Les progrès technologiques ont par le passé posé de nouveaux défis et stimulé l'innovation en métrologie. Par exemple, les moteurs haute performance présentent des tolérances très strictes en termes de jeux et autres caractéristiques physiques. Un concept de produit développé en laboratoire ne peut se concrétiser que si ces jeux peuvent être mesurés avec une précision et une exactitude remarquables. L'utilisation de méthodes de mesure moins rigoureuses aboutirait à des concepts brillants qui ne verraient jamais le jour.
Ce principe s'applique également à de nombreux domaines. Les équipements de mesure de première génération doivent évoluer pour répondre aux exigences de plus en plus strictes des applications fonctionnelles avancées. Le défi pour les spécialistes en métrologie est d'innover et de développer des systèmes de mesure intelligents, capables de répondre aux besoins évolutifs du produit évalué. La
demande croissante de systèmes de communication optique à haut débit pour le bâtiment a impulsé des améliorations significatives dans la technologie de mesure des fibres optiques multimodales. La mesure de la bande passante OFL (Overfilled Launch), longtemps la norme pour la caractérisation des performances des fibres multimodes, manquait de précision et de pertinence fonctionnelle pour l'évaluation de leurs attributs. Bien que la bande passante OFL fournisse un résultat en mégahertz (la norme traditionnelle pour les applications optiques et cuivre), son manque de pertinence pour le fonctionnement des systèmes LED et laser haute vitesse a incité à la recherche de méthodes de mesure de bande passante améliorées. Avec
l'avènement de la norme OM3 (fibre multimode 50/125 µm optimisée pour les lasers à 850 nm), la bande passante OFL a cédé la place à une méthode de mesure de fibre plus précise appelée délai de mode différentiel (DMD). Les résultats DMD, reconnus comme une « mesure de fibre pure », ont été adaptés pour évaluer les fibres convenant aux applications haute vitesse (≥ 1 GHz).

Au-delà du simple retour d'information
 : Historiquement, les mesures DMD se sont limitées au traitement du retour d'information, sans permettre d'évaluer les performances. Depuis sa création, la DMD a principalement servi d'outil d'évaluation et d'optimisation des processus. La mesure fournit des informations détaillées sur les délais relatifs entre les groupes modaux d'une fibre. Cependant, le contrôle et le retour d'information des processus ne nécessitant pas une mesure très précise ou sophistiquée, un système DMD classique ne permettait pas d'évaluer la bande passante de la fibre ni ses performances opérationnelles.

Avec le développement de la norme OM3, l'utilisation de cet outil de retour d'information s'est imposée comme système d'évaluation des performances de la bande passante des fibres optiques. Lors de l'élaboration de la norme, une méthode d'évaluation des performances des fibres basée sur les résultats DMD a été recherchée. Le premier test développé a consisté à utiliser des gabarits de masquage DMD, ou masques DMD, composés de six gabarits uniques. Chaque gabarit autorise un délai de mode différentiel défini, exprimé en picosecondes par mètre (ps/m), en fonction de sa position radiale sur la fibre. Chaque gabarit comporte un masque interne et un masque externe, ainsi que quatre masques coulissants qui doivent répondre aux critères de désignation OM3.
Cependant, avant d'évaluer les données DMD par rapport aux masques de chaque gabarit, les données brutes sont traitées afin de conditionner les résultats. Ces étapes de conditionnement permettent de pallier d'importantes imperfections des systèmes de mesure, au détriment des capacités d'évaluation de la méthode de sélection des fibres.

L'exemple le plus clair des limitations du processus d'évaluation DMD est l'utilisation de l'amplitude FWQM (largeur à mi-hauteur au quart de la valeur maximale) pour définir le délai différentiel entre les impulsions initiale et retardée. L'utilisation de la FWQM permet au masque DMD d'ignorer tous les signaux initiaux et de continuation dont l'amplitude est inférieure à 25 %.
La figure 3 (Réponse DMD pour une injection de décalage unique) illustre ce filtrage. Le schéma représente la sortie normalisée d'une sonde DMD à une position radiale donnée sur le cœur. La puissance reçue est normalisée par rapport à la puissance maximale de la réponse impulsionnelle, et les points FWQM initial et retardé à cet emplacement sont identifiés. Dans cet exemple, l'impulsion initiale a une amplitude normalisée légèrement inférieure à 25 % de la valeur maximale ; elle est donc entièrement ignorée lors de la détermination du DMD et n'est pas appliquée aux modèles de masquage. Cependant, l'omission de cette impulsion initiale pourrait affecter les performances réelles du système et la fonctionnalité de la liaison dans un système à haut débit.

Coût de fabrication vs. Précision :
Il est évident que cette étape de conditionnement permet d’éliminer ou de minimiser l’impact d’attributs de réponse importants susceptibles d’affecter les performances du système. Outre l’élimination des impulsions en avance ou en retard et des autres signaux reçus inférieurs à 25 % du maximum normalisé, l’utilisation du filtrage FWQM peut permettre aux systèmes de mesure de présenter des oscillations optiques et électriques excessives.
Par conséquent, les résultats obtenus avec des systèmes de mesure moins robustes peuvent servir à déterminer leur compatibilité avec le masque DMD, puisque les signaux parasites inférieurs à 25 % de la puissance maximale normalisée sont ignorés. Bien que ces systèmes permettent de réduire les coûts de fabrication, cette réduction se fait au détriment de la précision et de l’exactitude des mesures, ce qui peut entraîner des problèmes de fonctionnement.
D’autres adaptations de mesure spécifiques sont intégrées à l’utilisation du masque DMD, telles que la suppression arithmétique du signal de référence. Cette suppression améliore la simplicité d’utilisation au détriment de la précision. Afin d’éliminer correctement la réponse du système de mesure et d’isoler la réponse de la fibre, l’impulsion de référence doit être déconvoluée de la réponse impulsionnelle reçue conformément à la théorie des systèmes LTI (linéaires invariants dans le temps).
La simple soustraction arithmétique de l'impulsion de référence peut entraîner un manque de précision dans les résultats du masque. Par exemple, deux systèmes de mesure, présentant des temps de réponse différents, peuvent produire des résultats différents pour une même fibre. Le masque peut sembler adapté après une simple soustraction arithmétique de la référence, alors que des mesures plus précises par déconvolution peuvent indiquer que la fibre n'est pas adaptée aux performances des systèmes à haut débit.
Le masque DMD présente également des difficultés quant à sa capacité à garantir la compatibilité entre toutes les fibres et tous les émetteurs conformes aux normes. Chaque gabarit supporte un délai de mode variable en fonction de sa position radiale sur le cœur. Les délais variables dans les régions interne et externe représentent les différents niveaux de contrainte à respecter, selon les caractéristiques de taille des points des émetteurs-récepteurs utilisés dans les systèmes à haut débit.

Les résultats du test DMD exigent seulement le passage d'un seul des six masques pour qualifier une fibre OM3, mais cela peut engendrer des problèmes de fonctionnement. Les systèmes réels utilisent des VCSEL (lasers à émission de surface à cavité verticale) de 850 nm avec des limites de flux inscrit (EF) définies. Ces limites définissent la quantité de lumière qui doit être injectée à une position radiale spécifique dans le cœur de la fibre. Pour les fibres OM3, les VCSEL peuvent émettre jusqu'à 30 % de leur puissance dans les 4,5 premiers µm du rayon du cœur et au moins 86 % dans les 19 premiers µm.
De toute évidence, certaines combinaisons de VCSEL avec des fibres passant par un masque particulier peuvent entraîner des problèmes de performance. Par exemple, le couplage d'une source VCSEL externe active avec une fibre présentant une dispersion modale plus élevée aux positions radiales supérieures peut compromettre les performances de la liaison.
De plus, le masque ne s'applique qu'aux 23 premiers µm du rayon pour une fibre dont le rayon du cœur est de 25 µm. Bien que les VCSEL puissent avoir un point d'injection légèrement plus petit que les sources traditionnelles (par exemple, les LED), le délai de mode aux positions radiales supérieures ne doit pas être négligé.

En général, une fibre multimode reçoit une valeur mesurée décrivant ses performances en termes de bande passante. Les utilisateurs de haut débit connaissent mal les résultats des masques DMD. Lorsqu'une valeur de masque est spécifiée, la fibre se voit attribuer un ensemble de valeurs de délai en picosecondes par mètre (ps/m). Dans certains cas, seul un résultat de conformité/non-conformité à la spécification OM3 peut être fourni, sans données de mesure supplémentaires. Bien que les valeurs de délai ne soient pas convertibles en une valeur de bande passante plus familière, leur signification et leur évolutivité diffèrent des valeurs normalisées et éprouvées en MHz•km couramment utilisées dans les secteurs des communications optiques et par câble cuivre.
Les limitations inhérentes aux masques DMD ont incité la communauté de la mesure de la bande passante à rechercher des innovations. Les utilisateurs finaux avaient besoin d'une valeur de bande passante familière en MHz•km indiquant clairement le débit et garantissant les performances dans un système optique à haut débit avec des VCSEL homologués. La mesure DMD restait le système le plus efficace pour caractériser les fibres, mais elle devait être considérablement améliorée grâce à des innovations permettant d'atteindre l'objectif recherché : une valeur de bande passante réelle.

La nouvelle mesure et le signal de sortie devaient présenter une plage dynamique et une réponse en fréquence suffisantes pour permettre leur utilisation dans un système de mesure de puissance supérieure. Si les résultats de la mesure DMD étaient suffisamment précis et robustes, ils pouvaient être ajoutés au profil du spot lumineux des émetteurs-récepteurs, fournissant ainsi une valeur de bande passante calculée fiable. Par commodité, les fournisseurs de VCSEL avaient défini des contraintes d'EF (efficacité), de sorte que la distribution de l'énergie optique injectée dans la fibre était bien comprise. La combinaison de ces deux attributs (mesure DMD de la fibre et emplacement de l'énergie injectée par le VCSEL) semblait ouvrir la voie à un système de mesure plus optimisé.
Les résultats de la mesure DMD doivent seulement réussir l'un des six tests de masquage pour qualifier une fibre d'OM3, mais cela peut entraîner des problèmes fonctionnels dans l'application. Les systèmes actuels utilisent des VCSEL (lasers à émission de surface à cavité verticale) de 850 nm avec des limites d'EF (efficacité) définies. Ces limites définissent la quantité de lumière qui doit être injectée à un emplacement radial spécifique dans le cœur de la fibre. Dans le cas des fibres OM3, les VCSEL peuvent émettre jusqu'à 30 % de leur puissance dans les 4,5 premiers µm du rayon du cœur et au moins 86 % de leur lumière dans les 19 premiers µm.
Il est évident que certaines combinaisons de VCSEL avec des fibres traversant un masque particulier peuvent engendrer des problèmes de performance. Par exemple, le couplage d'une source VCSEL active externe avec une fibre présentant une dispersion modale plus élevée aux positions radiales supérieures peut compromettre les performances de la liaison.

De plus, le masque ne s'applique qu'aux 23 premiers µm de rayon d'une fibre à cœur de 25 µm de rayon. Bien que les VCSEL puissent avoir un point d'injection légèrement plus petit que les sources traditionnelles (par exemple, les LED), le délai de mode aux positions radiales plus élevées ne doit pas être négligé.
Une fibre multimode reçoit généralement une valeur mesurée décrivant ses performances en bande passante. Les utilisateurs de haut débit ne sont pas familiarisés avec les résultats du masque DMD. Si une valeur de masque est spécifiée, la fibre se voit attribuer un ensemble de valeurs de délai en picosecondes par mètre (ps/m). Dans certains cas, seul un résultat de conformité/non-conformité à la spécification OM3 peut être fourni, sans données de mesure supplémentaires. Les valeurs de délai peuvent ne pas être convertibles en une valeur de bande passante plus familière, mais leur signification et leur évolutivité ne sont pas les mêmes que les valeurs normalisées et éprouvées en MHz•km couramment utilisées dans les industries des communications par câble optique et cuivre.

Les limitations inhérentes au masque DMD ont contraint la communauté de la mesure de la bande passante à rechercher des innovations. Les utilisateurs finaux avaient besoin d'une valeur de bande passante familière, exprimée en MHz•km, indiquant clairement le débit et garantissant les performances dans un système optique à haut débit avec des VCSEL certifiés. La mesure DMD restait le système le plus efficace pour la caractérisation des fibres optiques, mais nécessitait des améliorations significatives grâce à des innovations permettant d'atteindre l'objectif recherché : une valeur de bande passante réelle.
La nouvelle mesure et le résultat obtenu devaient présenter une plage dynamique et une réponse en fréquence suffisantes pour permettre leur utilisation dans un système de mesure de puissance supérieure. Si les résultats de la mesure DMD étaient suffisamment précis et robustes, ils pourraient être ajoutés au profil du spot lumineux des émetteurs-récepteurs réels, fournissant ainsi une valeur de bande passante calculée fiable. Par commodité, les fournisseurs de VCSEL avaient défini des contraintes EF, de sorte que la distribution de l'énergie optique injectée dans la fibre était bien comprise. La combinaison de ces deux attributs (mesure DMD de la fibre et localisation de l'énergie injectée par le VCSEL) semblait constituer la voie vers un système de mesure plus optimisé.

Émergence de l'EMBc :
Les fournisseurs de fibre optique ont trouvé la solution à ce problème avec l'EMBc (Effective Modal Bandwidth Calculated). L'EMBc est un système de mesure qui permet de calculer une valeur de bande passante unique pour toute combinaison de fibre et de distribution d'énergie de source optique, qu'elle soit mesurée à partir d'un émetteur réel ou calculée théoriquement pour une distribution de source optique (EF) définie. La méthode de mesure EMBc a été le deuxième
système d'évaluation intégré aux normes OM3.
Les calculs EMBc améliorent les performances des systèmes de mesure DMD. La création d'un système de mesure DMD compatible EMBc exige de nombreuses heures de conception technique et une sélection rigoureuse des composants. Contrairement au masque DMD, qui ignore l'énergie des impulsions de sortie inférieures à 25 % d'amplitude, l'EMBc utilise l'intégralité du signal optique reçu pour calculer la valeur de bande passante. Par conséquent, les sources de bruit, les oscillations source/détecteur et autres dispositifs de mesure parasites doivent être éliminés ou fortement réduits.
Un système DMD compatible EMBc doit utiliser des sources laser (généralement un laser Ti:saphir), des détecteurs et des composants périphériques optiques et mécaniques hautes performances. Une taille de spot exceptionnellement petite est requise pour le signal de sonde afin de garantir une mesure précise des délais de groupe à chaque point du cœur de la fibre. De plus, pour obtenir une valeur EMBc précise, il est essentiel d'appliquer des méthodes rigoureuses : centrage précis de la fibre de sonde par rapport à la fibre testée, sélection appropriée de la plage temporelle de l'oscilloscope, techniques d'échantillonnage temporel adéquates et acquisition complète de la puissance reçue.
La valeur EMBc est appliquée différemment au masque DMD. Bien qu'une fibre doive passer un seul masque pour être classée comme compatible OM3, ses valeurs EMBc (bande passante en MHz•km) doivent être supérieures à un seuil défini, lors d'une évaluation avec la distribution de puissance d'injection de 10 VCSEL représentatifs. Ces 10 distributions couvrent intégralement la spécification EF pour les VCSEL compatibles OM3 décrite précédemment. Tout défaut de délai, même minime, dans le profil DMD de la fibre ou tout délai de mode excessif dans une zone localisée entraîne une réduction significative de l'EMBc. Ceci est contraire à l'application du masque DMD, qui ignore les signaux inférieurs à 25 % du maximum normalisé.
La valeur minimale des 10 valeurs EMBc est utilisée pour établir le critère de réussite/échec de l'enregistrement (appelé bande passante modale effective minimale calculée, ou minEMBc). Cela garantit que la pire correspondance possible entre le DMD de la fibre et le VCSEL de la source définit de manière prudente les performances de la fibre. Par conséquent, le minEMBc constitue un test d'adéquation et de fonctionnalité beaucoup plus rigoureux que le masque DMD.

Un examen plus approfondi de la figure 6 (Sources du modèle TIA) révèle une large gamme de valeurs EF d'émetteur adaptées, allant d'une source active centrale (avec une puissance optique proche de 30 % à 4,5 µm) à une source active périphérique (à peine 86 % de la puissance optique à 19 µm). Les 10 pondérations

fidèlement la distribution théorique des émetteurs prise en compte pour la détermination des spécifications OM3.
Des évaluations indépendantes des distributions EF d'émetteur ont confirmé la pertinence de ces 10 pondérations standard par rapport à la distribution globale des sources réelles. Ces études ont d'ailleurs mis en lumière un autre point concernant les distributions EF d'émetteur. Des travaux récents suggèrent que les sources les plus limitantes (sources 1 et 5, comme illustré sur la figure 5, calcul EMBc) sont rares parmi les émetteurs-récepteurs réels. L'analyse des résultats minEMBc obtenus sur des fibres de production montre que ces deux pondérations produisent la grande majorité des valeurs minEMBc. En d'autres termes, il est très improbable que les sources produisant les valeurs minEMBc apparaissent dans un système réel. Ce fait confère à minEMBc une sécurité accrue, car les sources les plus courantes ont tendance à présenter un résultat EMBc bien supérieur à la valeur minEMBc. De plus, minEMBc est très robuste et peut être facilement adapté aux nouvelles normes et distributions d'émetteurs-récepteurs à mesure que de nouvelles sources et applications apparaissent.
L'amélioration des normes de performance des systèmes de mesure DMD explique l'évolution d'EMBc, mais n'aborde pas l'exigence la plus importante concernant les attributs d'une fibre : leur relation avec la fonctionnalité du système. Comme indiqué précédemment, une fibre optique multimode doit seulement satisfaire à l'un des six modèles de masquage pour répondre aux exigences OM3. Le DMD maximal dans une fibre isolée peut varier entre 0,33 et 0,7 ps/m, selon le modèle de masquage auquel la fibre répond. Si une fibre réussit un modèle de masquage spécifique, par exemple, elle pourrait être associée à un VCSEL non optimisé pour une fibre présentant ce profil DMD particulier. De ce fait, la corrélation entre les performances du masque et la fonctionnalité réelle du système peut s'avérer problématique.

Cependant, l'EMBc utilise les deux points de données de liaison les plus importants : le profil DMD de la fibre et les caractéristiques de la source lumineuse VCSEL. L'EMBc minimal de 10 lasers différents est utilisé pour certifier les performances OM3. L'utilisation des valeurs d'EMBc les plus prudentes offre une assurance maximale que la fibre fonctionnera comme prévu lorsqu'elle est associée à un VCSEL conforme aux normes dans une liaison optique.
Évaluer le minEMBc en fonction du BER ou de la pénalité de dispersion d'un système pourrait laisser croire que cette métrique n'est pas totalement corrélée à toutes les sources VCSEL. Puisque la valeur minEMBc représente la mesure de bande passante enregistrée, une fibre répondant à cette exigence sera entièrement compatible avec toute la gamme des émetteurs-récepteurs conformes aux normes. Chaque VCSEL conforme aux normes possède son propre EF, qui lui confère un EMBc unique. Cet EMBc spécifique est généralement bien supérieur aux exigences spécifiées pour les fibres OM3. Par conséquent, les fibres avec un minEMBc approprié donneront des résultats satisfaisants dans les systèmes OM3 lorsqu'elles sont associées à un émetteur-récepteur conforme.
Cependant, la comparaison du taux d'erreur binaire (TEB) ou de la pénalité de dispersion pour une liaison spécifique peut ne pas être bien corrélée à la valeur minEMBc de la fibre. Afin d'optimiser la corrélation avec le TEB et la pénalité de dispersion, la comparaison de l'EMBc et des performances du système devrait tenir compte de la pondération du VCSEL étudié.
Certaines études techniques récentes mettent en évidence une tendance à évaluer les performances du système en se basant sur l'EMBc calculé pour une combinaison source/fibre donnée, plutôt que sur la valeur minEMBc, très conservatrice. Des travaux futurs sont prévus pour démontrer la corrélation entre l'EMBc de la fibre source et les attributs de performance du système, tels que la pénalité de puissance ou le taux d'erreur binaire.

Méthodes alternatives :
Si l'imitation est la plus sincère des flatteries, EMBc a de quoi rougir. Les organismes de normalisation du secteur ont récemment convenu de développer l'OFLc (bande passante de saturation calculée) comme méthode de mesure alternative de la bande passante OFL. L'OFLc utilisera le DMD de la fibre et une pondération convenue pour calculer la valeur de la bande passante OFL. Cette méthode permettra d'éliminer l'importante variabilité des valeurs de bande passante OFL due aux variations admissibles des injections de saturation et à d'autres différences de référence entre les systèmes de mesure.
Bien qu'elle ne rende pas nécessairement l'OFL plus fonctionnelle, elle devrait favoriser une harmonisation des systèmes de mesure lors de la comparaison de systèmes DMD de capacité équivalente.

Pour plus d'informations ou un devis

Les auteurs,
Jeffrey Englebert, superviseur du Centre d'essais de fibres optiques, et Steven Garner, ingénieur en mesures multimodales chez Corning Optical Fiber, sont les auteurs.

Reproduit du numéro de février 2009 de CABLING INSTALLATION & MAINTENANCE, avec des modifications de mise en page.
Copyright 2009 PennWell Corporation