : Fiber To The Office : Fibre jusqu'au bureau ;
FTTC : Fiber To The Curb : Fibre jusqu'au trottoir ;
FTTcab : Fiber To The cabinet : Fibre jusqu'au sous-répartiteur.
En fait, trois principales solutions peuvent être utilisées pour raccorder en fibre optique un utilisateur : le réseau en point à point, le réseau en point à multipoint
et le réseau optique actif.
Solution 1 : Elle met en oeuvre un Ethernet en point à point, qui permet un ciblage précis avec des équipements actifs.
Chaque utilisateur est relié au réseau via le noeud de raccordement d'abonnés (NRA) par une ou deux fibres dédiées, ce qui offre un débit élevé et garanti, mais pas
une mutualisation des ressources.
Solution 2 : C'est un réseau en point à multipoint connu sous le nom de réseau optique passif ou PON (Passive Optical Network), solution privilégiée par France Télécom. Les liens optiques sont partagés entre plusieurs clients
par une série de coupleurs passifs en cascade. L'intérêt de cette formule est de mieux mutualiser les infrastructures et d'utiliser des équipements passifs moins coûteux
que les équipements actifs précédents.
Solution 3 : C'est un réseau optique actif qui met en oeuvre des équipements soit au niveau de l'immeuble (FTTB), soit à celui d'un répartiteur de rue (FTTC). Cette solution est la plus
coûteuse pour l'opérateur à l'installation, mais permet une distribution plus fine des services.
Là aussi, un partage du réseau entre différents opérateurs d'extrémités est possible. Une variante de cette formule consiste à distribuer à partir de l'équipement actif
(soit une boucle, soit un équipement d'extrémité) les derniers mètres en cuivre, ce qui ne nécessite pas de modification dans grand nombre de bâtiments.
Autres informations sur la fibre optique
