Avec le développement des réseaux industriels et locaux (LAN) modernes, les exigences en matière de débit de transmission de données n'ont cessé d'augmenter. Aujourd'hui, les réseaux industriels et les LAN fonctionnent à des débits de transfert de données pouvant atteindre 10 Gbit/s. Les systèmes de transmission conventionnels, avec leurs émetteurs LED économiques et un débit maximal de 622 Mbit/s, ne répondent donc plus aux besoins actuels. Pour atteindre ces débits élevés, les émetteurs LED ont été remplacés par des émetteurs laser. Ce passage des LED aux lasers a profondément influencé la fabrication des fibres optiques. Les fibres multimodes à diodes laser de 850 nm (VCSEL) sont considérées comme la solution la plus rentable pour les réseaux industriels et les LAN, et sont donc couramment utilisées dans ces types de réseaux. Dans le cadre de cette transition du marché des LED vers les lasers, une nouvelle génération de fibres multimodes optimisées pour les lasers a vu le jour à la fin des années 1990. Cet article met en lumière les différences entre les fibres multimodes conventionnelles et les fibres multimodes optimisées pour les lasers. En outre, il souligne l'importance cruciale de sélectionner des fibres multimodes de haute qualité, optimisées pour le laser, afin d'atteindre des débits de transfert de données élevés dans les réseaux industriels et les réseaux locaux.

Transmission par fibre optique avec des LED et des lasers :
Lorsqu’un faisceau lumineux est injecté dans une fibre multimode, il emprunte plusieurs chemins le long du cœur de la fibre. Chacun de ces chemins est appelé un mode, d’où le nom de « fibre multimode ». La lumière émise par une LED (diode électroluminescente) diffère du faisceau très étroit d’un laser en raison de son grand angle de faisceau (figure 1). Lorsqu’il est injecté dans une fibre multimode, le faisceau très divergent d’une LED « remplit » le cœur de la fibre, excitant ainsi de nombreux modes. Dans des conditions similaires, un laser dans une fibre multimode n’excite que quelques modes, qui sont, en principe, uniquement ceux qui traversent la région centrale du cœur de la fibre.

Fibre multimode optimisée pour laser :
La région centrale de la fibre optique présente un indice de réfraction élevé et constitue le trajet optique où la lumière se propage par réflexion totale interne. Dans les fibres multimodes, l’indice de réfraction diminue progressivement avec la distance au centre de la fibre, créant ainsi un profil d’indice à gradient (figure 2). Ce profil garantit que toute la lumière arrive simultanément à l’extrémité du système, quel que soit le mode de transmission utilisé. Les aberrations du temps d’arrivée sont appelées dispersion modale. Le débit d’une fibre multimode est exprimé en MHz·km, soit en bande passante (débit de données maximal et portée). La bande passante est inversement proportionnelle à la dispersion modale.
Lorsqu’un laser est injecté dans une fibre multimode, la lumière laser est répartie sur une zone très fine du cœur de la fibre, généralement la zone centrale. La capacité de transmission des lasers dépend fortement de l’homogénéité du profil d’indice à gradient du cœur de la fibre dans cette zone. Le profil d'indice de réfraction du cœur d'une fibre multimode conventionnelle présente une anomalie le long de son axe central, comme illustré sur la figure 2.
De toute évidence, une telle anomalie au centre du profil d'indice de réfraction a un impact plus important sur le faisceau fin et concentré d'un laser que sur la lumière très divergente d'une LED. Pour les systèmes de transmission modernes à haut débit, il est préférable d'utiliser des lasers plutôt que des LED. Les anomalies d'indice de réfraction le long de l'axe central se manifestent dans les signaux laser par des distorsions du signal transmis et par des taux d'erreur binaire élevés. Le débit de données maximal du système s'en trouve donc limité ; paradoxalement, l'association d'un transducteur laser et d'une fibre multimode conventionnelle n'est pas adaptée aux systèmes de transmission à 10 Gbit/s.
Pour résoudre ce problème, il est nécessaire d'optimiser le profil d'indice de réfraction au centre de la fibre multimode pour les transmissions laser. Bien que relativement coûteuse, cette optimisation doit viser à éliminer toutes les anomalies au centre du profil d'indice de réfraction. D'après leurs propres données, Corning a été le premier fabricant de fibres optiques à commercialiser, en 1998, une nouvelle génération de fibres multimodes optimisées pour la transmission laser. Le profil d'indice de réfraction idéal d'une fibre multimode optimisée pour laser est illustré à la figure 2. On constate que toutes les anomalies le long de l'axe central ont été éliminées, ce qui exclut les limitations du système ou les distorsions du signal dues à des creux d'indice anormaux le long de cet axe.

Optimisation laser et méthodes de fabrication :
Des études récentes montrent que la qualité des fibres multimodales, et plus particulièrement l’homogénéité de leur profil d’indice de réfraction, varie selon la méthode de fabrication. Des tests effectués sur des fibres optimisées pour le laser, provenant de fournisseurs leaders et fabriquées par les procédés MCVD (dépôt chimique en phase vapeur modifié) et PCVD (dépôt chimique en phase vapeur par plasma) à 10 Gbit/s, d’une longueur de 150, 300 et 500 mètres et à une longueur d’onde de 850 nm, ont révélé qu’environ 50 % des fibres testées présentaient une diminution anormale de l’axe central (figure 3a). De plus, toutes les fibres concernées ont subi des défaillances lors de la détermination du centre du laser. À l’inverse, selon les experts, la méthode de fabrication de fibres OVD (dépôt en phase vapeur externe) permet d’obtenir une homogénéité optimale du profil d’indice de réfraction, de sorte que les fibres multimodes optimisées pour le laser et fabriquées par cette méthode ne présentent pratiquement aucune déviation de l’axe central (figure 3b).
Un autre défi majeur, propre aux méthodes MCVD et PCVD, consiste à garantir une bande passante homogène sur toute la longueur de la fibre. Ce problème peut se manifester lorsque certaines sections de la fibre présentent une bande passante différente de celle déterminée pour l'ensemble de la fibre. Compte tenu des fortes fluctuations qui surviennent lors de l'optimisation laser des fibres multimodes, il est crucial de soumettre toutes les fibres multimodes destinées aux systèmes de transmission laser de haute qualité à des procédures de test et de classification rigoureuses.

Classification des performances des LED et des lasers :
Le débit de données élevé (déterminé par la bande passante et la portée) d'une fibre donnée dépend du délai entre les modes excités et du partage d'énergie entre ces modes. C'est pourquoi les performances des fibres multimodes conventionnelles (utilisées avec des LED) doivent être classées selon la méthode de mesure de bande passante OFL (Overfilled Launch), qui simule les conditions de couplage d'une LED. Les conditions de couplage des lasers étant totalement différentes, de nouvelles méthodes de classification des performances, prenant en compte les conditions de couplage spécifiques des lasers, sont nécessaires pour la nouvelle génération de fibres multimodes.
Plusieurs méthodes existent : DMD, RML et minEMBc. La bande passante RML (Restricted Mode Launch) a été le premier indice normalisé pour les fibres optimisées pour les lasers, conformément à la norme TIA-455-204. Cette méthode est adaptée aux prévisions de bande passante jusqu'à 1 Gbit/s. Pour les systèmes de transmission atteignant des débits de données de 10 Gbit/s, la méthode la plus récente et la plus précise pour déterminer la capacité de transmission des fibres multimodes à large bande passante est requise : la méthode minEMBc (bande passante modale effective minimale calculée). La méthode minEMBc est prise en charge par les normes TIA/EIA 455-220 et IEC 60793-1-49 et, dans l’industrie de la fibre optique, elle est considérée comme la seule mesure de référence pour les larges bandes passantes, basée sur la DMD et intrinsèquement adaptable à la prévision de différents débits binaires et longueurs. En revanche, les autres méthodes de mesure ne fournissent qu’un résultat binaire (réussite/échec) pour 10 Gbit/s sur 300 mètres.
Pour une fibre multimode optimisée pour laser à 10 Gbit/s qui n’est pas classée selon les méthodes de mesure de bande passante les plus modernes et les plus précises, aucune garantie de performance complète ne peut être offerte. En particulier, pour les fibres multimodes fabriquées selon les méthodes MCVD ou PCVD, les données fournies par les fabricants peuvent être sujettes à certaines fluctuations dues à l'inhomogénéité de la bande passante axiale ou au fait que la chute anormale de l'indice de réfraction le long de l'axe central n'a pas été complètement éliminée.

Conclusion :
Les réseaux industriels et les réseaux locaux modernes doivent permettre la transmission de données à 12 Gbit/s et plus pour prendre en charge les protocoles Gigabit Ethernet, 10 Gigabit Ethernet et Fibre Channel. Par conséquent, les LED, dont le débit de transfert de données est limité à 622 Mbit/s, ont été remplacées dans ces réseaux par des lasers, notamment des VCSEL à 850 nm, comme sources lumineuses. De plus, les fibres multimodes optimisées pour laser ont supplanté les fibres multimodes conventionnelles, permettant ainsi la mise au point de systèmes de transmission laser performants et économiques. Cependant, des différences existent entre les fibres optimisées pour laser selon leur méthode de fabrication. Les fibres fabriquées par dépôt en phase vapeur organométallique (OVD) ne présentent pas de diminution anormale de l’indice de réfraction le long de l’axe central et offrent une bonne homogénéité axiale. En revanche, les fibres fabriquées par dépôt en phase vapeur à matrice métallique (MCVD) ou à plaquette (PCVD) présentent des limitations à cet égard. Afin de garantir les performances d’un grand nombre de VCSEL standard, le débit d’une fibre 10 Gbit/s doit être déterminé à l’aide de l’indice minEMBc. Corning fabrique ses fibres multimodes (Infinicor) en utilisant la méthode OVD et utilise l'indice minEMBc pour classer ses produits 10 Gbit/s.

Les tests aléatoires ne suffisent pas.
De plus, ce fournisseur de fibres optiques mesure la bande passante laser de chaque mètre de chaque bobine, car, selon ses propres informations, les tests aléatoires ne sont pas suffisants. L'objectif est de garantir que toutes les fibres répondent à 100 % aux spécifications du fabricant. Dans ce contexte, le contrôle qualité est primordial.

 

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Bibliographie
- P. Bell, Todd Wiggs, « Fibre multimode et procédé de fabrication par dépôt en phase vapeur », Corning Optical Fiber Guidelines, publication en ligne, volume 10, juillet 2005 www.corning.com/opticalfiber/guidelines_magazine/eguidelines/vol10/view.aspx?article=2&page=1&region=na&language=en

Sources techniques
- Guide de sélection des fibres optiques pour les réseaux industriels (Conditions de sélection des fibres optiques dans les réseaux industriels) http://www.corning.com/docs/opticalfiber/WP1160.pdf
- Évolution de la fibre 50/125 mm depuis la publication de la norme IEEE 802.3ae (Évolution de la fibre 50/125 mm depuis la publication de la norme IEEE 802.3ae) http://www.corning.com/docs/opticalfiber/WP4253.pdf
- Avec un EMB calculé, un SR de 10G est garanti (Le calcul de l'EMB garantit un SR de 100 ) http://www.corning.com/docs/opticalfiber/r3716.pdf

 

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