Les communications filaires ont pour but de relier plusieurs personnes à un réseau global local, national ou mondial. Les débuts de la liaison filaire étaient destinés à la recherche scientifique ainsi qu’à l’éducation. Les premiers réseaux de communication sont ceux téléphoniques, dédiés à la communication vocale entre deux personnes, expérimenté tout particulièrement aux Etats Unis. Ces pratiques sont les préliminaires des systèmes de communication mondial voir… inter-planétaire via les satellites de télécommunication (communication avec les sondes en service sur la planète mars, entre les sondes posées sur des comètes, mais également entre les dispositifs en orbite…). Ces essais ont permit aux technologies de transfert de données de gagner en maturité pour aboutir à un standard, la “prise en T” ou plus officiellement la prise RTC. Ce standard développé en France comme dans d’autre pays a permis les communications par téléphone (les téléphones analogiques) et fut installé par France Telecom jusqu’en 2003. C’est cette prise qui a permis le fonctionnement du réseau Minitel, invention fièrement portée par la France et coupé depuis quelques années déjà. Cette prise supportée également les communications par faxe, technologie dépendante d’une impression papier des caractères (l’ancêtre de l’écran, en quelque sorte). Cette prise portée le nom de “prise gigogne” en référence à ses multiples fonctions qui étaient possible via la superposition d’adaptateur. L’évolution de cette prise s’appelle 8P8C et est dite plus communément prise RJ45. Cette évolution marque le début des communications denses, c’est en particulier le support de la connexion internet filaire par ADSL.

La prise en T, à la forme si identitaire pour beaucoup d’entre nous.

C’est en 1999 que la première offre ADSL est parue. La technologie reposait sur le réseau filaire cuivré (toujours grandement utilisé et qui couvre tout le territoire français). Ce dernier est possible grâce au cuivre, matériau qui propose une bonne conductivité pour un prix qui a permis son déploiement massif. Les répartiteurs, les infrastructures sous les routes et les constructions qui permettent de déployer le câble internet vers les logements sont tant d’éléments exploités de nouveau par les opérateurs pour amener la fibre chez les usagers.

C’est donc depuis 2008 que le réseau par fibre optique est développé. Ce réseau de communication à pour vocation première d’améliorer drastiquement les débits de connexion au réseau Internet afin d’assurer un flux de donnée assez dense pour assister pleinement les hautes technologies actuelles et en développement. À l’heure actuelle et au vu des investissements massifs, on considère que 8 prises de fibre optique sont installées chaque seconde en France. Cela permet d’avoir en ce jour plus de 8 millions de foyer éligible à ce réseau filaire. Ce dernier a pour vocation de remplacer le réseau cuivré qui atteint ses limites de débit et de latence. La fin progressive de son support et son démantèlement est prévu pour 2030 par le propriétaire des infrastructures, Orange. Ce dernier souhaite d’ailleurs récupérer le cuivre des câbles pour le vendre et que ce matériau recherché puisse obtenir une seconde vie. L’infrastructure du réseau cuivré est plus lourde que celle de la fibre optique car le réseau doit être coupé très fréquemment afin d’amplifier et de garder la qualité du signal. C’est une pratique toujours réalisée par la fibre mais à l’importance moins majeure pour assurer un réseau qualitatif. Ces interruptions sont réalisées dans des armoires (moins fréquemment, ce sont des pièces entière qui y sont consacrées). Ces infrastructures nommées “répartiteur” ont pour fonction de dispatcher le réseau vers les foyers et d’assurer un débit décent à l’utilisateur. Dans le cas de la fibre optique, des composants traduisent les variations du signal analogique de la lumière en une suite logique de 0 et de 1 (numérique). Une fois cette étape réalisée, d’autre composants réinjectent un signal analogique dans le même câble afin de maintenir un bon signal et d’éviter les erreurs de traduction à cause de perturbations externes.

Les Nœud de Raccordement Optique (NRO) correspondent à de gros réseaux aux débits extrêmement importants. C’est l’équivalent d’une autoroute à l’information, elle doit être fluide donc droite et le moins possible paralysée. Ce sont des réseaux sensibles car ils gouvernent tous les autres. Ces réseaux de collecte ont   comme des autoroutes  des péages en parallèle. Ces branchements en parallèle permettent de dévier l’information vers des sous répartiteurs optique (SRO). Il en existe plusieurs niveaux (classé sous le forme d’une hiérarchie) en fonction de leur importance. Les plus grosses entreprises qui demandent un réseau extrêmement fiable et performant ont des liaisons directs entre les sous répartiteurs et leurs locaux. La complexité du réseau étant moindre, la qualité de ce dernier est meilleure. Cependant, pour offrir la fibre et plus généralement internet filaire à un marché massif celui des petites entreprises et du grand public plusieurs déviations sont effectuées afin de garder homogénéité des débits et raccordement fiable. Ces déviations aboutissent à des réseaux plus petits, qui possèdent chacun un débit moins important car ils desservent une population plus restreinte (quelques centaine d’habitation, au maximum). Le bout du réseau aboutit soit à des Points de Branchement Optique (PBO) installés dans les bâtiments, soit à des Prises de Terminale Optique (PTO). Le premier type de prise est dédié aux bâtiments qui comportent plusieurs logements privés afin que chaque utilisateur soit raccordé à une prise finale, la Prise Terminale Optique (PTO). Dans les quartiers aux logements séparés, le réseau fibré aboutit directement à des prises terminal optique. Ces prises sont reliées à des routeurs, le plus souvent fournis par les opérateurs.

L’ensemble de ce réseau est déployé au fil des années et les liaisons les plus proches des habitations sont les plus complexes et lente à mettre en place. Les contraintes et défauts des habitations ralentit souvent les travaux, qui prennent du retard, sans compter les pannes et les maintenances régulières du réseau filaire qui doivent être effectué. De quoi justifier le prix de nos forfaits Internet…

Maintenant que nous avons abordé l’historique du réseau filaire, son déploiement et les caractéristiques principales du cuivre et de la fibre, étudions plus en détail le fonctionnement de la fibre optique, titre de ce papier.

La fibre optique a pour avantage premier sa très faible sensibilité aux ondes électromagnétiques. De ce fait, le signal est beaucoup moins paralysé sur de grandes distances, ce qui limite grandement les infrastructures que requiers les communications filaires. Cette qualité est particulièrement exploitée par la fibre monomode, qui sont des réseaux filaires qui s’établissent sur des distances très importante (par exemple dans les océans, pour communiquer entre les continents). La fibre monomode est la plus couteuse, elle repose sur l’émission lumineuse dans un câble en fibre optique, câble qui a pour propriété première la transmission des signaux lumineux. Cette émission lumineuse est directe et ne percute nullement les parois qui limitent la fibre, cette dernière étant encore plus fine que l’épaisseur d’un cheveu. Cette technique permet de garder la puissance du signal sur des distances très lointaine, sur un kilomètre, ce sont 100 gigabits qui peuvent transiter. Sa mise en place est onéreuse et est réservé aux longues distances.

La fibre multimode accuse quand à elle un coût de production et de mise en place plus faible. C’est cette prise qui est utilisée pour relier les particuliers et les entreprises de taille petite à moyenne au très haut débit. Le signal est lui aussi envoyé par une LED, de puissance moindre. Les données analogiques sont réfléchies une infinité de fois sur les parois de la fibre, c’est ainsi que la propagation s’effectue. Il est donc impossible de déterminer où se situera la donnée lumineuse dans la fibre elle même. Les débits et surtout la portée de l’information est quand à elle, moindre, il est question d’environ 1 gigabits par kilomètre.

Si la conduction lumineuse est simple pour la fibre monomode car il s’agit uniquement d’un signal qui transite et qui a tendance à être dirigé vers le bas pour bien anticipé les irrégularités du câble, la fibre multimode prend en compte un paramètre particulier, la réfraction. La réfraction correspond à un indice lié à la déviation lumineuse. Chaque matériau possède sa propre réfraction. Cet indice est en quelque sorte un angle qui correspond à l’inclinaison de la lumière après avoir traversé un matériau. Prenons pour exemple un verre rempli d’eau dans lequel une tige est plongée. Cette tige parait à l’œil cassée, hors il n’en est rien en vérité. Cet effet d’optique s’explique par la réfraction de la lumière dans l’eau qui modifie la perception visuelle de la tige. C’est cette modification qui est interprété par notre cerveau comme une cassure. Ce principe de réfraction est fondamental pour la fibre multimode. En effet, c’est la réfraction du cœur (la partie circulaire en bleu sur l’image ci-dessus) de la fibre qui est responsable de l’incessante modification de trajectoire du flux lumineux. Ce dernier est en mesure de rebondir sur les parois (la gaine, de couleur orange sur l’image ci dessus) car ces dernières sont constituées d’une matière qui possède un indice de réfraction beaucoup plus faible. Le cœur de la fibre est constitué d’une matière très pure, afin de limiter le plus possible les altérations du signal. Il est question d’un silice (corps solide qui entre dans la composition de nombreux minéraux) très pure comportant un minimum d’ions hydroxyles afin de limiter le plus possible toute perturbation. L’indice de réfraction du cœur est accru via l’incorporation de germanium et de phosphore. La gaine est pour sa part composée d’un silice moins précieux et sa réfraction est amoindrit via le bore et le fluor ajouté lors de la production.

L’émission d’un signal dans le câble optique est dépendant d’une transformation. En effet, il faut passer d’un signal électrique à un signal lumineux. La fibre monomode utilise des lasers qui sont capables de concentrer les photons sur un point afin d’amplifier le signal. L’intérêt est de pouvoir transporter l’information sur des distances lointaine. Les lasers utilisés émettent sur une longueur d’onde comprise entre 1310 et 1550nm. Nous sommes donc dans le domaine de l’infrarouge.
Pour la fibre multimode, il est question de deux technologies distinctes, celle des diodes électroluminescentes qui émettent proche de l’infrarouge, 850nm, et des diodes infrarouges qui émettent à 1300nm.

Pour permettre la conversion, deux solutions existent, celle de la modulation directe et celle de la modulation externe.
La modulation directe consiste à transformer un signal numérique binaire en une fluctuation d’intensité lumineuse. Pour se faire l’alimentation électrique du composant qui transforme l’énergie électrique en énergie lumineuse (DEL, diode infrarouge ou laser) varie entre deux points, ce qui en conséquence diminue ou augmente l’intensité de la lumière. En fonction de variables définie au préalable, l’électronique assistée par informatique est en mesure de déduire du signal un code binaire et de le transformer en information numérique. Mais cette technique n’est que très peu utilisée à cause d’un défaut bien particulier. La variation de l’intensité lumineuse fait fluctuer également le spectre d’émission de la lumière. Ce défaut a des conséquences assez technique sur le transport des données ce qui amène l’utilisation majoritaire de la seconde technique.
Cette seconde technique repose sur l’interféromètre de Mach Zehnder. 

Interféromètre de Mach Zehnder.

Le principe est de séparer en deux une lumière au niveau de “BS1”. 50% de la lumière est transmise par le chemin rouge, l’autre moitié par le chemin jaune. Les points M1 et M2 correspondent à un changement d’angle via un miroir pour modifier la direction de la lumière. Les deux faiseaux lumineux se rejoignent au point BS2 et ces ondes interfèrent. La courbe résultant de ce principe permet une mesure très précise des données transmises par la lumière. C’est donc en fonction de la modification de facteurs spécifiques dans le système que nous sommes en mesure de transmettre une information binaire sous forme lumineuse. Les sources de ce papier comportent des documents annexes de rédaction d’autrui qui préciseront plus en détail le fonctionnement technique de cet interféromètre.

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