Fondamentaux du câblage : Câble à fibre optique

Les trois éléments de base d’un câble à fibre optique sont le cœur, la gaine et le revêtement.

• Cœur : zone de transmission de la lumière de la fibre, soit en verre soit en plastique. Plus le cœur est important, plus la lumière sera transmise à travers la fibre.
• Gaine : elle sert à fournir un indice de réfraction plus faible au niveau de l’interface du cœur pour créer une réflexion au sein du cœur et transmettre les ondes lumineuses via la fibre.
• Revêtement : ils sont généralement composés de plusieurs couches de plastique appliquées pour préserver la force de la fibre, absorber les chocs et fournir une protection supplémentaire à la fibre. Ces revêtements de structure sont disponibles de 250 à 900 microns.

La taille de la fibre optique est généralement calculée à partir du diamètre extérieur de son cœur, de sa gaine et de son revêtement. Exemple : 50/125/250 correspond à une fibre avec un cœur de 50 microns, une gaine de 125 microns et un revêtement de 250 microns. Le revêtement est toujours retiré lors la réunion ou de la connexion de fibres. Un micron (µm) correspond à un millionième de mètre. 25 microns correspondent à 0,0025 centimètres, soit environ l’épaisseur d’une feuille de papier.

La fibre peut être identifiée d’après le type de voie que les rayons lumineux, ou modes, empruntent au sein du cœur de la fibre. Il existe deux types fondamentaux de fibre : multimode et monomode. Les cœurs de la fibre multimode peuvent être à saut d’indice ou à gradient d’indice.

La fibre multimode à saut d’indice tire son nom du changement brutal de l’indice de réfraction entre le cœur et la gaine.

Dans la fibre multimode à gradient d’indice plus courante, les rayons lumineux sont également guidés à travers la fibre de plusieurs manières. Mais, contrairement au saut d’indice, un cœur à gradient d’indice contient de nombreuses couches de verre, chacune ayant un indice de réfraction qui s’affaiblit plus on s’éloigne de l’axe.

Une fibre à gradient d’indice égalise donc les temps de propagation des différents modes pour transmettre les données sur une distance beaucoup plus longue et à des débits plus élevés avant que les impulsions lumineuses ne commencent à se chevaucher en sortie de liaison (côté récepteur).

fibres à gradient d’indice sont disponibles dans le commerce avec des diamètres de cœur de 50, 62,5 et 100 microns. La fibre monomode permet uniquement de transmettre un seul rayon lumineux, ou mode, jusqu’au cœur. Ceci élimine presque tout risque de distorsion liée au chevauchement d’impulsions lumineuses. Extrêmement petit, le cœur de la fibre monomode mesure entre 5 à 10 microns.

La fibre monomode offre des capacités supérieures aux deux types de fibre multimode. Par exemple, les câbles de télécommunications sous-marins peuvent transporter 60 000 canaux voix sur une paire de fibres monomode.

Considérations de conception

La résistance à la traction, de robustesse, de longévité, de souplesse, de taille, de résistance à l’environnement, d’inflammabilité, de plage de températures et d’aspect, tous ces points doivent être prises en compte pour la construction d’un câble à fibre optique.

Premier niveau de protection de la fibre

La fibre optique est un guide d’ondes de très petite taille. Dans un environnement sans contraintes ou forces externes, ce guide d’ondes transmettra la lumière qui le traverse avec une perte minimale également appelée atténuation.

Pour protéger la fibre contre ces forces externes, deux premiers niveaux de protection ont été développés : le tube à structure libre et la structure serrée.

Dans le cas de la construction à structure libre, la fibre est contenue dans un tube plastique dont le diamètre intérieur est sensiblement plus grand que la fibre elle-même. L’intérieur du tube plastique est généralement rempli de gel.

Le tube à structure libre isole la fibre des contraintes mécaniques extérieures qui agissent sur le câble. Dans le cas des câbles multifibre, plusieurs de ces tubes, dont chacun contient une ou plusieurs fibres, sont associés à des éléments de renforcement pour maintenir les fibres à l’abri des contraintes et réduire ainsi au minimum l’allongement et la contraction.

En variant le nombre de fibres à l’intérieur du tube pendant l’opération de câblage, il est possible de contrôler le degré de rétrécissement lié à la variation de la température, le degré d’atténuation sur une plage de températures étant donc réduit au minimum.

L’autre technique de protection de la fibre, la structure serrée, repose sur l’extrusion directe de plastique au-dessus du revêtement de base de la fibre.

Les constructions à structure serrée peuvent résister à des forces d’écrasement et à des impacts beaucoup plus importants sans risque de rupture de la fibre.

Cependant, la conception à structure serrée protège moins la fibre des contraintes liées aux variations de températures. Même si elle est relativement plus souple que la structure libre, les pertes optiques pourront dépasser les spécifications nominales liées aux micro-courbures lorsque la structure serrée est déployée avec d’importantes courbes ou torsions.

Le câble Breakout est une forme raffinée de construction à structure serrée. Dans un câble Breakout, une fibre à structure serrée est entourée d’une mèche d’aramide et enveloppée dans une gaine, généralement en PVC. Ces éléments constituant une sous-unité de la fibre sont ensuite recouverts d’une gaine classique pour former le câble Breakout. « Ce câble dans un câble » offre l’avantage d’assurer le raccordement et l’installation directs et simplifiés des connecteurs.

Chaque construction a ses propres avantages. Le tube à structure libre offre une atténuation de câble plus faible contre les micro-courbures sur une fibre spécifique ainsi qu’un niveau d’isolation élevé contre les contraintes externes. Soumis à des contraintes mécaniques permanentes, le tube à structure libre offre des caractéristiques de transmission plus stables.

La construction à structure serrée autorise des conceptions plus petites et plus légères pour une configuration optique similaire et offre généralement un câble plus souple et résistant à l’écrasement.


Compromis entre structure libre et structure serrée.

Une fois qu’une construction à structure serrée ou libre est retenue, le concepteur du système prend des décisions concernant les compromis entre perte de micro-courbure et souplesse pour atteindre les objectifs optiques qu’il s’est fixé.

Pour l’installation d’un câble, les propriétés mécaniques telles que la résistance à la traction, la résistance aux impacts, la flexion et la courbure sont importantes. Les critères environnementaux sont liés à la résistance à l’humidité, aux produits chimiques et à d’autres types de conditions atmosphériques ou liées au sol.

Protection mécanique

Les charges normales supportées par un câble lors de l’installation peuvent finir par soumettre la fibre à des contraintes de traction.

Les niveaux de stress peuvent provoquer de pertes de micro-courbure entraînant une augmentation de l’atténuation et d’éventuels effets de fatigue.

Pour transférer ces contraintes de stress pour les installations à court terme et les applications à long terme, différents éléments de renforcement internes sont ajoutés à la structure du câble à fibre optique.

Ces éléments de renforcement offrent des propriétés de résistance à la traction semblables à celles des câbles électroniques et protègent les fibres contre les contraintes en réduisant au minimum l’allongement et la contraction. Dans certains cas, ils agissent également comme éléments de stabilisation de la température.

La fibre optique s’allonge très peu avant de casser si bien que les éléments de renforcement ne doivent que faiblement s’allonger face à la traction escomptée.


Comparaison des éléments de renforcement

La résistance à l’impact, la flexion et la courbure sont d’autres facteurs mécaniques qui affectent le choix des éléments de renforcement.

Les éléments de renforcement généralement utilisés pour les câbles optiques sont la mèche d’aramide, les tiges époxy en fibre de verre (FGE) et les fils d’acier. À poids égal, la mèche d’aramide est cinq fois plus résistante que l’acier. Cette dernière et les tiges époxy en fibre de verre sont souvent le choix qui s’impose lorsqu’une construction tout diélectrique est requise.

Les fils d’acier ou les tiges FGE doivent s’imposer lorsque l’on recherche des performances à des températures extrêmement basses puisque ces supports offrent une meilleure stabilité face à la température.

Les câbles à fibre optique de Belden pour les applications d’intérieur répondent aux exigences des spécifications du National Electrical Code (NEC/CSA) en ce qui concerne les câbles avec retardateur de flamme, Plenum et sur support de câblage. Belden propose également des câbles qui satisfont aux spécifications d’aujourd’hui pour les environnements sans gaz halogènes.

Nombre de fibres
La spécification du nombre de fibres utilisées au cœur du câble impose au concepteur de bien prendre en compte l’évolution des besoins du réseau. En fonction du nombre et du type d’applications sur le réseau et du niveau de redondance requis, le nombre de fibres peut aller de 2 à plus de 100 sur le réseau backbone ou pour chaque armoire de câblage. Le tableau suivant récapitule les exigences en matière de fibre pour différentes applications.

Actuellement, en raison du coût des équipements de multiplexage, des fibres distinctes et dédiées sont généralement utilisées pour chaque application. Ainsi, par exemple, si deux bâtiments doivent être interconnectés via un backbone FDDI, quatre fibres seront nécessaires dans le câble chargé d’interconnecter les bâtiments : deux pour la transmission, deux pour la réception. De plus, il est recommandé d’installer au moins deux fois plus de fibres sur le backbone afin de mieux répondre aux besoins de développer.

À titre d’exemple, imaginons 3 applications à chaque étage :

1. Données FDDI (4 fibres)
2. Vidéo interactive (2 fibres)
3. Sécurité CCTV (1 fibre)

Ces applications nécessitent donc 7 fibres pour chaque armoire de câblage. Il est recommandé d’utiliser deux fois le nombre de fibres nécessaires pour chaque armoire de câblage afin de prendre en compte l’évolution du réseau.

Même si certains systèmes spécifient clairement le nombre de fibres nécessaires, il n’existe pas de règle rigide en la matière. Installer le nombre de fibres requis ainsi que d’autres en réserve assure la configuration de câbles la plus souple et la plus extensible possible pour répondre aux besoins futurs du réseau.