Communication de données optiques

Une alternative moderne à l'envoi d'informations numériques (binaires) via des signaux de tension électrique consiste à utiliser des signaux optiques (lumineux). Les signaux électriques des circuits numériques (hautes/basses tensions) peuvent être convertis en signaux optiques discrets (lumière ou pas de lumière) avec des LED ou des lasers à semi-conducteurs. De même, les signaux lumineux peuvent être retransformés sous forme électrique grâce à l'utilisation de photodiodes ou de phototransistors pour l'introduction dans les entrées des circuits de porte.

La transmission d'informations numériques sous forme optique peut se faire à l'air libre, simplement en pointant un laser sur un photodétecteur à distance, mais des interférences avec le faisceau sous forme de couches d'inversion de température, de poussière, de pluie, de brouillard et d'autres obstructions peuvent se présenter. problèmes d'ingénierie importants :

Une façon d'éviter les problèmes de transmission de données optiques en plein air consiste à envoyer les impulsions lumineuses dans une fibre de verre ultra-pure. Fibres de verre « conduira » un faisceau de lumière tout comme un fil de cuivre conduira des électrons, avec l'avantage d'éviter complètement tous les problèmes associés d'inductance, de capacité et d'interférences externes qui affectent les signaux électriques. Les fibres optiques maintiennent le faisceau lumineux contenu dans le noyau de la fibre grâce à un phénomène connu sous le nom de réflectance interne totale .

Une fibre optique est composée de deux couches de verre ultra-pur, chaque couche étant constituée de verre avec un indice de réfraction légèrement différent , ou capacité à « plier » lumière. Avec un type de verre en couches concentriques autour d'un noyau de verre central, la lumière introduite dans le noyau central ne peut pas s'échapper à l'extérieur de la fibre, mais est confinée à voyager à l'intérieur du noyau :

Ces couches de verre sont très fines, le « revêtement » extérieur étant généralement de 125 microns (1 micron =1 millionième de mètre, soit 10 ^-6 mètre) de diamètre. Cette finesse confère à la fibre une souplesse considérable. Pour protéger la fibre des dommages physiques, elle est généralement recouverte d'un mince revêtement en plastique, placé à l'intérieur d'un tube en plastique, enveloppé de fibres de kevlar pour la résistance à la traction, et doté d'une gaine extérieure en plastique similaire à l'isolation des fils électriques. Comme les fils électriques, les fibres optiques sont souvent regroupées dans la même gaine pour former un seul câble.

Les fibres optiques dépassent les performances de traitement des données du fil de cuivre à presque tous les égards. Ils sont totalement insensibles aux interférences électromagnétiques et ont des bandes passantes très élevées. Cependant, ils ne sont pas sans certaines faiblesses.

Effets de la microcourbure dans la fibre optique

Une faiblesse de la fibre optique est un phénomène connu sous le nom de microbending . C'est là que la fibre est pliée autour d'un rayon trop petit, ce qui fait que la lumière s'échappe du noyau interne, à travers la gaine :

Non seulement la microcourbure entraîne une diminution de la force du signal en raison de la perte de lumière, mais elle constitue également une faiblesse de sécurité dans la mesure où un capteur de lumière placé intentionnellement à l'extérieur d'un virage serré pourrait intercepter les données numériques transmises sur la fibre.

Modes en fibre optique

Un autre problème propre à la fibre optique est la distorsion du signal due à plusieurs chemins lumineux, ou modes , ayant des distances différentes sur la longueur de la fibre. Lorsque la lumière est émise par une source, les photons (particules lumineuses) ne parcourent pas tous exactement le même chemin. Ce fait est manifestement évident dans toute source de lumière non conforme à un faisceau droit, mais est vrai même dans des dispositifs tels que les lasers.

Mode Unique

Si le cœur de la fibre est suffisamment petit (environ 5 microns de diamètre), les modes lumineux sont limités à un seul trajet d'une longueur. La fibre ainsi conçue pour ne permettre qu'un seul mode de lumière est connue sous le nom de fibre monomode. Parce que la fibre monomode échappe au problème d'étirement des impulsions rencontré dans les longs câbles, c'est la fibre de choix pour les réseaux longue distance (plusieurs kilomètres ou plus). L'inconvénient, bien sûr, est qu'avec un seul mode de lumière, les fibres monomodes ne conduisent pas autant que les fibres multimodes. Sur de longues distances, cela exacerbe le besoin d'unités « répéteurs » pour augmenter la puissance lumineuse.

Fibre multimode

Si le cœur de la fibre optique a un diamètre suffisamment grand, il supportera plusieurs chemins pour le déplacement des photons, chacun de ces chemins ayant une longueur légèrement différente d'une extrémité de la fibre à l'autre.

Puls stretching

Une impulsion lumineuse émise par la LED empruntant un chemin plus court à travers la fibre arrivera au détecteur plus tôt que les impulsions lumineuses empruntant des chemins plus longs. Le résultat est une distorsion des fronts montant et descendant de l'onde carrée, appelée étirement d'impulsion . Ce problème s'aggrave à mesure que la longueur totale de la fibre augmente :