Chers lecteurs, le bon vieux temps se conjugue au présent. Jamais les solutions techniques n'avaient été aussi nombreuses pour les concepteurs de systèmes audiovisuels dans les équipements analogiques et numériques. L'un des nouveaux jouets les plus intéressants pour la distribution de signaux est la transmission sur fibre optique numérique RVBHV. Les systèmes de transmission sur fibre optique en place utilisent généralement l'analogique. Nos premiers pas dans la transmission sur fibre optique numérique sont palpitants car ils marquent l'entrée dans une ère de performances supérieures et de nouvelles fonctionnalités à des prix compétitifs voire plus attrayants que les systèmes analogiques existants.
Jusqu'à maintenant, la transmission sur fibre optique supportant des images à large bande ne pouvait être réalisée de façon économique qu'en utilisant des techniques analogiques. L'expression « de façon économique » est bien sûr relative. Au sein de ce que la plupart des professionnels désignent comme un environnement d'installation audiovisuelle normal, le câble fibre optique offre un bon rapport qualité/prix ; mais si l'on remonte dans le temps, les systèmes fibre optique étaient dans l'ensemble extrêmement coûteux, excepté pour les applications où leurs fonctions de sécurité et leurs distances étendues étaient d'une grande nécessité.
Au risque de vous surprendre, la distribution sur fibre optique ne nous est pas entièrement inconnue. De nombreuses personnes ne savent pas que nous avons utilisé des systèmes de transmission sur fibre optique pour augmenter les connexions composite, composante HD, et RVBHV « longue distance », lors de l'événement InfoComm Projection Shoot‑Out®. Un petit groupe de fournisseurs d'équipements fibre optique a répondu convenablement à nos besoins, bien que des enjeux associés à l'efficacité opérationnelle de ces systèmes analogiques se soient présentés.
Une grande partie des connaissances que vous avez acquises sur les systèmes analogiques sur fibre optique reste valable. Lors du déploiement d'un système de transmission sur fibre optique, de nombreuses décisions importantes doivent être prises au sujet des composants. Le câble fibre optique, tout comme le câble coaxial, est un facteur majeur de conception, de même que les connecteurs, les émetteurs, et les récepteurs. La transmission numérique par fibre optique nous impose d'examiner les choses sous un angle quelque peu différent, mais les principes fondamentaux correspondent bien à nos précédentes discussions sur la distribution de signaux et de protocoles numériques, tels que l'HD‑SDI.
Dans cet article, je souhaiterais aborder des notions essentielles associées au câblage fibre optique afin de donner le ton à ce qui deviendra probablement un débat continu sur la transmission numérique par fibre optique.
Nouveau régime à base de fibre
De toute évidence, la fibre optique fait progressivement partie de notre nouveau régime de produits et, avec l'effervescence des performances à bande passante supérieure, des nouvelles fonctionnalités, et des mises en œuvre à moindre coût, il y a des chances qu'elle appartienne bientôt à votre régime audiovisuel. Commençons donc par le câble fibre optique. Des discussions sur les connecteurs et les équipements sont à venir, mais que vous utilisiez des composants d'interface analogiques ou numériques, sachez que beaucoup reste à faire pour comprendre le câblage fibre optique et la manière dont il influe sur les capacités de transmission sur fibre optique.
Monomode vs Multimode
À première vue, seules deux options seraient disponibles pour la fibre : le monomode ou le multimode. Les pratiques courantes associaient la fibre monomode au laser et la fibre multimode au LED. Bien que cette distinction soit généralement appropriée, les nouvelles formules à base de fibre optique offrent plusieurs nouvelles options et combinaisons entre un câble et une source.
Observez la façon dont la diode VCSEL émet de la lumière depuis sa surface et non sur ses extrémités, par rapport aux précédentes diodes laser. Une telle architecture facilite les tests sur plaquette.
La diode laser à moindre coût représente une avancée majeure, ouvrant de nouvelles voies aux technologies sur fibre optique. Connues sous l'acronyme VCSEL, ces diodes laser à cavité verticale émettant par la surface remplacent à grands pas le LED dans les nouvelles installations réseau. Les diodes VCSEL de 1310 nm sont employées avec des longueurs d'onde plus étendues offrant les meilleures performances de bande passante, mais sont environ trois fois plus chères que les versions à 850 nm. Même pour les projets ayant un budget modeste, les VCSEL à 850 nm remplacent rapidement les LED et fournissent des performances de niveau Gigabit Plus.
Indépendamment de la source de lumière, la structure sur fibre optique repose sur l'enrobage d'un « conducteur » en verre extra‑pur d'un petit diamètre, appelé le « cœur », dans une gaine faite de verre qui ajuste le diamètre du conducteur final à 125 micromètres (µm). D'autres couches et protections extérieures permettent de protéger la fibre tout en augmentant sa robustesse lors de sa manipulation et de son installation.
Le terme « mode » fait référence au nombre apparent d'ondes lumineuses se propageant à l'intérieur du cœur de la fibre. Le mode principal correspond à l'énergie lumineuse la plus intense qui traverse la partie centrale de la fibre. La lumière peut entrer dans la fibre à un angle donné et rebondir contre ses parois lorsqu'elle se propage. Les ondes lumineuses qui rebondissent de façon aléatoire contre les parois de la fibre atteignent le détecteur de réception à des intervalles de temps légèrement différents. Chaque réflexion de l'onde lumineuse à l'intérieur de la fibre est appelée mode.
Le cœur d'un câble monomode a un diamètre très fin, d'environ 8 ‑ 9 µm, ce qui est à peine supérieur à la longueur d'onde de la lumière qui le traverse. De ce fait, l'énergie lumineuse se propage généralement comme une seule onde ne créant aucune réflexion notable, ou mode, qui dégraderait les performances au niveau du détecteur de réception. Pour cette raison, la fibre monomode peut fournir la bande passante la plus large et les distances de transmission les plus longues. Regardez l'illustration du bas dans la figure 1.
De manière générale, le cœur de la fibre multimode possède un diamètre beaucoup plus important que celui de la fibre monomode tandis que la gaine et la protection permettent de compenser pour maintenir un diamètre de câble globalement concurrentiel. Généralement disponible avec des diamètres de cœur de 50 µm ou 62,5 µm, l'alignement multimode avec l'émetteur est plus flexible bien que les réflexions de lumière créent des modes sur toute sa longueur. Regardez les illustrations du haut dans la figure 1.
L'effet cumulatif de plusieurs modes est appelé « dispersion ». Le détecteur de réception interprète la dispersion comme une gigue du signal. Comme avec les autres formats de signaux numériques série, le diagramme de l'œil est utilisé pour analyser la qualité de la transmission (voir figure 2a). La présence d'une dispersion réduit la largeur du diagramme de l'œil. Par ailleurs, la largeur de la fibre, les interfaces des connecteurs, et les courbures de câbles affectent l'amplitude finale du signal perçue par le détecteur de réception (voir figure 2b). Ces effets cumulatifs atténuent le signal et sont donc à l'origine d'une réduction dans l'amplitude de l'œil. Lorsqu'elles sont combinées, l'amplitude et la dispersion sont deux principaux paramètres limitant la bande de fréquence et la distance de transmission.
Sans tenir compte du type de la fibre (monomode ou multimode), celle‑ci est recouverte d'une enveloppe de verre conçue pour contenir un pourcentage élevé de l'onde lumineuse dans la structure en fibre. Le diamètre total de verre pour tous les câbles fibre optique professionnels est de 125 µm, et correspond au second identifiant numérique pour le câble (ex : 8/125, 50/125, ou 62,5/125). La gaine a un indice de réfraction différent de celui du cœur de la fibre. Elle réfléchit la lumière hors de l'axe vers l'intérieur de la fibre. Alors que le conducteur de fibre possède un indice de réfraction uniforme, la gaine utilise généralement un indice plus faible. Le changement soudain d'indice de réfraction est appelé fibre à « saut d'indice » (voir figure 3).
La majorité des câbles fibre optique monomode et certains câbles multimode utilisent une structure à saut d'indice. Dans la mesure où les ondes lumineuses traversent une fibre monomode avec un léger rebond sur la gaine, la perte par réflexion associée à une fibre monomode à saut d'indice est généralement faible. Le câble multimode est une autre affaire. Les câbles multimode à saut d'indice présentent une dispersion plus élevée, en raison des nombreux modes créés via des réflexions provenant du changement soudain de réfraction entre le cœur de la fibre et sa gaine. C'est un peu comme regarder la répétition des images dans les miroirs d'un palais du rire, plusieurs réflexions dégradent la performance du système, autrement dit la distance de transmission.
Pour améliorer la performance d'un câble multimode, le cœur peut être enveloppé d'une gaine composée de cinq ou six couches de dépôts de verre avec des indices de réfraction toujours plus faibles. À proximité du cœur, l'indice de réfraction de la gaine est le plus élevé. Lorsque la lumière se propage dans chaque couche de la gaine, l'indice de réfraction diminue. Cet indice de réfraction variable « dirige » la lumière dans un angle très mince aux limites extérieures de la gaine. Du fait de cet angle, la lumière est déviée vers les limites extérieures puis se propage de nouveau vers le cœur. Ce chemin nouvellement emprunté à travers les indices de réfraction croissants redirige la lumière sur le chemin principal à l'intérieur du cœur. La lumière est essentiellement courbée sous la forme d'un arc qui rejoint l'onde principale, réduisant ainsi le nombre de modes perçu par le détecteur de réception. Résultat : une dispersion plus faible et une bande passante plus élevée. Ce type de fibre multimode est appelé « à gradient d'indice » (voir figure 4).
Paramètres essentiels de la fibre optique
La transmission sur fibre optique dépend de la distance et du débit de données. La caractérisation des modes et de la dispersion dans la transmission sur fibre optique est résumée par le paramètre de bande passante modale, exprimé comme fréquence en MHz multipliée par la distance en kilomètres, ou MHz*km. Une caractéristique MHz*km plus élevée assure de meilleures performances. Tout comme le câble coaxial, pour lequel on recherche une atténuation précise en dB à une fréquence de référence (disons 100 MHz) pour une distance spécifique (généralement 100 mètres ou pieds), le paramètre de bande passante modale utilisé avec les fibres multimode et monomode offre un bref aperçu des performances attendues sans les effets d'autres éléments, comme les connecteurs, les séparateurs, et les épissures.
Par exemple, une fibre d'une valeur nominale de 500 MHz*km peut transporter un débit de données de 500 MHz sur un kilomètre. Lorsque la fréquence ou le débit de données augmente, la distance de transmission diminue. À 1 GHz, la distance de transmission est de 500 mètres, etc.
Qu'en est‑il de l'atténuation ? Nous sommes habitués à ce concept dans les câbles en cuivre. Comment cela s'applique‑t‑il dans un câble fibre optique ? Le tableau 1 énumère les paramètres internes et externes qui influent sur l'atténuation de la fibre optique. Les longueurs d'onde de lumière les plus courantes sont 850 nm et 1310 nm, dans l'infrarouge, avec la longueur d'onde la plus étendue produisant une atténuation plus faible. L'atténuation due par exemple à la perte du câble et à la connectivité est mesurée en dB, comme avec les câbles en cuivre. Dans les applications audiovisuelles standard, il y a fort à parier que l'atténuation de la fibre optique soit moins importante que la bande passante du système. À moins que votre application ne nécessite des distances de transmission couvrant plusieurs kilomètres, l'atténuation du câble fibre optique n'aura que très peu d'importance dans l'installation par rapport aux émetteurs et récepteurs choisis, ainsi qu'à la qualité de l'installation et du raccordement des câbles.
| Facteurs d'atténuation dans un câble fibre optique | |
|---|---|
| Interne | Externe |
| Variation du cœur | Connecteurs |
| Dispersion | Épissures |
| Micro-courbures | Coupleurs |
| Absorption | Macro-courbures |
| Diffusion | Finitions |
Les procédures d'installation pour le câble fibre optique doivent être strictement respectées pour une performance optimale. À l'instar d'un câble UTP, les fabricants de câbles fibre optique indiquent clairement les méthodes et les procédures d'installation et de gestion. Un pincement involontaire de la fibre peut provoquer une micro‑courbure et une fissure. N'oubliez pas que la fibre est faite de verre ! Le rayon de courbure a une incidence directe sur l'atténuation. Le standard TIA 568 permet un rayon de courbure minimal de 30 mm (1,18") pour deux et quatre câbles à fibre multimode.
L'ouverture numérique (NA) d'un câble fibre optique caractérise son angle maximal d'acceptation de la lumière entrante. Cet angle varie en fonction des indices de réfraction du cœur de la fibre et de sa gaine. Il semblerait souhaitable de disposer d'une fibre avec une large ouverture numérique ; néanmoins, une ouverture numérique trop élevée donne lieu à des modes d'ordre supérieur ou des réflexions plus drastiques du cœur à la gaine. Une ouverture numérique trop élevée aboutit aussi à la propagation de l'énergie lumineuse à travers la gaine ; en d'autres termes, à une dispersion supérieure, une perte d'énergie, et une bande passante plus faible.
Les fibres ayant une ouverture numérique plus basse ont une bande passante plus élevée. Une ouverture numérique plus petite exige des alignements exacts entre la source et la fibre et des raccordements précis. L'utilisation d'émetteurs LED nécessitait autrefois une ouverture numérique plus large de la fibre de 62,5 µm. La puissance de sortie et la conception des nouvelles diodes LED et VCSEL augmentent la performance de la bande passante avec l'ouverture numérique plus faible de la fibre de 50 µm.
Des fibres mal assorties
Que dire des installations mélangeant les types de fibres ? Prenons un exemple : vous trouvez une ancienne fibre de 62,5 µm dans une application où la nouvelle portion de l'installation exige une fibre de 50 µm. Quelles sont les conséquences de l'épissure de deux fibres différentes ? Cela fonctionnerait‑il ?
Le mélange de connexions monomode et multimode n'est pas recommandé. Cependant, l'utilisation de la fibre multimode de 50 µm est en expansion aux États‑Unis, détrônant les câbles de 62,5 µm. S'il est vrai que 50 µm est le standard en Europe, il est maintenant recommandé dans le monde entier pour toutes les nouvelles installations. La fibre de 50 µm a généralement une bande passante plus élevée (sans doute égale à trois fois celle de la fibre multimode de 62,5 µm) et est désormais déployée avec des sources VCSEL pour les réseaux Ethernet Gigabit et 10 GE.
Revenons aux installations mélangeant les types de fibres : si une source laser est utilisée avec un câble multimode, la perte d'insertion aura de faibles conséquences quel que soit le sens de la transmission (ex. : d'un cœur plus large à un plus petit, et inversement). Dans les systèmes basés sur le LED, la transmission disproportionnée d'un cœur plus large à un plus petit a des conséquences plus importantes sur la perte d'insertion dans la mesure où l'onde lumineuse LED utilise l'intégralité de la section transversale du cœur. Les transmissions d'un câble de 50 µm à un câble de 62,5 µm sont moins problématiques que la situation inverse. Un câble de 50 µm est considéré comme compatible avec les systèmes de 62,5 µm. Soyez attentif à votre budget de perte d'insertion et discutez avec le fabricant du câble pour obtenir les meilleurs résultats.
Pourquoi abandonner la fibre de 62,5 µm au profit de la fibre de 50 µm ? Le cœur avec un diamètre plus large a connu rapidement un succès certain pour supporter la première génération de l'Ethernet, compte tenu de son ouverture numérique plus étendue et de sa compatibilité avec le large point de mesure des LED. Par ailleurs, le câble de 62,5 µm fournit une meilleure tolérance à l'assemblage et à l'alignement de connecteurs. Son adoption par les sociétés IBM et AT&T a amené à un usage répandu du câble à une époque durant laquelle les systèmes de raccordement et les LED étaient moins élaborés. Alors qu'aujourd'hui, les caractéristiques des deux câbles ont progressé et les organismes de normalisation sont passés au câble multimode de 50 µm pour la quasi‑totalité des applications réseau qui disposent de réseaux dorsaux haut débit sur de longues distances.
Raccordement de la fibre
Nous n'avons abordé qu'une petite épissure du paradis de la fibre. À l'heure actuelle, le menu des câbles monomode et multimode propose plus de choix que Ben and Jerry's®. N'oubliez pas que la bande passante d'un câble fibre optique se caractérise en grande partie par le paramètre MHz*km et que de nombreuses catégories de fibre sont disponibles en fonction du débit de données et de la distance de transmission que vous exigez. Le prix d'un câble fibre optique est proportionnel à la valeur nominale MHz*km.
Nous, concepteurs d'équipements et de systèmes audiovisuels, devons une fière chandelle aux avancées techniques dans les composants de transmission sur fibre optique tirant leur origine de la nécessité, mère de l'invention : des vitesses de réseaux de données Ethernet plus élevées. S'il est vrai que nous tentons de calmer notre soif de réseaux à plus haut débit, la vitesse fulgurante des puces numériques et des lasers solides a ouvert plus facilement la voie à un nouveau modèle d'éléments graphiques RVB numériques série. Pour les installations de systèmes réseau, la tendance actuelle est aux diodes VCSEL de 850 nm fonctionnant avec une fibre de 50 µm pour les économes et aux VCSEL de 1310 nm avec une fibre monomode ou multimode de 50 µm pour ceux qui doivent aller au‑delà des attentes.
Selon nous, il est important de réfléchir en premier lieu au choix du câble, et la fibre optique n'échappe pas à cette règle. La vaste sélection de fibres sera bénéfique ou néfaste aux performances des meilleurs équipements optiques. Dans les prochaines parties, j'aborderai la connectivité, les émetteurs, et les récepteurs. Comme toujours, chaque portion du système est considérablement utile à la bande passante globale du système et, à terme, à ses performances.
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