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Types de Dispersion des Fibres Optiques et Stratégies de Compensation

Mis à jour depuis le 10 oct, 2022 by
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Qu'est-ce que la dispersion des fibres optiques ?

La dispersion d'une fibre optique décrit le processus par lequel un signal d'entrée s'élargit/se répand au fur et à mesure qu'il se propage/se déplace dans la fibre. Normalement, la dispersion dans un câble à fibres optiques comprend la dispersion modale, la dispersion chromatique et la dispersion du mode de polarisation.

Dispersion modale

La dispersion modale est un mécanisme de distorsion qui se produit dans les fibres multimodes et autres guides d'ondes, dans lequel le signal est étalé dans le temps en raison de la vitesse de propagation différente pour tous les modes. Comme nous le savons, les rayons lumineux qui pénètrent dans la fibre sous différents angles d'incidence empruntent différents chemins/modes. Certains de ces rayons lumineux traversent le centre de la fibre en ligne droite (mode axial), tandis que d'autres rebondissent à plusieurs reprises sur la limite entre le revêtement et le cœur pour se déplacer en zigzag le long du guide d'ondes, comme illustré ci-dessous avec une fibre multimode à indice progressif. Chaque fois qu'il y a un rebond, il y a dispersion modale (ou intermodale). Plus le chemin est long, plus la dispersion modale sera élevée. Par exemple, les modes d'ordre élevé (lumière entrant à des angles aigus) ont une dispersion de modèle plus importante que les modes d'ordre faible (lumière entrant à des angles plus petits).

Figure 1 Modal Dispersion in Multimode Fiber.jpg

La fibre multimode peut supporter jusqu'à 17 modes de lumière à la fois, en souffrant d'une grande dispersion modale. En revanche, si la fibre est monomode, il n'y aura pas de dispersion modale puisqu'il n'y a qu'un seul mode et que la lumière entre le long de l'axe de la fibre (entre en mode axial) sans rebondir sur la bordure de la gaine.

Cependant, les choses sont différentes si l'on utilise une fibre multimode à indice gradué. Bien que les rayons lumineux se déplacent également selon différents modes, la dispersion modale sera fortement réduite en raison des différentes vitesses de propagation de la lumière. Pour plus de détails, veuillez consulter la page “Fibre multimode à saut d'indice ou à gradient d'indice”.

Dispersion chromatique

La dispersion chromatique est un phénomène de propagation temporelle du signal résultant des différentes vitesses des rayons lumineux. La dispersion chromatique est la combinaison des effets de dispersion du matériau et du guide d'ondes.

Figure 2 Chromatic Dispersion in Fiber Optical Cable.jpg

La dispersion du matériau est causée par la dépendance de l'indice de réfraction à la longueur d'onde du matériau du cœur de la fibre. La dispersion d'un guide d'ondes est due à la dépendance de la constante de propagation du mode en fonction des paramètres de la fibre (rayon du cœur et différence entre les indices de réfraction du cœur et du revêtement de la fibre) et de la longueur d'onde du signal. À une certaine fréquence, ces deux effets peuvent s'annuler mutuellement, ce qui donne une longueur d'onde avec une dispersion chromatique approximativement nulle.

La dispersion chromatique n'est d'ailleurs pas toujours une mauvaise chose. La lumière voyage à des vitesses différentes selon la longueur d'onde ou le matériau. Ces vitesses variables font que les impulsions s'étalent ou se compriment au fur et à mesure qu'elles se déplacent dans la fibre, ce qui permet de personnaliser le profil de l'indice de réfraction pour produire des fibres destinées à différentes applications. Par exemple, les fibres G.652 sont conçues de cette manière.

Dispersion du mode de polarisation

La dispersion des modes de polarisation (PMD) représente la dépendance à la polarisation des caractéristiques de propagation des ondes lumineuses dans les fibres optiques. Dans les fibres optiques, il existe généralement une légère différence dans les caractéristiques de propagation des ondes lumineuses ayant des états de polarisation différents. Lorsque la lumière est définie comme une onde ou une région énergétique, elle possède 2 axes mutuellement perpendiculaires, soit la force électromotrice et la force magnétomotrice. Dès que l'énergie à l'intérieur de ces deux axes se transfère à des vitesses différentes dans une fibre, la PMD se produit.

Figure 3 Polarization Mode Dispersion in Fiber Optical Cable.jpg

Le PMD présente de faibles effets pour les réseaux dont la vitesse de liaison est inférieure à 2,5 Gbps, même si la distance de transmission est supérieure à 1000 km. Cependant, à mesure que les vitesses augmentent, il devient un paramètre plus important, surtout lorsque les vitesses sont supérieures à 10 Gbps. En plus du PMD inhérent majeur causé par le processus de fabrication du verre, il peut être affecté ou causé par le câblage de la fibre, l'installation et l'environnement de fonctionnement du câble également.

 

Comment obtenir une compensation de la dispersion des fibres?

Bien que la dispersion des fibres optiques n'affaiblisse pas le signal, elle raccourcit la distance parcourue par le signal à l'intérieur des fibres optiques et brouille le signal. Par exemple, une impulsion d'une nanoseconde à l'émetteur sera étalée sur 10 nanosecondes au récepteur, ce qui signifie que les signaux ne sont pas correctement reçus et décodés. Il est donc important de réduire la dispersion des fibres optiques ou d'effectuer une compensation de la dispersion dans les transmissions à longue distance comme les systèmes DWDM. Nous allons présenter ici trois stratégies ou techniques de compensation de la dispersion des fibres.

Compensation de la dispersion avec DCF

Dans la technique DCF (Dispersion Compensating Fiber), il est possible d'utiliser une fibre ayant une grande dispersion négative au côté d'une fibre typique. La quantité de lumière distribuée par une fibre traditionnelle est réduite ou peut-être annulée par l'utilisation d'une fibre à compensation de dispersion ayant une valeur de dispersion très élevée de type opposé par rapport à celle de la fibre normale. Il existe principalement 3 schémas (fibre pré, post ou symétrique) qui seront utilisés pour la compensation de la dispersion. Et les fibres à compensation de dispersion sont largement utilisées pour mettre à niveau les liaisons par fibre optique optimisées à 1310nm installées pour fonctionner à 1550nm.

Figure 4 Dispersion Compensation With DCF.jpg

Compensation de la dispersion avec FBG

Le réseau de Bragg sur fibre (FBG) est un dispositif réfléchissant composé d'une fibre optique qui contient une modulation de l'indice de réfraction de son cœur sur une longueur définie. L'utilisation de FBG permet de réduire considérablement les effets de dispersion dans les systèmes de transmission de longue distance (100 km). Le réseau de fibres reflète le poids de la lumière qui se propage dans la fibre dès lors que sa longueur d'onde correspond à la régularité de la modulation. L'utilisation de FBG pour la compensation de la dispersion peut être une approche prometteuse car ils sont des éléments optiques passifs compatibles avec les fibres, avec de faibles pertes d'insertion et des prix bas. Les FBG peuvent non seulement être utilisés comme filtres pour la compensation de la dispersion, mais aussi comme capteurs, stabilisateurs de longueur d'onde pour les lasers de pompage, dans les filtres d'insertion WDM à bande étroite.

Compensation de la dispersion avec EDC

La compensation de la dispersion électronique (EDC) est une méthode qui utilise le filtrage électronique (également appelé égalisation) pour compenser la dispersion dans une liaison de communication optique. Le filtrage peut être inclus dans un canal de communication pour compenser la dégradation du signal causée par le support. L'EDC est généralement mis en place avec un filtre transversal, dont la sortie est la somme pondérée d'un certain nombre d'entrées retardées. La solution EDC a la capacité d'ajuster automatiquement les poids des filtres en fonction des caractéristiques du signal reçu, ce qui est connu comme adaptation. L'EDC peut être utilisé aussi bien dans les systèmes à fibre monomode que dans les systèmes à fibre multimode. Il peut également être combiné à d'autres fonctions sur les circuits intégrés de réception à 10 Gbits/s. Il permet de réduire considérablement le coût de l'émetteur pour les systèmes à fibres monomodes ou d'augmenter la distance de transmission pour les systèmes multimodes, tout en réduisant légèrement le coût du récepteur.

 

Conclusion

Bien que la dispersion des fibres optiques contribue à la propagation temporelle et à la distorsion des signaux de nombreuses manières, elle n'est pas toujours négative pour la transmission des signaux de télécommunications dans les liaisons par fibre optique. En fait, il est préférable d'avoir un certain degré de dispersion lorsqu'on utilise le multiplexage par répartition en longueur d'onde, car cela peut atténuer les effets non linéaires.

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