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La mesure d'une fibre optique

De nos jours, le commerce de la fibre optique est en pleine expansion de par le fait qu’elle est le moyen le plus rapide de transfert de données à ce jour. Les secteurs médicaux, informatiques, militaires, de la télécommunication, de l'industrie,... utilisent les systèmes de fibre optique pour une large variété d'applications. Afin de créer la meilleure fibre possible, des outils servant à la mesure de la fibre et à la détection de défauts (cassure, épissure, …). La mesure de la fibre optique est devenu une nécessité afin d'avoir un réseau le plus parfait possible.

La mesure des défauts dans une fibre optique s’effectue pour déterminer les pertes optiques (nommées affaiblissement ou atténuation) grâce à 2 moyens connus à ce jour : la photométrie et la réflectométrie. La photométrie permet d’avoir le résultat en décibel (dB) de l’affaiblissement mesuré, mais ne donne pas d’informations plus précises. La réflectométrie quand à elle permet, grâce à la réponse donnée, d’identifier en plus de caractériser le type de défaut rencontré sur tout la longueur de la fibre (en dB/km).

Principes de la mesure

Mesurer la fibre optique permet donc de s’assurer des performances du fil, surtout quand celui-ci est long. Malgré les bonnes performances de fibre, les fibres optiques possèdent des pertes. Ces pertes peuvent être plus ou moins élevées selon la longueur d’onde et aussi selon les conditions du fils. On parle d’atténuation du signal de l’entrée du fil à la sortie du fil.

L’atténuation correspond à une diminution de la puissance du signal lumineux émis. Elle s’exprime en décibels (dB). Dans le cas de la fibre, on définit le coefficient d’atténuation en fonction des signaux d’entrée et de sortie du fil, mais également en fonction de la longueur de celui-ci.

L'atténuation α (en dB/km) s’exprime alors : $a={\frac {-\log _{10}({\frac {P1}{P2}})}{L}}$

Toutes fibres, même celles dites "parfaites", possèdent des atténuations.

Exemples de plusieurs types d'atténuation et leur causes

Types de pertes inévitables	Cause
Absorption	Poussières, impuretés
Courbure	Fibre tordue, enroulée
Diffusion	Différences de densités ou de composition de matière dans le cœur de la fibre

On utilise généralement la fibre dans trois fenêtres de longueur d’onde :

-       La fenêtre à 800 nm a des atténuations pouvant monter à plus de 1 dB/Km.

-       La fenêtre à 1300 nm a des atténuations de 0.4 dB/Km en moyenne.

-       La fenêtre à 1500nm a des atténuations de 0.2 dB/Km en moyenne

Plus la longueur d’onde utilisée est élevée, plus la distance du fil sera grande. C’est pourquoi, l’atténuation par kilomètre doit être de plus en plus petite pour avoir le minimum de pertes au total. Bien entendu, un fil peut avoir des défauts ce qui les augmente. Les entreprises qui utilisent ou fabriquent la fibre optique ont donc tout intérêt à vérifier la qualité du fil.

Il existe deux méthodes pour mesurer la fibre optique : la réflectométrie et la photométrie.

Par photométrie

La photométrie est un des deux moyens utilisés pour mesurer l’affaiblissement dans une fibre optique. D’après la Commission Internationale de l’Éclairage (CIE), « la photométrie désigne les techniques de mesure de la lumière considérée comme porteuse de l’excitation visuelle » . Le principe de cette méthode pour la détection de défauts dans une fibre est le suivant : on injecte au début du système à étudier un rayonnement lumineux, cohérent ou non, en connaissant au préalable la grandeur que l’on veut mesurer. Ensuite, le détecteur placé en sortie du système reçoit le signal lumineux et mesure la grandeur en question. Puis la même opération est répétée dans l’autre sens. Enfin on fait la comparaison des deux valeurs et on en déduit l’affaiblissement en dB. Au préalable, l’émetteur et le récepteur auront été étalonnés grâce à des cordons ou des bobines de référence. Généralement les pertes que l’on mesure sont appelées pertes optiques ou pertes d’insertion. Celles-ci sont toujours exprimées en dB, mais ce que le photomètre va mesurer dans le cas de la détection de défaut en entreprise peut être la quantité de lumière exprimée en Joules ou la puissance en Watt, ou encore l’éclairement lumineux en lux . Dans le cas d’une réponse en puissance, après avoir étalonné l’appareil on fait une première mesure P1, la puissance lumineuse de sortie, puis on mesure P2, la puissance lumineuse d'entrée en faisant parcourir le signal dans le sens opposé.

Enfin, l’affaiblissement α (en dB) s’exprime suivant la formule :

$\alpha =\log _{10}({\frac {P1}{P2}})$

Dans la pratique l’appareil nous donne directement la valeur de α .

Schéma illustrant la partie étalonnage d'un photomètre

Schéma illustrant la première partie (sens aller) d'une mesure par photométrie

Schéma illustrant la seconde partie (sens retour) d'une mesure par photométrie

Cette méthode est celle que l’on préférera utiliser pour de courtes fibres : inférieures à 10 mètres pour les fibres multimodes et inférieures à 30 mètres pour les monomodes . Comme dans toute expérimentation, il faut réduire au maximum les éléments perturbateurs tels que : la stabilité de la fibre, un signal trop faible au cœur de la fibre, une énergie insuffisante transmise dans la fibre, etc..

Les pertes optiques peuvent être dues à de nombreux facteurs, qu’ils soient liés au rayonnement lumineux comme l’absorption, la diffusion, la diffraction et la dispersion ou à cause de la fibre et de l’environnement : mauvaises épissures ou connecteurs, alignement incorrect des fibres.

Cependant, cette technique n’est pas beaucoup utilisée en entreprise, car elle ne donne pas un renseignement précis sur la cause des pertes. En effet, on ne peut pas déterminer à partir des résultats donnés par la photométrie ce qui a provoqué une baisse de puissance ou une quantité de lumière plus faible. Il n’y a pas de valeur type pour une erreur type, seulement une perte sur la totalité des erreurs sans aucune distinction .

Instruments de mesure, unités :

Pour faire des mesures en photométrie, outre un étalonnage requis, il faut absolument mettre une bobine amorce. En effet, dans le cas d’une fibre multimode il faut que les rayons soient dans un état d’équilibre, c'est à dire qu'ils ne varient plus selon l'endroit où on les capte. À partir de cet état, qui nécessite une certaine distance, la répartition de l’énergie au sein des différents modes ne varie plus. En laboratoire on peut utiliser des filtres de modes ou des mélangeurs, et sur un site d'entreprise on mettra une bobine amorce d’au moins 500 mètres. Dans le cas des fibres monomodes, on peut remplacer la bobine par un simple cordon.

Il existe différents types de mesures que l’on peut faire pour caractériser les pertes, on peut par exemple utiliser un spectromètre pour détecter les longueurs d'ondes qui réussissent à traverser l’objet mesuré (ici la fibre optique) . On peut aussi, comme pour une utilisation plus classique de la photométrie, utiliser un luxmètre qui donne la valeur de l’éclairement lumineux reçu par l’émetteur en lux . On peut aussi chercher à mesurer la perte en intensité lumineuse (en candela) grâce à des mesures de flux lumineux sur une surface donnée.

Enfin dans le cas d’une mesure par photométrie il est important de savoir que cette technique de mesure n’est pas la plus fiable. En effet on peut mesurer l’imprécision d’un résultat R par l’incertitude sur toutes les données initiales ainsi qu’une évaluation sur tous les paramètres qui peuvent intervenir dans la mesure. On en déduit un intervalle R±dR, avec dR l’incertitude résultante. Il s’avère que le rapport  n’est pratiquement jamais inférieur à 0,1%. Lorsque l’on fait des mesures simples avec des instruments de qualité, le rapport est rarement inférieur à 0,5%. Il ne faut pas oublier que la mesure d’une grandeur photométrique est difficile à cause de la complexité du signal optique (distribution spatiale et spectrale) .

Par réflectométrie

La mesure par réflectométrie se fait à l’aide d’un OTDR (Réflectomètre optique dans le domaine temporel) qui va envoyer des impulsions lumineuses dans la fibre. Si la lumière émise dans la fibre est dispersée, cela veut dire qu’il peut y avoir des perturbations, causant donc des pertes sur le signal émis. L’instrument de mesure se base sur les effets de dispersion de Rayleigh et de réflexion de Fresnel afin d’identifier l’état de la fibre.

La dispersion de Rayleigh se fait lorsqu’une petite discontinuité apparaît dans le cœur de la fibre, ce qui disperse l’impulsion lumineuse dans toutes les directions.

La réflexion de Fresnel survient lorsque de grosses variations de la qualité de la fibre apparaissent (coupures). Une très grosse quantité de lumière est réfléchie et ainsi on en réceptionne moins.

Exemples types d'événements non-réfléchissants

Le signal entre une fibre monomode et multimode est un peu différent. En effet, le signal aura plus d’amplitude avec une fibre multimode alors que celui d’une fibre monomode a des réflexions plus petites.

Toutes les anomalies rencontrées durant les tests sont appelées événements. Il existe deux types d’événements : les événements non-réfléchissants et les événements réfléchissants.

Les événements non-réfléchissants sont caractérisés par de petites diminutions du signal. Ils sont visibles sur la réponse donnée par l'appareil (cf image : Événements non-réfléchissants). Ces petites diminutions sont causées par des torsions ou des épissures dans la fibre.

Exemples type d'événements réfléchissants

Il est très difficile de reconnaître les torsions et les épissures, car les caractéristiques du signal sont très semblables. Cependant, contrairement aux épissures (appelées aussi soudures), les torsions peuvent se faire sur une distance plus ou moins importante ce qui cause des pertes bien plus élevées qu’une soudure. Il suffit donc d’augmenter la longueur d’onde du signal pour identifier le type de perte.

Les événements réfléchissants, contrairement aux autres événements, sont caractérisés par des pics sur le signal provoqués par des discontinuités soudaines. Ces discontinuités sont soit des épissures mal faites, soit des connecteurs défectueux ou encore des fissures.

L’utilisation de la réflectométrie est bien plus efficace que la photométrie, car elle permet d’identifier le type de pertes, de savoir plus ou moins leurs emplacements, en plus de savoir la perte totale. La photométrie est bien moins utilisée dans les entreprises.

Il existe plusieurs types de réflectomètres optiques temporels. Ce sont des appareils qui demandent beaucoup de maîtrise et de connaissances dans le domaine de la fibre optique. On ne peut pas utiliser n’importe quel appareil sur n’importe quel fil. Il faut savoir, avant de choisir l’appareil, les caractéristiques de la fibre à mesurer ; c’est-à-dire sa longueur d’onde d’utilisation, son type de fibre (monomode ou multimode), son milieu d’utilisation, sa longueur totale ou encore son utilisation principale. C’est pourquoi, il y a plusieurs appareils dédiés, allant du petit appareil de terrain, à la plateforme intégrale pour la recherche et le développement ou la maintenance. D'ailleurs, ces plateformes sont complétées par d’autres modules spécifiques propres aux réseaux, comme le module de mesure de dispersion ou encore de transport d’information. Chaque appareil possède une largeur d’impulsion lumineuse (plage dynamique) différente. Elle est exprimée en décibel (dB). C’est pourquoi le prix pour mesurer un fil de plusieurs centaines de kilomètres est très élevé.

Il est possible de mesurer des fibres sur de très longues distances avec la réflectométrie. En effet, un appareil avec une plage dynamique suffisamment grande peut envoyer un signal lumineux sur plus de 400 kilomètres. Cependant, certains fils sont reliés à des répéteurs ce qui empêche la progression du signal avec un réflectomètre classique. Il existe des réflectomètres spécifiques qui permettent de les traverser aux dépens de la distance maximale. Il faut savoir aussi que la distance maximale que peut atteindre un signal lumineux envoyé par un appareil varie selon la qualité de la fibre et aussi selon le nombre de fiches optiques. Cependant, les fiches optiques tendent à être de moins en moins utilisées car elles sont sources de très importante pertes. Ici nous avons donc la formule sans fiches optiques :

${\text{Distance maximale sans fiche optique}}={\frac {\text{La plage dynamique de l' appareil en décibel (Db) }}{\text{Perte optique (dB/km)}}}$

La zone morte est la zone sans réponse après un événement réfléchissant. Dans cette zone, aucun signal n’est détecté laissant parfois passer quelques erreurs. Plus la plage dynamique est grande, plus la zone morte est grande. La prise en compte de cette zone est très importante pour les domaines d’utilisations exigeants tels que l’aviation, les navires ou les satellites. Il est possible de fortement réduire ces zones à l’aide de réflectomètres très performants et adaptés aux domaines d’utilisations et aux longueurs d’ondes. Les appareils les plus performants et les plus chers n’ont aucune zone morte et ont une très haute résolution.

Comme il a été dit précédemment, une fibre monomode et une multimode n’ont pas le même signal. On peut utiliser un réflecteur classique pour la mesure d’une fibre monomode mais, il est conseillé d’utiliser des appareils spécialisés pour les fibres multimodes.

Les fibres optiques déployées au particulier sont dans des réseaux appelés réseaux passifs ou PON ( Passive Optical Network). Le problème dans ces réseaux passifs, c’est qu’il peut y avoir des grosses pertes lors des mesures ce qui fausse l’acquisition à cause des coupleurs multi-branches. Il est très difficile de palier à ce problème, car l’appareil doit être capable de détecter des pertes furtives de plus de 20 dB ainsi que d’envoyer des impulsions lumineuses les plus courtes possible pour ne perdre aucune information par rapport au temps écoulé. D’ailleurs, il faut que ça soit possible d’utiliser ces mêmes appareils sur des lignes en service. Pour cela, on doit utiliser des machines capables de fonctionner sur des longueurs d’ondes de test soit 1490 nm, 1625 nm ou même 1650 nm.

Ouverture

Les liaisons à longue distance proposées par les fournisseurs d’accès internet doivent avoir très peu de pertes car ces fournisseurs ont des débits à respecter. Ils se renseignent donc sur les caractéristiques des habitations des particuliers pour pouvoir faire une estimation du débit qui va pouvoir être proposé. C’est pourquoi la qualité de la fibre revêt une importance de plus en plus grande pour ces fournisseurs.