Liaisons en fibre optique : comment la lumière transporte les données

Toute matière traitée dans cette documentation aboutit au même point : un fil de verre d’un dixième de millimètre d’épaisseur qui transporte des impulsions de lumière infrarouge. Une liaison de communication à fibre optique est l’émetteur qui produit les impulsions, l’infrastructure fibre qui les transporte et le récepteur qui les retransforme en bits, plus tout ce qui se trouve entre les deux : connecteurs, panneaux de brassage, épissures, coupleurs et filtres. Cette section explique la physique et l’ingénierie de cette chaîne avec la profondeur nécessaire pour concevoir, tester et dépanner une liaison — pourquoi la lumière reste dans la fibre, ce qui l’affaiblit et l’étale, jusqu’où un module optique donné peut porter, de quoi est faite l’infrastructure passive, comment elle se mesure et comment elle tombe en panne.

Pourquoi la fibre

La chaîne

Une liaison est une série d’éléments, chacun avec sa perte, certains avec une distorsion :

1. Émetteur — laser ou VCSEL dans le transceiver, qui émet −8 … +4 dBm de lumière à 850, 1310 ou 1550 nm (Lasers).
2. Jarretière — cordon de 1–5 m entre le module et un panneau de brassage ; deux faces d’extrémité de connecteur.
3. Panneau de brassage / ODF — adaptateur où la jarretière rejoint un pigtail épissuré au câble.
4. Câble — intérieur, extérieur ou hybride, de quelques mètres à des dizaines de kilomètres, une fibre ou plusieurs centaines (Infrastructure passive).
5. Épissures, coupleurs, filtres — épissures par fusion le long de l’itinéraire ; coupleurs PON ou multiplexeurs WDM là où la topologie l’exige.
6. Panneau et jarretière à l’extrémité distante — l’image en miroir.
7. Récepteur — photodiode dans le transceiver distant, qui a besoin de −12 … −28 dBm selon le type (Récepteurs).

Le bilan de liaison est le calcul qui additionne les pertes des éléments 2 à 6, les compare à la différence entre 1 et 7, et laisse une marge (Ingénierie du bilan de liaison).

Les quatre facteurs qui limitent une liaison

La fibre en un paragraphe

La lumière reste dans le cœur parce que l’indice de réfraction du cœur est légèrement plus élevé que celui de la gaine optique — réflexion totale interne. Une fibre monomode (cœur 9 µm) transporte un seul chemin de lumière et atteint des dizaines de kilomètres ; une fibre multimode (cœur 50 µm) transporte des centaines de chemins qui arrivent à des instants légèrement différents, ce qui la limite à quelques centaines de mètres mais lui permet de fonctionner avec des VCSEL 850 nm bon marché. Les détails — modes, ouverture numérique, perte par courbure, catégories de fibre OM1–OM5 et OS2 — se trouvent dans Comment la lumière se propage dans la fibre et Connecteurs et types de fibre.

Générations de liaisons fibre

Le versant transceiver de cette histoire : Qu’est-ce qu’un transceiver.

Pour aller plus loin

• Comment la lumière se propage dans la fibre — indice de réfraction et réflexion totale interne, ouverture numérique, modes, monomode contre multimode, diamètre de champ de mode, longueur d’onde de coupure, perte par courbure, catégories de fibre.
• Atténuation et fenêtres de transmission — diffusion de Rayleigh et absorption, le pic d’eau, fenêtres 850/1310/1550 nm, dB/km par type de fibre et longueur d’onde, pertes de connecteur et d’épissure.
• Dispersion et bande passante — dispersion modale, chromatique et de polarisation, produit bande passante–distance, portée limitée par la dispersion, compensation.
• Types de fibre — monomode ITU-T G.652–G.657, catégories multimode OM1–OM5, fibres spéciales, pertes de jonction entre fibres différentes, identification de la fibre installée.
• Effets non linéaires — SPM, XPM, FWM, diffusion Brillouin et Raman, où ils comptent, puissance de lancement optimale, atténuation.
• Réflexions et affaiblissement de réflexion — réflexion de Fresnel, réflectance face à l’ORL, valeurs typiques par composant, ce qu’exigent les normes, mesure, comment garder les réflexions basses.
• Comment la fibre est fabriquée — matériaux, préformes MCVD/OVD/VAD/PCVD, fibrage et revêtement, essai de contrainte et assurance qualité, fibres spéciales, ce que cela signifie sur le terrain.
• Fiabilité et vieillissement — résistance et fatigue statique, règles de courbure et de déformation, mécanismes de vieillissement, durée de vie de chaque élément, la fibre selon son époque, concevoir pour le vieillissement.
• Ingénierie du bilan de liaison — l’équation, les allocations de perte, les pénalités, la politique de marge, des exemples chiffrés, la saturation du récepteur et les atténuateurs.
• Infrastructure passive — câbles, panneaux de brassage, pigtails, épissures, atténuateurs, coupleurs, filtres WDM, boîtiers et leurs allocations de perte.
• Construction du câble — couches, familles de câbles du tube lâche à l’OPGW et au ruban enroulable, classements au feu, codes couleur, lire une fiche technique de câble, choisir le câble.
• Topologies de réseaux en fibre — point à point, anneaux, maillages, arbres PON, WDM ; câblage structuré, schémas de centre de données, FTTx, planification du nombre de fibres, protection.
• Itinéraires de câbles et installation — conduites, pose directe en terre, aérien, cheminements intérieurs ; limites de courbure et de tension, planification d’itinéraire, boîtiers, étiquetage, recette.
• Documentation et étiquetage — l’ensemble des documents, les schémas d’identifiants, les étiquettes, les normes, les outils, le processus et ses défaillances courantes.
• Infrastructure optique active — passif contre actif, la carte des éléments actifs, où vont les décibels, propriété et démarcation, cycle de vie.
• Les transceivers dans la liaison — adapter le module à la fibre et à la distance, le bilan du point de vue du module, connecteurs et polarité, compatibilité, diagnostics, incompatibilités courantes.
• Amplificateurs et régénération — quand le bilan ne suffit plus, EDFA/Raman/SOA/OEO, emplacement, le bilan d’OSNR, exploiter une ligne amplifiée, amplifier, régénérer ou passer au cohérent.
• Équipements de transport et d’accès — convertisseurs de média, transpondeurs, ROADM, OLT/ONU, commutateurs de protection, alimentation et sites, gestion, pièges.
• Surveillance et gestion — niveaux de visibilité, alarmes et leur signification, références et tendances, protocoles et outils, corréler les données du module et de la fibre.
• Épissurage et terminaison — le processus d’épissurage par fusion, les épissures mécaniques, les pigtails et connecteurs de terrain, les critères de recette et les défauts.
• Tests et mesures — source lumineuse et wattmètre optique, OTDR, affaiblissement de réflexion, inspection des faces d’extrémité, certification, utiliser le DDM comme instrument de mesure.
• Lire une courbe OTDR — paramètres de configuration, le catalogue des événements, zones mortes et plage dynamique, moyennage bidirectionnel, distance vers l’itinéraire, erreurs de lecture, fibre en service et PON.
• Inspection et nettoyage des faces d’extrémité — ce que fait la contamination, zones et critères de l’IEC 61300-3-35, équipement et technique, types de contamination, méthodes de nettoyage, la procédure.
• Caractérisation de la fibre — quand elle est nécessaire, les tests, les limites par service, lire les résultats pour l’identité et l’âge de la fibre, procédure et rapport.
• Défauts de l’infrastructure fibre — courbures, saleté, incompatibilités, mauvaises épissures, réflexions, eau : symptômes, signatures, corrections.
• Maintenance et restauration — cycle préventif, surveillance, pièces de réserve, le processus de restauration, causes profondes des coupures, cycle de vie de l’infrastructure.
• Sécurité et manipulation — classes de laser et niveaux de danger, règles pour la fibre en service, verre et produits chimiques, dangers du site, manipulation des modules et des cordons.
• Carte des normes — ITU-T, IEC, TIA/ISO, Telcordia, IEEE/OIF et documents nationaux, par organisme et par tâche, désignations mises en regard.
• Glossaire de la fibre optique — les termes de la lumière, des types de fibre et de câble, des composants passifs, des connecteurs, de l’installation, des tests et de l’exploitation.
• Valeurs typiques — atténuation, allocations de perte, réflectance, géométrie, dispersion, limites mécaniques, longueurs d’onde, valeurs OTDR, bilans d’interface, puissance et sécurité.
• Formules et calculs — décibels, atténuation, paramètres de guidage, dispersion, bilan de liaison, réflexions, OTDR, latence, mécanique et calcul de dimensionnement, chacun avec un exemple chiffré.

Dans CodingBox

Le DDM du transceiver est le wattmètre intégré de la liaison : puissance de lancement d’un côté, puissance reçue de l’autre, et la différence est la perte de l’infrastructure — que CodingBox lit au banc et que le commutateur lit en service (Le DDM dans l’application, Puissance Rx et bilan de liaison).