La fibre optique : retour sur 50 ans de développement. Où en sommes-nous aujourd’hui ?

17/03/2015
Auteurs :
OAI : oai:www.see.asso.fr:1301:2015-1:13014

Résumé

La fibre optique : retour sur 50 ans de développement. Où en sommes-nous aujourd’hui ?

Métriques

2
0
1.13 Mo
 application/pdf
bitcache://7926360a165e248e3a47ccd90ffda522dfb76fdc

Licence

Creative Commons Aucune (Tous droits réservés)
<resource  xmlns:xsi="http://www.w3.org/2001/XMLSchema-instance"
                xmlns="http://datacite.org/schema/kernel-4"
                xsi:schemaLocation="http://datacite.org/schema/kernel-4 http://schema.datacite.org/meta/kernel-4/metadata.xsd">
        <identifier identifierType="DOI">10.23723/1301:2015-1/13014</identifier><creators><creator><creatorName>Jean-Pierre Bonicel</creatorName></creator><creator><creatorName>Lionel Provost</creatorName></creator><creator><creatorName>Pierre Sansonetti</creatorName></creator><creator><creatorName>Laurent Gasca</creatorName></creator><creator><creatorName>Alain Bertaina</creatorName></creator></creators><titles>
            <title>La fibre optique : retour sur 50 ans de développement. Où en sommes-nous aujourd’hui ?</title></titles>
        <publisher>SEE</publisher>
        <publicationYear>2015</publicationYear>
        <resourceType resourceTypeGeneral="Text">Text</resourceType><dates>
	    <date dateType="Created">Tue 17 Mar 2015</date>
	    <date dateType="Updated">Tue 17 Apr 2018</date>
            <date dateType="Submitted">Fri 13 Jul 2018</date>
	</dates>
        <alternateIdentifiers>
	    <alternateIdentifier alternateIdentifierType="bitstream">7926360a165e248e3a47ccd90ffda522dfb76fdc</alternateIdentifier>
	</alternateIdentifiers>
        <formats>
	    <format>application/pdf</format>
	</formats>
	<version>37823</version>
        <descriptions>
            <description descriptionType="Abstract"></description>
        </descriptions>
    </resource>
.

REE N°1/2015 99 CÂBLES ET INFRASTRUCTURES OPTIQUES DOSSIER 2 Introduction Après un bref historique du déve- loppement des fibres optiques pour les télécommunications et des différents types de fibres monomodales qui y ont été associés, cet article présente plus en détail les deux grands types de fibres utilisés pour le réseau terrestre et en particulier les réseaux d’accès, le mar- ché de la fibre optique monomodale et son évolution. Les technologies asso- ciées à la fabrication de la fibre optique seront décrites, ainsi que les dernières innovations apportées par les fibres optiques insensibles à la courbure et le développement de nouveaux types de câbles à fibres optiques et de solutions de déploiement développées et mises en œuvre par Prysmian Group. La révolution de la fibre optique a dé- marré il y a maintenant presque 50 ans, et, depuis, a permis celle de la société de l’information. C’est en effet en 1966 que K. C. Kao et G.A. Hockham [1] pré- disent que des pertes de 20 dB/km peuvent être obtenues dans les fibres optiques en les purifiant suffisamment, apportant un avantage décisif par rap- port aux solutions à câble coaxial ou radio pour la transmission de données. Pour ces travaux, K. C. Kao obtiendra ainsi le prix Nobel de physique en 2009. Cette prédiction va être rapidement réa- lisée puisqu’en 1970 des pertes de 20 dB/km à une longueur d’onde de 633 nm sont rapportées [2]. Les résul- tats vont ensuite s’améliorer très rapi- dement pour atteindre 0,2 dB/km à 1550 nm (Bande C) en 1979 [3]. En l’espace de dix ans les pertes des fibres optiques seront ainsi passées de 1 000 dB/km à 0,2 dB/km et permet- tront l’emploi de la fibre optique comme support de transmission sur de longues distances. Où en sommes-nous aujourd’hui ? Par Lionel Provost, Pierre Sansonetti, Laurent Gasca, Alain Bertaina, Jean-Pierre Bonicel Prysmian Group/France After fifty years in developing optical fibres for telecommunications, two types are today mainly used in the ter- restrial network: G 652.D mainly for metropolitan and long haul networks and G.657.A2 for the access network. The latter, recently developed, is compatible with G.652.D fibre, whilst having lower bend and micro-bend losses. This “bend robust” fibre complies well with deployment and operating constraints of the access network and furthermore allows the development of innovative solutions. Its use is growing. New fibres are also studied to cope with the ever increasing demand in capacity. To continue satisfying the demand of telecommunication networks, studies on optical fibres will continue to conti- nuously improve their productivity, characteristics and reliability, as well as developing new ones. ABSTRACT Figure 1 : Schéma d’une fibre optique standard monomodale (à gauche). Section transverse et profil d’indice de réfraction associé (à droite). 100 REE N°1/2015 CÂBLES ET INFRASTRUCTURES OPTIQUESDOSSIER 2 Les fibres optiques Anatomie d’une fibre optique Une fibre optique est un guide d’onde optique formé d’un cœur cen- tral dont l’indice de réfraction est supérieur à celui de la gaine l’entou- rant. Sa structure est rapportée sur la figure 1. Le cœur et la gaine sont tous deux en silice. L’ensemble est protégé par un revêtement polymère consti- tué de deux couches concentriques. Selon le type de fibre optique (mono- modale ou multimodale), la dimension du cœur optique peut varier de 9 µm pour une fibre monomodale à plus de 100 µm pour une fibre multimodale. La gaine optique présente un diamètre de 125 µm, et le revêtement extérieur un diamètre de 250 µm. Le guidage de la lumière est obtenu en contrôlant la différence entre l’in- dice de réfraction du cœur et celui de la gaine optique. La silice du cœur est clas- siquement dopée avec du germanium pour augmenter son indice de réfrac- tion par rapport à celui de la gaine. On parle d’un profil d’indice de réfraction à échelon comme illustré sur la figure 1 (à droite). Pour les fibres monomodales desti- nées aux applications de télécommu- nication et de transport de données, le spectre optique utilisable est situé dans le proche infrarouge et s’étend sur la plage 1 260 - 1 675 nm et correspond à une largeur de spectre disponible colos- sale de 59 THz ! Cet intervalle spectral a été subdivisé en sous-bandes optiques. On parlera ainsi des bandes optiques O (Original), E (Extended), S (Short), C (Conventional), L (Long), ou U (Ultra- long). Sur la figure 2 sont représentés les intervalles associés. Les différents types de fibres optiques monomodales Les études sur la transmission par fibre monomodale ont démarré au début des années 1980, accompagnées depuis lors par le développement de plusieurs générations de fibres. La fibre dite SSMF (Standard Single Mode Fibre), possédant un profil d’in- dice en échelon, a été tout d’abord déve- loppée pour la transmission à 1,3 µm (Bande O) en raison de la disponibilité des sources et d’une dispersion chro- matique nulle : elle a été ensuite util- isée à 1,55 µm à cause de ses plus faibles pertes à cette longueur d’onde. Cette fibre a été standardisée par l’UIT1 à partir de 1984 par la recommanda- tion G.652, et est depuis régulièrement mise à jour en incluant les évolutions techniques pour accompagner les nou- velles contraintes des systèmes de transmission. Elle est aujourd’hui majo- ritairement utilisée dans les réseaux de télécommunication métropolitains et longue distance, plus particulièrement la G.652.D qui possède les meilleures caractéristiques. Sur la figure 2 sont rapportées les courbes d’atténuation typique et de dispersion chromatique pour une fibre G.652.D. Un deuxième type de fibre, dit DSF2 (fibre à dispersion décalée), a ensuite été développé visant une dispersion 1 Union Internationale des Télécommunications. 2 Dispersion Shifted Fibre. chromatique nulle à 1,55 mm. Celle-ci a été standardisée par l’UIT dans la recom- mandation G.653 en 1988. L’avènement de l’amplification optique en 1987 [4] a permis la transmission optique dans la fenêtre 1,55 µm (Bande C) sur de grandes distances avec multiplexage en longueur d’onde WDM3 . Néanmoins, la disper- sion chromatique nulle de la fibre DSF exacerbant les effets non linéaires entre les différents canaux WDM (mélange à 4 ondes), celle-ci n’a pas trouvé son utilisation. Les fibres NZDSF4 (fibre à disper- sion décalée non nulle) ont alors été développées, avec l’objectif de mini- miser à la fois les effets non linéaires entre canaux WDM et le besoin de com- pensation de la dispersion chromatique. Leur dispersion chromatique à 1,55 µm est comprise entre 4 et 8 ps/(nm.km) à comparer à une valeur de l’ordre de 16 ps/(nm.km) pour la fibre G.652. Elles ont été standardisées par les recom- mandations G.655 (à partir de 1996) et G.656 (à partir de 2004). L’avènement récent des systèmes cohérents, par exemple à 100 Gbit/s par canal, qui permet désormais de 3 Wavelength Division Multiplexing. 4 Non-Zero Dispersion Shifted Fibre. Figure 2 : Spectre d’atténuation d’une fibre G.652.D, et dispersion chromatique associée en fonction de la longueur d’onde. Les bandes optiques sont également rapportées. REE N°1/2015 101 La fibre optique : retour sur 50 ans de développement : Où en sommes-nous aujourd’hui ? s’affranchir de la gestion de la dis- persion chromatique par l’emploi de modules de compensation optique au long de la liaison, et de minimiser les effets de dispersion de polarisation, a fait perdre l’attrait pour les fibres NZDSF G.655 et G.656 au profit de la fibre G.652.D. En raison des contraintes d’installa- tion de la fibre aussi bien à l’extérieur que dans les habitations pour le déploie- ment du réseau FTTH5 , un nouveau type de fibre dit insensible aux cour- bures a été développé [5]. Ces fibres sont normalisées depuis 2006 dans la recommandation G.657. Pour terminer cette revue, un der- nier type de fibre concerne la transmis- sion sous-marine. Pour les systèmes cohérents, un seul type de fibre est uti- lisé, celui décrit dans la recommanda- tion G.654. La particularité de ces fibres est leurs pertes qui peuvent être aussi faibles que 0,15 dB/km à 1,55 µm pour des fibres à cœur de silice. La recom- mandation G.654 permet également de maximiser l’aire effective du mode dans la fibre et ainsi minimiser les effets non linéaires. Fibres G.652 et G.657 Dans cette partie, nous nous intéres- sons plus en détail aux fibres optiques monomodales spécifiées dans les recom- mandations G.652 et G.657. Définition et attributs La recommandation G.652 de l’UIT décrit les caractéristiques géométriques, mécaniques et attributs de transmission d’une fibre optique monomodale pos- sédant une longueur d’onde de disper- sion nulle autour de 1 310 nm. Au fil des années, de nouveaux paramètres et des resserrements ont été intro- duits pour répondre aux besoins du marché, au changement des technolo- 5 Fibre To The Home. gies et prendre en compte les amélio- rations des techniques de production. On a ainsi assisté aux développe- ments de fibre optique à faible atténua- tion au pic OH6 (à 1 383±3nm) et à faible sensibilité au vieillissement sous hydrogène permettant d’opérer dans la bande optique E (1 360-1 460 nm), ou bien de fibre optique à faible dispersion modale de polarisation (PMD7 ). Pour cette raison, il a été décidé de créer différentes sous-catégories de fibres au sein de la recommandation G.652. À l'heure actuelle, quatre caté- gories : A, B, C, et D, ont été spécifiées et se distinguent par l’atténuation au pic OH, et le niveau de PMD. Le tableau 1 récapitule les principales différences entre ces quatre sous-catégories. La recommandation G.657 décrit deux catégories (A et B) de fibre optique utilisables dans les réseaux d’accès, y compris à l’intérieur des bâtiments. En pratique, une fibre standard G.652.D n’est pas utilisable pour le câblage en intérieur 6 La silice peut contenir des radicaux OH qui provoquent un pic d’absorption. 7 Polarisation Mode Dispersion. en raison de sa sensibilité aux rayons de courbure de quelques centimètres se tra- duisant par une augmentation des pertes optiques aux grandes longueurs d’onde. Ce mécanisme de pertes est appelé pertes par macro-courbure8 . Les fibres de la catégorie A peuvent être utilisées dans les bandes optiques O, E, S, C et L, c’est-à-dire de 1 260 à 1 625 nm. Cette catégorie est conforme à la recommandation G.652.D et en a les mêmes caractéristiques de transmis- sion et d’interconnexion. La principale amélioration réside dans la spécifica- tion des pertes maximales induites par des macro-courbures pour différents rayons : 15, 10, et 7,5 mm pour les bandes C et L. Deux sous-catégories A1 et A2 ont été introduites pour distinguer les fibres dont les performances sont respectivement garanties jusqu’à des rayons de courbures de 10 mm (G.657. A1) ou 7,5 mm (G.657.A2). Les fibres de la catégorie B ne sont pas entièrement conformes à la recommandation G.652.D et leur 8 Les pertes induites par macro-courbures aug- mentent avec la longueur d’onde. Tableau 1 : Les différentes fibres G.652. Tableau 2 : Les différentes variantes de la fibre G.657. Catégorie Année PMD (ps/ km) Atténuation au pic OH (dB/km) Spécification en rayon de courbure G.652A 1988 0,5 Non spécifiée R = 30 mm G.652B 2000 0,2 Non spécifiée R = 30 mm G.652C 2000 0,5 0,4 R = 30 mm G.652D 2003 0,2 0,4 R = 30 mm Catégorie Conformité G.652.D R = 15 mm R = 10 mm R = 7,5 mm R = 5 mm G.657.A1 Conforme ✔ ✔ G.657.A2 Conforme ✔ ✔ ✔ G.657.B2 Non conforme ✔ ✔ ✔ G.657.B3 Non conforme ✔ ✔ ✔ ✔ 102 REE N°1/2015 CÂBLES ET INFRASTRUCTURES OPTIQUESDOSSIER 2 usage est recommandé seulement en bout du réseau sur quelques cen- taines de mètres. Deux sous-catégo- ries ont été définies pour distinguer les fibres dont les performances sont maintenues avec des rayons de cour- bure atteignant un rayon de 7,5 mm (G.657.B2) ou 5 mm (G.657.B3). Le tableau 2 résume les spécifications pour les rayons de courbure ainsi que la conformité par rapport à la recom- mandation G.652.D. Principes de fonctionnement des fibres G.657 En 2006, Prysmian Group a été le premier fabricant de fibres optiques à introduire sur le marché une fibre insen- sible à la courbure conforme à la recom- mandation UIT G.657.A2 [5], sous le nom commercial BendBright-XS. Depuis cette date, plus de 16 millions de kilo- mètres de cette fibre ont été installés. Le principe général d’obtention d’une meilleure immunité aux pertes par macro-courbures consiste à diminuer la fraction de puissance optique se pro- pageant dans la gaine optique comme illustré dans la figure 3. Cette amélio- ration du confinement est obtenue par modification du profil d’indice de réfrac- tion. Dans le cas de la fibre BendBright- XS, cela se traduit par l’adjonction d’une « tranchée optique » autour du cœur (zone d’indice de réfraction inférieur à celui de la gaine optique). Les avantages de cette structure sont nombreux. Cette fibre peut facilement être utilisée avec des fibres G.652D sans impacter les exigences d’installation pra- tique, de maintenance ou d’exploitation du réseau optique. Elle est compatible avec l’ensemble des équipements de raccordement (mécanique ou par fusion) et avec les techniques de terminaison optique. La structure est également adaptée aux méthodes de production de fibres optiques traditionnelles. A noter que d’autres solutions ont été proposées pour fabriquer des fibres G.657, basées sur des solu- tions telles les fibres à gaine enter- rée, les fibres avec un mécanisme de couplage par résonnance, ou bien les fibres à microstructures (figure 3). Ces divers concepts ont connu plus ou moins de succès notamment en raison de problèmes de raccordement et de terminaison ou d’inhomogénéité des performances. Le marché de la fibre optique Historique du marché de la fibre monomodale L’évolution du marché mondial des câbles à fibres optiques sur les 25 der- nières années est représentée sur la figure 4 et résume à elle seule toute l’histoire de l’industrie des télécommu- nications optiques caractérisée par trois périodes : déployée sur les réseaux longue dis- tance (réseaux de transport, de plu- sieurs centaines à quelques milliers de kilomètres) ; marché lié à l’explosion de la bulle Inter- net, avec une baisse de la demande de plus de 30 % en l’espace de quelques mois ; déploiements de réseaux plus consom- mateurs de fibres optiques : les réseaux FTTX. La croissance est soutenue par le dynamisme des pays en voie de déve- loppement (Asie) et la Chine, et par l’installation de la nouvelle génération de téléphonie mobile (4G) qui impose le renforcement des débits dans les réseaux métropolitains. La consom- Figure 3 : Exemples de profils d’indice pour les fibres G.652 et G.657 (gauche). Profil d’indice de réfraction pour le concept à tranchée et comparaison des profils d’intensité pour une fibre G.652 et G.657. REE N°1/2015 103 La fibre optique : retour sur 50 ans de développement : Où en sommes-nous aujourd’hui ? mation annuelle a été multipliée par six entre 2004 et 2015. La part de la Chine dans ce marché est impres- sionnante : pour un marché estimé à 290 millions de kilomètres en 2014, la Chine fabrique plus de la moitié de ce volume et le consomme entièrement pour son marché intérieur. Au total, plus de deux milliards de kilomètres de fibres ont été déployés depuis le début des années 90. Une rapide analyse du marché français nous conduit à un volume total déployé de l’ordre de 37 millions de kilomètres de fibre déployés sur le territoire soit un peu moins de 2 % du volume total mondial. Le volume de fibre déployé au Japon est proche de 180 millions de kilomètres de fibre soit quasiment cinq fois plus qu’en France pour un pays dont la superficie est 25 % inférieure à celle de la France mais dont la population est 1,8 fois plus élevée. Le marché change également en fonction des différents types de fibres standardisés au fil des années par l’UIT. La figure 5 représente la répartition des types de fibre monomodale sur les 20 dernières années et la prévision pour les années à venir selon les prévi- sions de CRU Group. On notera la pré- dominance de la fibre G.652.D, et la montée en puissance des fibres G.657 dans les années à venir. De nos jours, la fibre G.652.D est prédominante par rapport aux autres types de fibre optique, avec près de 90 % du volume total. L’adoption de la fibre G.657 s’ac- célérant, sa part de marché est proche des 10 % actuellement avec des pro- jections de l’ordre de 30 % d’ici 2019. La part des fibres G.655/G.656 reste Volume de vente des fibres optiques par application 1989-2015 Figure 5 : Marché des différents types de fibre monomodale de 1993 à 2019. Évolution du prix moyen de la fibre G.652 entre 1983 et 2015 - Source : d’après CRU Group. Figure 4 : Volume de fibre optique monomodale déployée par application depuis 1989 - Source : d’après CRU. 104 REE N°1/2015 CÂBLES ET INFRASTRUCTURES OPTIQUESDOSSIER 2 très faible (3 à 4 millions de kilomètres par an). Evolution des technologies Pour accompagner la croissance du marché, de nombreux investisse- ments ont été consacrés aussi bien à la construction de nouvelles capacités de production (notamment en Chine), qu’à l’amélioration des techniques de fabrica- tion en vue de réduire les coûts. Parmi ces améliorations, on citera l’augmentation des vitesses de dépôt pour la fabrication des préformes, l’aug- mentation de la taille des préformes optiques (la capacité des préformes est ainsi passée de quelques dizaines de kilomètres au début des années 90 à plusieurs milliers aujourd’hui), le tout associé à une augmentation des vitesses de fibrage jusqu’à plusieurs mil- liers de mètres par minute. Ces innovations technologiques ont permis de faire passer le prix de la fibre monomodale G.652 de 350 USD/km en 1983 à près de 8 USD/km en 2015 (figure 5) tandis que les volumes limités à quelques dizaines de milliers de km par an en 1983 atteignent désormais près de 300 millions de kilomètres par an. Prysmian Group : un acteur global Prysmian Group est un acteur mon- dial majeur dans la conception, la fabri- cation de fibres optiques et de câbles à fibres optiques. La société opère sous les marques commerciales Draka et Prysmian. Prysmian Group, par des acquisi- tions successives, regroupe aujourd’hui les grandes technologies de fabrica- tion de la fibre optique et les outils industriels européens provenant d’Al- catel, Philips, Nokia, Draka et Pirelli. Ce regroupement étalé sur plus de 25 ans a permis et permet une opti- misation des procédés de fabrication et des opportunités certaines pour le développement de nouveaux produits. Prysmian Group est ainsi devenu le premier fournisseur européen et deu- xième mondial de fibres optiques. La société opère à une échelle mondiale avec cinq usines de fibres optiques et deux joint-ventures. L’implantation de ses différentes usines et joint-ventures est représentée sur la figure 6. L’usine de Douvrin en France est la plus grande de ce type en Europe. La fabrication des fibres La préforme optique La fabrication de la fibre optique repose sur le fibrage d’une préforme optique obtenue à partir d’un procédé en phase vapeur à partir de l’oxydation de tétrachlorures de Germanium, de Sili- cium ou de l’incorporation de Fluor. L’ob- tention de silice pure ou dopée permet d’obtenir la structure du guide d’onde optique (profil d’indice de réfraction). La préforme optique est obtenue en 4 étapes illustrées sur la figure 7 : a) Un tube en silice (figure 7 a) est uti- lisé comme substrat et est progressi- vement rempli de plusieurs centaines de couches concentriques de silice dopée (déposition chimique en phase vapeur) ; b) Une préforme tubulaire est ainsi obte- nue (figure 7 b) ; Figure 6 : Localisation des sites de production de fibres optiques de Prysmian Group. REE N°1/2015 105 La fibre optique : retour sur 50 ans de développement : Où en sommes-nous aujourd’hui ? c) Une opération de rétreint est ensuite effectuée afin d’éliminer l’espace cen- tral (vide) pour obtenir un « cylindre plein » appelé pré-préforme (figure 7 c) qui constituera le cœur optique ; d) La dernière étape consistant à rajou- ter d’épaisses couches concentriques de silice pure à l’extérieur de la pré- forme, couches qui formeront la gaine optique de la fibre (figure 7 d). La préforme finale est ainsi une réplique homothétique de la fibre optique à plus grande échelle. Le dia- mètre d’une préforme peut varier entre quelques centimètres jusqu’à quelques dizaines de centimètres à comparer avec le diamètre de 125 µm de la fibre optique. Plusieurs techniques de déposition ont été développées depuis le début des années 1970, nous rapportons dans cette partie celles utilisées par Prysmian Group pour les étapes de dépôt et de recharge. Procédé de dépôt : Plasma Chemical Vapour Deposition (PCVD) Pour réaliser la préforme tubulaire, Prysmian utilise le procédé PCVD9 . Comme décrit dans la figure 8, un géné- 9 Plasma Chemical Vapour Deposition. rateur micro-onde vient ioniser les dif- férentes espèces10 présentes en phase vapeur à basse pression dans le tube de dépôt en silice et fournit l’énergie néces- saire à la formation de la silice dopée ou pure qui vient se déposer sur le tube. Ce procédé a un excellent rendement d’in- corporation et permet la réalisation très précise du profil d’indice grâce au dépôt d’un grand nombre de couches concen- triques. Ce procédé permet de consti- tuer le cœur et la gaine optiques de la 10 Les espèces chimiques utilisées sont des té- trachlorures de Silicium (SiCl4 ), de germanium (GeCl4 ), du Fréon (C2 F6 ) et de l’oxygène (O2 ). fibre, zone dans laquelle se propage une grande partie de la lumière. Procédé de recharge : Advanced Plasma Vapour Deposition (APVD) Pour finaliser la préforme, la pré-pré- forme est ensuite rechargée par de la silice, qui, ce faisant, constitue la gaine externe du guide d’onde. Prysmian Group utilise le procédé APVD11 , bien plus intéressant en termes de coût qu’un manchonnage par un autre tube par exemple. Des couches 11 Advanced Plasma Vapour Deposition. Figure 8 : Méthode de déposition par procédé PCVD. Figure 7 : Étapes de fabrication d’une préforme optique. 106 REE N°1/2015 CÂBLES ET INFRASTRUCTURES OPTIQUESDOSSIER 2 successives de silice sont déposées par la fonte de grain de silice dans une torche plasma, comme montre la figure 9 (à gauche). La même figure montre une vue de la préforme finale (à droite). Procédé de fibrage La préforme est ensuite transformée en fibre optique lors de l’opération de fibrage. Une tour de fibrage12 est mise en œuvre pour cette opération comme décrite sur la figure 10. Différentes opé- rations sont successivement réalisées. La première opération consiste en la réduction du diamètre de la préforme au diamètre de la fibre nue (125 µm) par étirage. Cette réduction de diamètre est obtenue en chauffant à très haute tem- pérature soit ~2 200° C (proche de la température de fusion de la silice), l’ex- trémité de la préforme grâce à un four. Le contrôle de l’étirage est assuré par une régulation automatique à partir de mesures en ligne (diamètre) et en appli- quant une légère tension sur la fibre. Le verre est ensuite refroidi pour permettre l’enduction des revêtements de protec- tion avec des résines polymères puis leur durcissement (polymérisation) grâce à des lampes à Ultra-Violets. La fibre est finalement collectée sur une bobine tam- bour en bas de la tour de fibrage. La fibre est ensuite testée mécanique- ment puis débitée en tronçons standard (50 km) pour permettre la caractérisa- tion de ses attributs (test de continuité, mesure d’atténuation, mesure de géo- métrie, mesure de pertes par macro- courbures) selon les méthodes et normes applicables. De nouveaux revêtements pour de meilleures performances Outre les qualités optiques du guide d’onde et sa très grande pureté, l’essor de la fibre optique a été rendu possible 12 La hauteur totale d’une tour de fibre varie de quelques mètres à plusieurs dizaines de mètres. par le développement des revêtements la protégeant. En effet, malgré la grande résistance du verre de silice obtenue lors de la fabrication de la fibre optique (elle atteint 14 GPa), une protection supplé- mentaire est nécessaire pour garantir la durée de vie de celle-ci. C’est ainsi que des revêtements spéciaux acrylates ont été développés permettant d’amélio- rer la robustesse mécanique de la fibre, de la protéger contre les agressions extérieures, et enfin empêcher l’humi- dité extérieure de rentrer en contact avec le verre et ainsi éviter que celui-ci devienne cassant à terme. A ces avan- tages, on ajoutera également la protec- tion contre les pertes optiques induites par les déformations mécaniques microscopiques (pertes dites par micro- courbures) liées aux contacts des fibres entre elles une fois mises en câble. Les pertes par micro-courbures peuvent être très pénalisantes aux basses tem- pératures et sont liées en partie, aux Figure 9 : Opération de recharge de la préforme optique par le procédé APVD (gauche). Exemple d’une préforme obtenue après l’opération de recharge (droite). Figure 10 : Schéma d’une tour de fibrage avec ses différents équipements. REE N°1/2015 107 La fibre optique : retour sur 50 ans de développement : Où en sommes-nous aujourd’hui ? variations du module d’Young13 des revêtements. Depuis les années 70, l’optimisation des formulations des résines polymères a rendu possible l’amélioration des caractéristiques de la fibre en termes de fiabilité (25 ans et plus), de minimisa- tion des pertes par micro-courbures, et a permis l’utilisation de la fibre dans une plage thermique plus importante (de – 40° C, voire – 60° C à + 80° C) tout en améliorant sa mise en œuvre (dénu- dabilité, raccordement…). En plus de l’amélioration des performances fonc- tionnelles, ces nouvelles formulations ont également accompagné l’augmen- tation des capacités de production liées à l’augmentation des vitesses de fibrage. A la fin des années 2000, les der- nières générations de revêtements des fibres G.657.A2 à tranchée ont per- mis de réduire le diamètre des fibres optiques (200 µm contre 250 µm) et d’obtenir des câbles optiques à très forte contenance et à faible section (le diamètre final du câble est en effet plus petit) sans compromettre les perfor- mances optiques [6]. Comme décrite sur la figure 11, la structure d’une fibre optique est consti- tuée d’une partie en verre, entourée par 13 Constante qui relie la contrainte de traction et la déformation d’un matériau. deux couches concentriques de revê- tement polymère ayant des propriétés mécaniques distinctes : la couche interne (molle) agissant comme un coussin amortisseur pour la déformation méca- nique (pertes par micro-courbures) et la couche externe (dure) protégeant la fibre du milieu extérieur. Une troisième couche colorée très fine (quelques µm d’épais- seur) peut être appliquée hors-ligne pour permettre l’identification des fibres dans les câbles. Une autre technique déve- loppée par Prysmian Group dès 1994 (Colorlock™), puis améliorée en 2008 (Colorlock-XS™), permet d’éviter cette étape de coloration supplémentaire pou- vant fragiliser la fibre : elle consiste à uti- liser une résine colorée dans la masse pour former la couche externe du revête- ment. Cette solution permet d’augmen- ter la fiabilité du produit tout en limitant le diamètre extérieur de la fibre. De nouvelles fibres optiques pour les réseaux d’accès optiques Déploiement des réseaux FTTX Le déploiement des réseaux FTTX impose aux câbles à fibre optique des contraintes technico-économiques dif- férentes de celles historiquement défi- nies pour le déploiement de réseaux métropolitain ou longue distance. Parmi les contraintes technico-écono- miques, on peut citer, outre la pression sur les coûts pour contenir des niveaux d’investissements élevés, la nécessité de pouvoir exploiter de façon pérenne l’infrastructure FTTX pendant plusieurs dizaines d’années, avec des coûts de maintenance maîtrisés, sans que les choix techniques restreignent les évolu- tions des technologies de transmission que cette infrastructure devra pouvoir supporter. Parmi les contraintes techniques, on citera la nécessité pour les différents composants des réseaux à être manipu- lés au cours du temps lors d’interven- tions sur des éléments passifs, lovage des fibres dans les cassettes, raccor- dement etc., qui risquent de compro- mettre les budgets optiques. En effet, dans des réseaux « dynamiques » tels que les réseaux FTTH, pour lesquels de nombreuses interventions en diffé- rents points du réseau seront régulière- ment indispensables, la génération de courbures et micro-courbures en diffé- rents points sera très difficile à éviter. L’utilisation de fibres « robustes en cour- bure » est donc primordiale pour de tels réseaux. Si cette remarque est capitale à la longueur d’onde de 1 550 nm, elle est encore plus fondamentale à 1 625 nm, longueur d’onde qui sera de plus en plus Figure 11 : Structure d’une fibre optique dans le cas d’un revêtement standard coloré (à gauche), et le système de coloration dans la masse Colorlock-XS™ (à droite). 108 REE N°1/2015 CÂBLES ET INFRASTRUCTURES OPTIQUESDOSSIER 2 utilisée avec la mise en place de nou- veaux services. Pour résumer, l’adoption des fibres insensibles aux courbures permet de répondre à l’ensemble de ces attentes du fait de leur plus grande résilience à une manipulation plus fréquente, une meilleure sécurisation de budgets optiques plus serrés, et enfin au travers de solutions de connectivité d’encom- brement plus réduite. Câbles à fibre optique à forte contenance En Europe, les déploiements des réseaux FTTH peuvent être limités par la congestion des conduites existantes et les règles fixées pour leur utilisation (règle d’occupation, frais de location fac- turés en fonction du volume occupé par le câble dans la conduite). De plus la taille des NRA14 en nombre de clients raccor- dés (jusqu’à plusieurs dizaines de milliers de clients) impose parfois des câbles de grande capacité pour limiter les coûts de génie civil. C’est pourquoi l’industrie s’est orientée vers la densification, et la minia- turisation des câbles tout en préservant leurs performances optiques. La figure 12 fournit des exemples de ces câbles à très forte contenance et diamètre réduit. La mise en œuvre des fibres insen- sibles à la courbure (G.657.A2 à tran- chée optique) avec des revêtements 14 Nœud de raccordement d’abonnés. de dernière génération et associée à des conceptions de câbles innovantes (structure à base de micro-modules Flextube® , par rapport aux structures libres) a permis de réaliser des câbles de diamètre réduit à très forte contenance. Outre les avantages en termes d’en- combrement, ces nouvelles techniques permettent une mise en œuvre de tels câbles plus facile comme illustrée sur la figure 13. Les câbles à forte contenance ne sont pas forcément possibles à réaliser avec n’importe quel type de fibre G.657 car les performances en micro-courbure ne sont pas les mêmes selon les pro- fils d’indice mis en œuvre ainsi que les revêtements. Ainsi les structures basées Figure 12 : Exemples de câbles à forte contenance (864 fibres) et à diamètre réduit pour pallier la congestion des conduites. Figure 13 : Comparaison d’encombrement de câbles à base de tube à structure libres (gauche) et à base de micromodules (droite) mettant en œuvre des fibres G.657.A2. REE N°1/2015 109 La fibre optique : retour sur 50 ans de développement : Où en sommes-nous aujourd’hui ? sur la tranchée (G.657.A2) donnent les fibres les plus à même d’assurer l’atté- nuation optique dans toutes les bandes optiques actuellement utilisées ou en cours de normalisation. Les solutions de déploiement des réseaux FTTH sont spécifiques à chaque pays : il est nécessaire de proposer plu- sieurs solutions de déploiement (par soufflage, par solution rétractable15 , câbles à faibles diamètres…) et de déve- lopper des solutions spécifiques. De par sa résistance aux pertes induites par macro-courbures et micro-courbures, la fibre G.657.A2 a permis de dévelop- per toute une gamme de solutions inno- vantes pour le déploiement des fibres tant pour les réseaux de distribution, que pour le câblage intérieur. Par exemple, on peut citer un câble contenant des nano-câbles pouvant être rétractés sur plus de 100 mètres et ainsi extraits du câble et être utilisés aussi bien en extérieur qu’en intérieur [7]. Ce nano-câble est flexible et facile à manipuler, tout en étant suffisamment rigide pour son installation. Défis pour le futur Face à la croissance continue de la demande en capacité de transmission, de nouvelles solutions sont à l’étude, plus particulièrement le multiplexage spatial. L’idée est d’augmenter la capa- cité de transmission en utilisant diffé- rents canaux de propagation dans une même fibre. Ceci peut être mis en œuvre avec une fibre possédant plu- 15 Les solutions d’installations dites rétractables permettent un déploiement plus rapide et facile tout en réduisant les coûts de main d’œuvre par rapport aux solutions tradition- nelles. Ces solutions emploient un câble spécial contenant plusieurs modules de fibres optiques. Ces modules sont conçus pour être sectionnés à n’importe quel endroit le long du câble puis extraits (ou rétractés) depuis n’importe quelle autre position. Le module ainsi extrait peut ensuite être routé ou soufflé à travers des micro-conduites pour être direc- tement raccordés dans les locaux du client. LES AUTEURS Lionel Provost est diplômé de l’institut national des télécommunications (Telecom-Sud Paris) et est titulaire d’une thèse de doctorat obtenu au centre ORC (Université de Southampton, R.-U.). En 2000, il rejoint Alcatel en tant qu’in- génieur de recherche dans les fibres optiques pour composants. En 2003, il in- tègre la société Avanex en tant ingénieur recherche et développement. En 2008, il entre chez Draka, maintenant Prysmian Group, en tant qu’ingénieur applica- tion, puis en charge des produits fibres optiques pour la zone EMEA. En 2012, il devient responsable de la ligne produit pour les fibres monomodales. Pierre Sansonetti est ingénieur diplômé de École polytechnique et de l’École nationale supérieure des télécommunications, Paris. En 1981, il rejoint le Centre national d’études des télécommunications sur l’étude des fibres optiques mono- modales, puis l’intégration monolithique laser-modulateur. En 1987, il entre chez Bertin où il travaille sur les capteurs à fibres optiques. En 1992, il intègre Alcatel Alsthom Recherche sur l’étude des fibres monomodales ainsi que des filtres photo-inscrits. En 2002, il rejoint la Division fibre optique d’Alcatel comme res- ponsable des Programmes R&D. Depuis 2004, il a été responsable de la R&D Produits Fibres chez Draka puis Prysmian où il est maintenant en charge des collaborations et projets externes Laurent Gasca est diplômé en sciences de l’Ecole supérieure de physique et chimie industrielles de Paris (ESPCI ParisTech) et titulaire d’un MBA de l’Univer- sité de Panthéon-Sorbonne, Paris. Il rejoint Alcatel en 1993 et occupe plusieurs postes en recherche, industrialisation, qualité. Il est l’auteur ou co-auteur de plus de 30 brevets et de nombreux articles dans des revues scientifiques. Il a été élu membre éminent de l’Académie technique Alcatel. En 2007, il rejoint Draka en tant que gestionnaire de la ligne de produit de fibre monomode. Il est actuelle- ment technique Sales Support Manager pour Solution Telecom en France pour Prysmian Group. Alain Bertaina est diplômé de l’Ecole supérieure d’optique (1995) et titulaire d’un doctorat en optique et photonique de l’université d’Orsay - Paris XI (2000). En 1997, il rejoint Alcatel en tant que chercheur sur les transmissions optiques, avant de prendre des fonctions de responsable produit fibre et systèmes WDM haut-débit. En 2008, il entre chez Draka, maintenant Prysmian Group, en tant que responsable pour la ligne produit fibre monomodale. Depuis fin 2013, il est en charge du support technique pour la branche solutions télécoms. Jean-Pierre Bonicel est diplômé en science des matériaux de l’Institut des sciences de l’ingénieur de Montpellier - Polytech (France). Il a rejoint en 1977 les Câbles de Lyon où, après avoir œuvré sur les solutions cuivre, il a participé au développement précoce de câbles de fibres optiques. Auteur de nombreux brevets, Il détient plusieurs postes de direction chez Alcatel en France et aux USA et ensuite chez Draka, en ingénierie, opérations, marketing et ventes. Il est actuel- lement directeur technique pour Prysmian Group Telecom Solutions, président d’Objectif fibre, président du Comité directeur Télécom du SYCABEL. 110 REE N°1/2015 CÂBLES ET INFRASTRUCTURES OPTIQUESDOSSIER 2 sieurs cœurs, ou une fibre pouvant pro- pager plusieurs modes. L’augmentation de l’efficacité spectrale de transmission exprimée en bit/s/Hz a déjà été démon- trée pour ces différentes structures [8]. Aujourd’hui, le produit capacité de trans- mission par la distance, paramètre clé, a été amélioré par rapport à la fibre monomodale seulement pour une fibre multi-cœurs. Par rapport à une fibre propageant plusieurs modes, celle-ci souffre cependant de la limitation du nombre de cœurs nécessaire pour gar- der un diamètre de fibre tolérable, et également d’un procédé de fabrication complexe. Quant à la mise en œuvre de telles fibres, tous les aspects de raccor- dement ne sont pas encore résolus. Conclusion Après 50 ans de développement des fibres optiques pour les télécom- munications, deux grands types sont aujourd’hui majoritairement utilisés pour le réseau terrestre : la fibre G.652.D principalement pour les réseaux métro- politains et longue distance et la fibre G.657.A2 pour le réseau d’accès. Cette dernière, récemment développée, est compatible avec la fibre G.652.D, tout en ayant des pertes par courbure et micro-courbure plus faibles. Cette fibre « robuste en courbure » satisfait bien les contraintes de déploiement et d’ex- ploitation du réseau d’accès et per- met le développement de solutions innovantes. Son utilisation est grandis- sante. De nouvelles fibres font l’objet de recherche pour faire face à l’aug- mentation constante de capacité des réseaux. Pour continuer à satisfaire la demande des réseaux de télécom- munications, les études sur les fibres optiques doivent ainsi continuer aussi bien pour constamment améliorer leurs coûts de fabrication, leurs perfor- mances, et leur fiabilité, que pour en développer de nouvelles. Références [1] C. K. Kao et G. A. Hockham, “Di- electric-fibre surface waveguides for optical frequencies”, Proceedings IEE, vol. 113 (7), pp. 1151-1158, 1966. [2] F. P. Kapron et al., “Radiation losses in glass optical waveguides”, Applied Physics Letters, vol. 17(10), pp. 423- 425, 1970. [3] T. Miya et al., “Ultimate low loss single mode fibers at 1.55 µm”, Electron. Lett., vol. 15, pp. 106-108, 1979. [4] E. Desurvire, Erbium-Doped Fi- ber Amplifiers: Principles and Ap- plications, Wiley-Blackwell, 2002. [5 L.-A. de Montmorillon et al., “Next Generation SMF with reduced bend sensitivity for FTTH net- works”, chez Proceedings of the European Conference on Optical Communications, papier Mo.3.3.2, Cannes, 2006. [6] B. Overton et al., “Reduced Diameter Optical Fiber and Cable”, chez IWCS: The International Cable Connectivity Symposium, papier 5.2, 2010. [7] A. Bertaina et al., “End to End De- ployment solutions adressing Size Reduction for an economically and environmentally efficient FTTH deployment in OSP and MDU”, chez Proceedings of the International Wire & Cable and Connectivity Conference, papier 4.1., 2010. [8] P. Sillard, “Next Generation Fibers for Space Division Multiplexed Transmission”, chez Proceedings of the European Conference on Optical Communications (ECOC), Tutorial Tu 4.1.1, Cannes, 2014.