Introduction au connecteur fibre optique

Par Steve Somers, Vice‑président Ingénierie

La transmission sur fibre optique de signaux audiovisuels a atteint la maturité. Il est donc temps d'être plus audacieux. Une solution sur fibre optique peut être une bonne idée pour ceux qui sollicitent des applications hautement sécurisées ou assurant des transmissions longues distances. Puis la réalité les rattrape. L'investissement consacré à la solution de transmission sur fibre optique doit être mûrement réfléchi car celle‑ci implique une organisation et une mise en œuvre précises. Quel format de transmission des équipements doit être utilisé : l'analogique ou le numérique ? Des équipements de transmission numérique sont‑ils disponibles ? Cette application nécessite‑t‑elle une fibre multimode ou monomode ? Que faire de la fibre déjà en place du client ? Quels connecteurs fibre optique vais‑je utiliser ?

Dans la dernière édition de la revue en ligne Technically Speaking, j'ai présenté les caractéristiques de base et les aspects à prendre en considération pour un conducteur fibre optique. Dans cette édition, nous étudierons les connecteurs fibre optique Subscriber Connector (SC), Straight Tip (ST), Fixed Connection (FC), et Lucent (LC), leurs applications, leurs performances, et leurs normes de raccordement. Contrairement à l'inébranlable et omniprésent connecteur BNC utilisé dans le câblage coaxial en cuivre dans l'audiovisuel, les connecteurs fibre optique évoluent au même rythme que la maturité de la technologie sur fibre optique. Tandis que les connecteurs en cuivre ont un faible impact sur la perte de signal dans les applications audiovisuelles, les connexions fibre optique ont eux un rôle essentiel à chaque point d'interface d'un système de distribution.

En définitive, les questions relatives à la connexion physique ne doivent pas restées sans réponse. Les équipements de transmission fibre optique détermineront peut‑être la connectivité. Dans d'autres cas de figure, le choix de la connectivité pour la majorité ou la totalité de la distribution sur fibre optique peut vous appartenir. Bien que les pertes des câbles optiques augmentent selon le type et la qualité de la fibre installée, chaque point de connexion transmet une perte définitive. En fonction des choix effectués, les pertes cumulées dans le signal du connecteur pourraient dépasser la perte survenue dans le câble !

Maintenir un budget de perte

Tout comme l'alimentation électrique, l'alimentation optique est généralement mesurée en dB avec ‑3 dB, relatif au niveau de référence de la source, qui représente le point de demi‑puissance. Pour les circuits en cuivre (numériques ou analogiques), on considère qu'à toutes fins utiles, le budget de perte pour les connecteurs est généralement égal à « zéro ». En d'autres termes, la perte ohmique causée par la résistance de contact du connecteur est habituellement minime, par rapport à la perte globale du câble. L'inverse pourrait être vrai dans la majorité des installations sur fibre optique. Pour le câblage fibre optique des applications audiovisuelles inférieur à environ 300 m (1 000'), la perte dans le câble pourrait être facilement en dessous de 3 dB. En fait, la dispersion accrue de la lumière, une autre forme de perte que j'ai abordée dans mon précédent article, prend le pas sur la perte d'atténuation fondamentale. Pour des distributions sur plusieurs kilomètres, la dispersion de la fibre multimode peut devenir importante, à la suite de quoi l'utilisation d'une fibre monomode à perte plus faible peut être décidée.

Dans tous les cas, chaque interface de connecteur rencontrée par le signal distribué implique une perte significative. La perte initiale la plus importante survient le plus souvent au couplage de sortie de la source suivi par le premier raccordement du système. La fonction d'un bon connecteur fibre optique est bien évidemment de réduire les pertes d'interface entre les fibres connectées, pour ainsi maintenir un budget de perte qui garantit la fiabilité du système sur le long terme. La perte d'interface du connecteur est aussi mesurée en dB. Alors que l'interruption du faisceau lumineux représente à elle seule une perte de signal inévitable au niveau de l'interface, en raison du couplage incohérent des extrémités de la fibre optique, d'autres anomalies telles que le mauvais état de la surface des fibres et l'alignement non parallèle de la surface des extrémités peuvent se déclarer, augmentant considérablement les pertes au‑delà du niveau prévu.

La progression de l'objectif de transmission de la fibre laser haut débit soulève une nouvelle crainte pour la structure des raccordements sur fibre optique. Les raccords deviennent extrêmement réfléchissants à des débits de transmission très élevées et nécessitent un entretien particulier comme un polissage angulaire ou sphérique pour minimiser les effets de la perte.

Mais pour être plus précis sur le budget de perte du connecteur, la perte nominale de l'interface du connecteur peut aller d'environ 0,1 dB à 1,5 dB par connexion, selon les conditions prévues d'installation. Compte tenu du nombre de raccordements pouvant être nécessaire de la source jusqu'à une baie de brassage dans un rack d'équipement, des routeurs, et la zone de travail, le budget de perte peut rapidement s'intensifier. Mais qu'en est‑il des conditions inattendues ?

Je suis nominal

Lorsque nous communiquons quotidiennement avec d'autres individus, ne disons‑nous pas automatiquement, ou presque : « salut, ça va ? » La réponse inévitable est « oui, ça va ».

Moi, je réponds : « je suis nominal ». C'est comme une marque de fabrique pour moi. Les gens qui me connaissent bien s'attendent à cette réponse. Les autres sont perplexes. Nominal ? Ça veut dire quoi ? C'est la même chose qu'aller bien ? Ça veut simplement dire que tout est normal et fonctionne selon les conditions moyennes attendues. Pour moi, ça veut dire aller bien, mais vous ne vous en souviendriez pas ni ne vous attacheriez pas à ma réponse si je répondais simplement : « bien ».

Pour les conceptions de systèmes sur fibre optique, nominal veut dire bien. Nous recherchons une conception qui prend en compte les éléments imprévus tout offrant un fonctionnement nominal. Certains appelleraient ça la « marge de conception ». Ou une autre façon de voir les choses est de se préparer au pire et d'espérer mieux la plupart du temps. Je pense que les concepteurs de connecteurs fibre optique ont ça à l'esprit. Les connexions fibre optique incluent de légères tolérances mécaniques avec un mauvais alignement possible de la fibre qui n'échappe généralement pas à la règle.

Une connexion fiable nécessite des extrémités de fibres lisses et alignées d'un point de vue optique. Les positions de bout en bout doivent s'aligner avec précision...et, nous parlons ici de quelques microns, ou de millionièmes de mètres. Rappelez‑vous de ce que j'ai dit dans mon dernier article sur les câbles fibre optique, les diamètres de fibres multimode les plus courants sont 50 et 62,5 microns. La fibre monomode possède un diamètre de 8 à 9 microns uniquement. Comparez ces dimensions au diamètre de la chevelure standard d'un être humain, qui varie de 17 à 180 microns. Un mauvais alignement, ne serait‑ce que d'un cheveu, peut avoir des conséquences désastreuses.

Des tolérances aussi strictes exigent une propreté de l'interface. Dans cet article, certaines photographies représentent un petit manchon couvrant l'embout de la ferrule du connecteur. Les ensembles et les connecteurs fibre optique sont généralement livrés avec un manchon en place pour de bonnes raisons. Une marque de doigt, une poussière, ou une salissure étrangère peut affecter sérieusement la performance du connecteur jusqu'à entraîner l'échec de la transmission. Utilisez ce manchon protecteur si la fibre n'est pas connectée !

Le ferrule sinon rien

Un clivetage approprié des connecteurs fibre optique est essentiel. Dans toutes les conceptions actuelles de connecteurs fibre optique, il existe un composant appelé ferrule. Il s'agit du dispositif de précision qui assure un alignement durant le couplage du connecteur. L'extrémité de la fibre est emboîtée dans le ferrule à l'aide d'adhésifs ou d'une pince à sertir pour qu'elle devienne un composant permanent. L'extrémité du ferrule est raccordée ou polie après insertion de la fibre intégrée pour offrir l'interface lisse requise pour le couplage. Le ferrule est souvent composé d'un matériau durci, comme la céramique, ou peut être fait d'acier inoxydable, de plastique, ou de carbure de tungstène. Les diamètres standard des ferrules sont 2,5 mm (SC, ST, et FC), et 1,25 mm (LC).

Puisque les ferrules sont conçus suivant des tolérances strictes, il s'agit du principal dispositif d'alignement pour la fibre. Les prises à ressort connectent le ferrule pour fournir un support régulier et concentrique de l'alignement entre la fibre et la source LED ou laser, ainsi que pour la photodiode du récepteur. De plus, les câbles fibre optique peuvent être couplés à l'aide d'adaptateurs qui intègrent des dispositifs d'alignement à ressort similaires.

Portraits croisés des connecteurs

Les assemblages de connecteurs fibre optique évoluent au même rythme que les technologies et les applications. Au moins douze types de connecteurs sont utilisés à l'heure actuelle ; chacun conçu pour répondre à des besoins spécifiques et/ou aux limitations technologiques du temps. La tendance actuelle est aux connecteurs compacts et résistants à coûts réduits qui peuvent supporter la densité accrue qui s'impose dans les systèmes de distribution les plus récents. Comme vous vous en doutez, l'industrie des télécommunications dirige en grande partie ce développement étant donné les besoins croissants de connectivité sur fibre optique pour tous les types de services de communication et de divertissement.

Ma première expérience avec la fibre a débuté avec les systèmes employant le connecteur ST (voir figure 1). Développé à la fin des années 80 par la société AT&T, il est également appelé connecteur fibre optique à baïonnette (BFOC). Le connecteur ST (de l'anglais straight tip qui signifie traction droite) est très apprécié pour les réseaux LAN multimode et les systèmes de vidéosurveillance mais est uniquement reconnu par un seul standard de connectivité sur fibre optique. Le ST est la version miniature du connecteur BNC avec un manchon en céramique qui dépasse le corps du connecteur. Dans le jargon de la fibre optique, il s'agit d'un connecteur simplex à vis et à baïonnette. Lors de la manipulation des connecteurs ST, il faut porter une attention particulière au ferrule car il est visible et fragile. Bien qu'il soit fréquemment utilisé dans les applications industrielles, la popularité du connecteur ST diminue en faveur d'autres formats plus compacts et verrouillables.

Le connecteur FC est un « cousin » du connecteur ST. FC signifie « Fixed Connection » et est généralement utilisé dans les applications monomode du secteur des télécommunications. Ce type de connecteur ressemble au ST avec sa structure métallique à clivetage, mais utilise des vis filetées à la place d'un système de verrouillage à baïonnette. Conçu pour les environnements très fréquentés, le connecteur FC est mentionné dans le standard TIA/EIA‑604‑04 (voir figure 2).

Pour la plupart d'entre nous, le connecteur SC est probablement le type le plus utilisé. SC signifie « Subscriber Connector ». Ce connecteur est recommandé dans le standard TIA/EIA‑568B.3 et est souvent appelé connecteur « local » (voir figure 3). Il comprend une structure en plastique résistant assez compacte et a été normalisé en 1992 par l'ISO/IEC. Ce connecteur push/pull est disponible avec un assemblage simplex ou duplex et est chromocodé pour indiquer le type de fibre : beige pour le multimode et bleu ou vert pour le monomode. Bien que le SC soit largement utilisé dans des installations, il ne s'agit pas du connecteur le plus compact. L'encombrement duplex au sol nécessite une surface de 2,44 cm² (0,378 in²)...ce qui représente une zone considérable lors de la conception des équipements de routage sur fibre optique.

Le connecteur LC est un « petit cousin » du connecteur SC. (voir figure 4). Développé par Lucent Technologies, le LC est le premier connecteur compact et véritablement résistant qui est conçu pour augmenter la densité de points de raccordement pour les systèmes fibre optique. Le LC, qui ressemble à une version plus petite du SC, augmente la densité de câblage jusqu'à 50% avec son faible encombrement et sa structure encliquetable push/pull. Il s'agit d'un gain important si l'on tient compte de la densité de connexion dans les environnements de commutation du secteur des télécommunications. Les connecteurs LC peuvent être facilement groupés selon une structure duplex clavetée et comprennent un système de verrouillage à clip semblable à un connecteur RJ‑45 standard. Les connecteurs gagnent en popularité compte tenu, en grande partie, de leur utilisation dans des ensembles émetteur/récepteur optiques compacts.

Comparez les dimensions physiques de ces quatre connecteurs dans la photographie de groupe de la figure 5. À l'évidence, le connecteur LC gagne en popularité avec ses faibles pertes d'interface et son format compact.

Ce qu'il faut observer

Indépendamment du type de connecteur, nous recherchons une précision de l'alignement, une robustesse, une répétabilité, et de faibles pertes. Les connecteurs clavetés peuvent généralement atteindre une répétabilité de 0,2 dB dans la perte de couplage. Étant donné que le connecteur joue un rôle important dans les pertes de transmission, il existe deux principaux paramètres qui deviennent une fois de plus essentiels comme pour le câblage en cuivre : la perte d'insertion et la perte par réflexion.

Ici, la perte d'insertion fait référence à la perte en décibel provoquée par l'interface du connecteur, comme indiqué ci‑dessus. Comme avec le câblage en cuivre, la perte par réflexion se rapporte à l'énergie de nouveau réfléchie vers la source de signal, en raison de la réflectivité du raccordement. La définition des paramètres de perte par réflexion et de perte d'insertion du connecteur dépend, dans une certaine mesure, de la fiche de test utilisée. Bien que les caractéristiques du connecteur varient cependant selon le fabricant, la majorité d'entre eux respecte au minimum les exigences de réseaux de données professionnelles du standard TIA/EIA‑568B.3. Le TIA/EIA‑568B.3 définit une perte d'insertion maximale de 0,75 dB pour les fibres multimode et monomode. La perte de retour est au minimum de ≥20 dB pour le multimode et de ≥26 dB pour le monomode (voir tableau 1). De manière générale, un connecteur SC peut inclure uniquement une perte d'environ 0,3 dB à son interface tandis que celle d'un connecteur tel que le LC peut être de 0,1 dB.

Que peut‑on donc en conclure ? La perte d'insertion est simple : il suffit d'additionner toutes les interfaces des connecteurs et de les multiplier par la perte prévue en dB par connecteur. Il faut ensuite ajouter la perte totale du câble pour les longueurs calculées pour la fréquence supérieure indispensable. La somme de ces deux séries de pertes indique la perte de base du système qui est due aux pertes des connecteurs et de la ligne de transmission.

C'est un nombre important...qui sera utilisé par tous les concepteurs pour déterminer si le système fonctionnera « de façon nominale », selon les différences existantes entre la puissance optique de l'émetteur et la sensibilité optique du récepteur. Mais l'histoire ne s'arrête pas là. Le paramètre de perte par réflexion nous indique à quel point l'énergie peut être réfléchie vers la source. L'énergie réfléchie retourne dans le câble sous forme de signal retardé. Ce signal retardé peut être perçu comme un autre « mode » que nous avons abordé dans le dernier article sur le câble fibre optique.

N'oubliez pas que plusieurs modes, ou chemins de la lumière, survenant dans la fibre sont interprétés au niveau du récepteur comme une augmentation de la gigue du signal pour des systèmes numériques et comme un temps de montée pour des systèmes analogiques. En d'autres termes, la faible performance de la perte par réflexion sur chaque raccordement de connecteur est un effet cumulatif qui va dégrader le décodage du récepteur même lorsque le niveau du signal est susceptible d'entrer dans les limites nominales. Cet effet se présente sous la forme d'une détérioration du point de passage par zéro du diagramme de l'œil pour des signaux numériques de sorte que la capacité du récepteur à suivre et à capter les données est réduite jusqu'à échec de la performance. À titre de comparaison, les signaux fibre optique analogiques exposent une détérioration du temps de montée, qui fait apparaître une image très floue.

Par exemple, pour chaque connecteur ayant une perte par réflexion d'uniquement 20 dB, environ 1% du signal est réfléchi. Cela peut avoir une importance majeure selon le nombre de connecteurs dans le chemin de signaux. Une perte par réflexion de 26 dB abaisse ce niveau d'environ 0,3% et à 50 dB, la perte est d'approximativement 0,001%.

Extendeur fibre optique FOX 500 Extron - Dans cet article, Steve Somers a indiqué que le connecteur LC offrait des performances élevées avec des pertes faibles d'insertion dans un format compact, et qu'il gagnait en popularité dans les applications de télécommunications nécessitant des connexions fibre optique à densité élevée pour assurer une commutation dans le secteur des télécommunications.

Suite à des recherches approfondies sur les divers connecteurs fibre optique, nous avons aussi choisi d'utiliser les prises de type LC pour l'extendeur fibre optique FOX 500 compte tenu de leur format compact, afin que la fibre et toutes les connexions nécessaires pour le RVBHV, l'audio, et le contrôle série RS‑232 puissent facilement « cohabiter » sur le panneau arrière. Les deux connexions LC offrent également une connectivité simple à deux fibres pour les communications bidirectionnelles entre l'émetteur et le récepteur FOX 500, permettant un contrôle RS‑232 intégral depuis chaque emplacement ainsi qu'une supervision en temps réel du système.

Facteurs de raccordement

Traditionnellement, le raccordement fibre optique est lent et onéreux. Il nécessitait des équipements chers et des compétences techniques. Ces enjeux sont sans doute vrais pour le raccordement d'un câble monomode sur site. Cependant, comme le dit Bob Dylan dans l'une de ses chansons : « The times, they are a changing... » Dans certains cas, les câbles pré‑raccordés sont en ordre et peuvent être disponibles avec tout type de connecteur d'une variété de sources. Les câbles de raccordement entrent généralement dans cette catégorie.

Pour les installations personnalisées, un raccordement sur site peut être la seule option possible. Mais des options subsistent. Le raccordement sur site de la fibre monomode est réalisé dans une proportion moindre puisque des kits d'épissurage sont aujourd'hui disponibles, ce qui réduit les équipements et les compétences techniques nécessaires. Même pour le câble multimode, de nouvelles techniques d'épissurage emploient une méthode simple de clivage de la fibre suivie par un assemblage du câble sur un cordon/connecteur pré‑terminé. Cette solution est en réalité une épissure bout à bout entre les fibres. La technique d'épissurage utilise généralement un gel optique spécial qui simplifie le couplage du raccord de la fibre.

Il se peut également que le raccordement de la fibre soit réalisé avec un nouveau système développé par la société Corning, combinant un système simple de clivage et de sertissage. Le raccord du ferrule du connecteur est pré‑terminé avec une fibre intégrée. Cette fibre interne comprend une extrémité pré‑clivée qui est intégrée dans le tube à sertir qui contient un gel optique. Le câble fibre optique à raccorder est dénudé et clivé à l'aide d'un outil de préparation peu coûteux. Le raccord préparé de la fibre est inséré dans le tube à sertir puis aligné contre la fibre intégrée à l'aide d'un équipement optique qui permet au technicien de mesurer facilement l'alignement. Après alignement, le connecteur est serti et le raccordement est accompli. La durée totale nécessaire est d'environ de deux ou trois minutes.

Les raccordements de câbles multimode incluent en général deux types de polissage : le type à contact et le type avec prise d'air à tête plate. Parmi les deux, le type avec prise d'air à tête plate peut entraîner une perte par réflexion de ≥14 dB qui correspond à environ 3,2% de la réflexion de lumière vers la source. Le type à contact est privilégié étant donné que sa perte par réflexion est de ≥20 dB, soit d'uniquement d'1%.

Il existe cinq méthodes de polissage pour les raccordements en usine de câbles monomodes standard permettant de contrôler les pertes d'insertion et de retour : le plat, le Physical Contact (PC), le Super Physical Contact (SPC), l'Ultra Physical Contact (UPC), et l'Angled Physical Contact (APC). Chaque méthode de contact physique, du PC au UPC, emploie divers degrés de précision du raccord et produit une perte de couplage progressivement réduite ainsi qu'une meilleure perte par réflexion. Le type APC fournit une perte par réflexion de ≥65 dB, maintenant les réflexions à 0,000032%. Même si les connexions APC monomode offrent les meilleures performances, la surface de polissage angulaire exige que toutes les interfaces de connecteurs possèdent une capacité de clivetage de précision. Compte tenu de la précision requise, les connexions monomode sont le plus souvent réalisées en usine. Le raccordement sur site s'effectue dans les meilleures conditions avec des cordons pré‑terminés qui peuvent être épissurés bout à bout.

Dernières observations

Savoir mettre un terme à cette discussion est probablement aussi important que de sélectionner le connecteur fibre optique le mieux adapté et de le raccorder de façon appropriée. Nous avons abordé quelques éléments essentiels concernant les connecteurs fibre optique qui, je l'espère, vous serviront le moment donné. Les mêmes paramètres s'appliquent par ailleurs aux autres types de connecteurs que je n'ai pas eu le temps de mentionner. Il faut accorder beaucoup d'attention à la sélection des connecteurs et au raccordement de la fibre pour fournir les meilleures performances possibles pour les connecteurs de votre choix. Après tout, l'objectif est de concevoir des systèmes qui assurent un fonctionnement nominal pour garantir la fiabilité élevée du système.