Aprèsles signaux optiques voyagentÀ une certaine distance à travers la fibre optique, ils subissent une atténuation et une distorsion, provoquant une différence entre les impulsions du signal optique d'entrée et de sortie. Cela se manifeste par une atténuation de l’amplitude et un élargissement de la forme d’onde des impulsions optiques. La cause de ce phénomène est la présence de perte et de dispersion au sein de la fibre optique. La perte et la dispersion sont les paramètres les plus importants décrivant les caractéristiques de transmission des fibres optiques, limitant la distance de transmission et la capacité du système. Cette section traite principalement des mécanismes et des caractéristiques de la perte et de la dispersion des fibres optiques.
★Caractéristiques des fibres optiques (partie 2)
Caractéristiques de perte de la fibre optique
La perte de fibre optique entraîne une atténuation du signal, c'est pourquoi la perte de fibre optique est également appelée atténuation. À mesure que la distance augmente dans la fibre optique, l'intensité du signal lumineux diminue, comme suit : P(z)=P(0) /10 - (4) où P(z) est la puissance optique à la distance de transmission z ; P(0) est la puissance optique entrée dans la fibre optique, c'est-à-dire la puissance optique injectée en z=0 ; (λ) est le coefficient d'atténuation de la fibre optique à la longueur d'onde en dB/km ; et L est la distance de transmission.
Lorsque t=L, le coefficient d'atténuation de la fibre est défini comme
(λ)=(10/L) lg[P(0)/P(L)]
Lorsque la longueur d'onde de travail λ est dB, si le coefficient d'atténuation est mesuré en unités de dB par kilomètre, alors A(λ) (l'unité est dB) est exprimé comme suit :
UNE(λ)=10 lg[P(0)/P(L)]
La communication par fibre optique s'est développée parallèlement à des améliorations continues dans la fabrication des fibres optiques, en particulier la réduction des pertes de fibre. La perte de fibre est l'un des principaux facteurs déterminant la distance du relais dans un système de communication par fibre optique. De nombreux facteurs contribuent à la perte de fibres, principalement la perte par absorption, la perte par diffusion et la perte supplémentaire, et les mécanismes sous-jacents à ces pertes sont assez complexes. La discussion suivante utilise la fibre optique en silice comme exemple pour illustrer les différentes causes de perte.
Perte d'absorption
La perte par absorption comprend principalement l’absorption intrinsèque, l’absorption des impuretés (radicaux OH) et l’absorption des défauts structurels. L'absorption intrinsèque comprend l'absorption infrarouge et ultraviolette.
L'absorption infrarouge est l'absorption de l'énergie lumineuse provoquée par la résonance moléculaire lorsque la lumière traverse un verre de quartz composé de SiO2. Par exemple, les pics d'absorption de Si-O sont à 9,1 μm, 12,5 μm et 21,3 μm, et la perte d'absorption de la fibre optique atteint 10 dB/km à 9,1 μm. L'absorption ultraviolette est l'énergie absorbée lorsque les électrons sont excités pour passer à des niveaux d'énergie plus élevés par les ondes lumineuses. Cette absorption se produit dans la région ultraviolette et est donc généralement appelée absorption ultraviolette. Les matériaux en verre contiennent des ions de métaux de transition tels que le fer et le cuivre, ainsi que des ions OH-. L'absorption des impuretés est la perte causée par l'absorption de l'énergie lumineuse par les électrons générés par les vibrations ioniques sous excitation des ondes lumineuses. Par exemple, à 1,39 μm, l'atténuation est de 60 dB/km lorsque la concentration en ions OH- est de 1 × 10⁻⁶.
Perte de diffusion
La perte de diffusion est la perte qui rayonne l'énergie lumineuse hors de la fibre optique sous forme de diffusion. Cela est dû à la densité non uniforme au sein de la fibre. Les principaux types de perte de diffusion dans les fibres optiques comprennent la diffusion Rayleigh, la diffusion Mie, la diffusion Brillouin stimulée, la diffusion Raman stimulée, les défauts structurels supplémentaires et la diffusion par courbure, ainsi que la diffusion par fuite.
Lors de la fabrication des fibres optiques, le mouvement thermique des molécules dans le verre fondu provoque des fluctuations de densité et d'indice de réfraction au sein de sa structure, ce qui provoque à son tour une diffusion de la lumière. La diffusion provoquée par des particules beaucoup plus petites que la longueur d’onde de la lumière est appelée diffusion Rayleigh ; La diffusion provoquée par des particules de même longueur d’onde que la lumière est appelée diffusion Mie.
La diffusion Rayleigh est la principale cause de perte de fibre. La diffusion Rayleigh présente la propriété d'être proportionnelle à 1/λ de la courte longueur d'onde, c'est-à-dire R=K/λ. La constante de proportionnalité K est liée à la structure et à la composition du verre. Généralement, plus la température de transition vitreuse est élevée et plus sa composition est complexe, plus la perte par diffusion Rayleigh est importante.
La diffusion Rayleigh est influencée par l'intensité de la lumière incidente. En revanche, la diffusion Brillouin stimulée et la diffusion Raman stimulée se produisent lorsque la densité d'énergie lumineuse dépasse une certaine valeur élevée et sont produites par l'interaction entre la lumière et le milieu.
Pertes supplémentaires
Les pertes supplémentaires (ou pertes d'application) sont des pertes provenant de sources externes, telles que celles provoquées par la torsion de la fibre ou la pression latérale pendant la construction, l'installation et l'exploitation, entraînant une macro-courbure et une micro-courbure de la fibre.
Les causes de la perte de fibres sont résumées dans la figure:
| Catégorie | Sous-Catégorie | Détails / Description |
|---|---|---|
| Perte d'absorption | Absorption intrinsèque | • Absorption infrarouge • Absorption ultraviolette |
| Absorption extrinsèque | Causé par des impuretés telles que Fe, Cu, des métaux de transition et l'absorption vibratoire de OH⁻ | |
| Perte de diffusion | Diffusion linéaire | |
| - diffusion Rayleigh | Diffusion par des particules beaucoup plus petites que la longueur d'onde optique | |
| - Diffusion de Mie | Diffusion par des particules de taille comparable à la longueur d'onde optique | |
| Diffusion non linéaire | ||
| - Diffusion Brillouin stimulée | Se produit lorsque la densité de puissance optique dépasse un seuil inférieur | |
| - Diffusion Raman stimulée | Se produit lorsque la densité de puissance optique dépasse un seuil plus élevé | |
| Perte supplémentaire | - | Perte causée par la microflexion, la macroflexion, l'étirement, la compression et la déformation mécanique |
Caractéristiques de dispersion des fibres optiques
En physique, la dispersion fait référence au phénomène par lequel la lumière de différentes couleurs est dispersée après avoir traversé un milieu transparent. Un faisceau de lumière blanche est divisé en une bande de sept-couleurs après avoir traversé un prisme. En effet, le verre a des indices de réfraction différents pour différentes couleurs (différentes fréquences ou différentes longueurs d'onde). Plus la longueur d'onde est longue (ou plus la fréquence est basse), plus l'indice de réfraction du verre est faible ; plus la longueur d'onde est courte (ou plus la fréquence est élevée), plus l'indice de réfraction est élevé. En d’autres termes, l’indice de réfraction du verre est fonction de la fréquence (ou longueur d’onde) de l’onde lumineuse. Lorsque la lumière blanche composée de différentes couleurs tombe sous le même angle θ, selon la loi de réfraction (n=sinθ/n²), différentes couleurs de lumière auront différents angles de réfraction en raison des différentes valeurs de n², séparant ainsi les différentes couleurs de lumière, entraînant une dispersion. Puisque n=c/n (où c est la vitesse de la lumière, c=3 × 10⁻⁶ m/s), il est clair que différentes couleurs de lumière se déplacent à différentes vitesses dans le verre.
Dans la théorie de la propagation des fibres optiques, le sens du terme « dispersion » a été élargi. Dans les fibres optiques, les signaux sont transportés et transmis par des ondes lumineuses de nombreux modes ou fréquences différents. Lorsque le signal atteint le terminal, les différents modes ou fréquences des ondes lumineuses subissent des différences de délai de transmission, provoquant une distorsion du signal. Ce phénomène est collectivement appelé dispersion. Pour les signaux numériques, la dispersion provoque un élargissement de l'impulsion après s'être propagée sur une certaine distance à travers la fibre. Dans les cas graves, des impulsions consécutives se chevaucheront, formant une interférence entre symboles. Par conséquent, la dispersion détermine la bande passante de transmission de la fibre optique et limite le débit de transmission du système ou la distance du répéteur. La dispersion et la bande passante sont les mêmes caractéristiques des fibres optiques décrites sous différentes perspectives.
Sur la base des causes de dispersion, la dispersion des fibres optiques est principalement divisée en : dispersion modale, dispersion matérielle, dispersion du guide d'onde et dispersion du mode de polarisation, qui seront présentées ci-dessous.
Dispersion des modes
La dispersion modale existe généralement dans les fibres multimodes. Étant donné que plusieurs modes coexistent dans une fibre multimode et que les vitesses de propagation de groupe des différents modes le long de l'axe de la fibre sont différentes, ils arriveront inévitablement au terminal à des moments différents, ce qui entraînera une différence de retard et formera une dispersion intermodale, provoquant ainsi un élargissement de la largeur d'impulsion. L'élargissement de l'impulsion dû à la dispersion modale est illustré à la figure 2-10. Pour une fibre monomode-idéale, puisqu'un seul mode (mode fondamental - mode LP ou HE) est transmis, il n'y a pas de dispersion modale, mais une dispersion de mode de polarisation existe.
Nous estimons maintenant la dispersion modale maximale d'une fibre multimode à échelon-d'indice. La dispersion modale d'une fibre multimode à échelon-d'indice est illustrée à la figure 2-11. Dans une fibre multimode à pas d'indice -, les deux rayons à propagation la plus rapide et la plus lente sont respectivement le rayon ① se propageant le long de l'axe et le rayon ② incident à un angle critique de 0 degré. Par conséquent, la dispersion de mode maximale dans une fibre multimode à échelon d'indice est la différence de temps entre le temps mis par le rayon ② (Tmax) et le temps mis par le rayon ① (Tmin) pour atteindre le terminal, ΔTmultiplexeur: ΔTmultiplexeur = Tmaximum / Tmin
Selon l'optique géométrique, dans une fibre optique de longueur L, soit les vitesses des rayons lumineux ① et ② le long de la direction axiale être respectivement c/n et sinθ·c/n. La dispersion modale de la fibre optique est donc...
Dans les fibres optiques faiblement guidées (fibres où niet nidiffèrent très peu), A=(ni- n)/n. Si Δ=1 %, ni= 1.5 pour les fibres optiques en silice, et la longueur de la fibre est de 1 km, alors la dispersion intermodale maximale ΔTmpeut être calculé comme 50 ns. Par conséquent, il est évident que plus la longueur de la fibre est longue, plus la dispersion intermodale est importante ; et plus la différence d'indice de réfraction relative Δ est grande, plus la dispersion intermodale est importante.
Dispersion du matériau
Étant donné que l'indice de réfraction des matériaux des fibres optiques varie en fonction de la longueur d'onde de la lumière, la vitesse de groupe des différentes fréquences du signal optique diffère, provoquant une différence de délai de transmission, phénomène connu sous le nom de dispersion des matériaux. Cette dispersion dépend des caractéristiques de longueur d'onde de l'indice de réfraction du matériau de la fibre optique et de la largeur de raie de la source lumineuse.
Dans les systèmes de communication numérique par fibre optique, la lumière émise par la source lumineuse réelle n'est pas une longueur d'onde unique mais possède une certaine largeur de raie spectrale. Étant donné que l'indice de réfraction du matériau fibreux est fonction de la longueur d'onde, la vitesse de propagation de la lumière à l'intérieur (λ)=c/n(λ) varie également en fonction de la longueur d'onde. Lorsqu'une impulsion lumineuse émise par une source lumineuse avec une certaine largeur de raie spectrale arrive sur une fibre monomode- et se propage, les impulsions lumineuses de différentes longueurs d'onde auront des vitesses de propagation différentes, ce qui entraîne une différence de temps lorsqu'elles atteignent l'extrémité de sortie, provoquant ainsi un élargissement des impulsions. C'est le mécanisme de dispersion des matériaux.
Si la vitesse de groupe est connue comme étant u=da/dB, alors le retard de groupe par unité de longueur est T=1/v,=n,/c. Par conséquent, la dispersion matérielle d’une fibre optique de longueur L est...
Dans la formule, c est la vitesse de la lumière dans le vide ; λ est l'indice de réfraction du coeur de la fibre ; λ est la longueur d'onde de la lumière ; et Aλ est la largeur de raie spectrale de la source lumineuse, où Aλ=λ - λ, représentant la plage de longueurs d'onde centrée sur A. Généralement, le coefficient de dispersion est utilisé pour mesurer l'ampleur de la dispersion. Le coefficient de dispersion D (unité : ps/(nm·km)) est défini comme...
On peut voir que le coefficient de dispersion est la dispersion provoquée par une source lumineuse avec une largeur de raie spectrale unitaire se propageant dans une longueur unitaire de fibre optique. Si le coefficient de dispersion du matériau de la fibre optique est connu, la dispersion du matériau peut être facilement calculée sous la forme ΔTm=DmAAL.
Exemple 2-1 : Supposons que le coefficient de dispersion maximal du matériau d'une fibre optique à une longueur d'onde de 1,31 m soit D=3.5ps/(nm·km). Si un laser à semi-conducteur avec une longueur d'onde centrale de 1,31 µm est utilisé pour générer une lumière de transmission avec une largeur de raie spectrale de λ=4 nm, calculez la dispersion matérielle provoquée par cette lumière se propageant dans une longueur de 1 km de fibre optique.
Solution : La dispersion matérielle de la fibre optique peut être facilement calculée comme :
Tm = DmLΔA=3.5ps/(nm·km) x 1 km x 4 nm=0.014ns=14ps
Comme le montre l'exemple 2-1, la dispersion matérielle est relativement faible, encore plus petite que la dispersion modale d'une fibre multimode à échelon d'indice. Il convient également de noter que le coefficient de dispersion d'une fibre optique (et pas seulement le coefficient de dispersion du matériau) peut être positif ou négatif. Dans la fibre optique, le retard de groupe (A) augmente avec la longueur d'onde de la porteuse ; en d’autres termes, les ondes lumineuses de longueur d’onde plus courte se propagent plus rapidement. Dans ce cas, le coefficient de dispersion est négatif, appelé dispersion négative ; à l’inverse, les ondes lumineuses de longueur d’onde plus longue se propagent plus lentement que les ondes lumineuses de longueur d’onde plus courte.
Ici, le coefficient de dispersion est positif, dit dispersion positive. De toute évidence, si deux fibres optiques présentant des signes de coefficient de dispersion opposés sont fusionnées, la dispersion du matériau sera améliorée.
dispersion du guide d'ondes
La dispersion du guide d'ondes ΔTw fait référence à un mode guidé spécifique dans une fibre optique. Différentes longueurs d'onde ont des constantes de phase différentes, ce qui entraîne des vitesses de groupe différentes et donc une dispersion. La dispersion du guide d'ondes est également liée à divers facteurs tels que les paramètres structurels de la fibre optique et la différence d'indice de réfraction relative entre le cœur et la gaine ; c’est pourquoi on l’appelle également dispersion structurelle.
Dispersion du mode de polarisation
La dispersion en mode de polarisation est un type de dispersion propre aux fibres optiques monomodes-. Étant donné que les fibres monomodes-transmettent en fait deux modes de polarisation mutuellement orthogonaux, leurs champs électriques sont polarisés respectivement dans les directions x et y.
Bande passante fibre optique
La dispersion et la bande passante des fibres optiques décrivent la même caractéristique. En fait, la dispersion décrit dans quelle mesure une impulsion lumineuse s’élargit le long de l’axe du temps après sa transmission ; c'est une description des caractéristiques de la fibre dans le domaine temporel. La bande passante, quant à elle, décrit cette caractéristique dans le domaine fréquentiel. Dans le domaine fréquentiel, pour un signal modulant, la fibre optique peut être considérée comme un filtre passe-bas. Lorsque les composantes haute-fréquence du signal modulant le traversent, elles sont sévèrement atténuées. Autrement dit, si l'amplitude du signal d'entrée (signal modulant) reste constante, mais que seule la fréquence change, l'amplitude du signal de sortie après transmission à travers la fibre changera avec la fréquence du signal modulant (signal d'entrée). TTU-T recommande de préciser que la bande passante d'une fibre optique est de [bande passante par kilomètre].
