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Fibre monomode vs multimode : cœur, portée, dispersion, coût

La fibre monomode a un cœur fin d’environ 9 µm de diamètre dans lequel la lumière ne se propage que selon un seul mode : il n’y a donc pas d’écart de vitesse entre modes (dispersion modale), et elle sert aux liaisons longues de plusieurs dizaines de kilomètres ou plus ainsi qu’aux liaisons à haut débit. La fibre multimode a un cœur épais de 50 µm ou 62,5 µm dans lequel de nombreux modes se propagent simultanément, si bien que la dispersion modale limite la portée à quelques dizaines ou quelques centaines de mètres. En contrepartie, elle permet d’utiliser des sources bon marché comme les VCSEL à 850 nm et l’alignement est facile, ce qui la rend adaptée aux liaisons courtes dans les centres de données et les bâtiments.

CritèreFibre monomodeFibre multimode
Diamètre du cœur (ordre de grandeur)Environ 9 µm (gaine de 125 µm)50 µm ou 62,5 µm (gaine de 125 µm)
Nombre de modes propagésUn seulDe quelques centaines à environ un millier de modes simultanément
Longueurs d’onde principales1 310 nm (bande O) et 1 550 nm (bande C)Surtout autour de 850 nm
Source principaleLasers à semi-conducteur à émission par la tranche (lasers DFB, par exemple). La lumière est focalisée dans le cœur finVCSEL (laser à émission par la surface). Les générations plus anciennes utilisaient aussi des LED
Dispersion modaleAucune. La dispersion chromatique se fait toutefois sentir avec la distance (quasi nulle vers 1 310 nm)Présente. Les fibres à gradient d’indice, dont l’indice du cœur varie progressivement, la réduisent, mais elle limite la bande passante et la portée
Atténuation (ordre de grandeur)Environ 0,35 dB/km à 1 310 nm, environ 0,2 dB/km à 1 550 nmEnviron 2,5 à 3,5 dB/km à 850 nm
Portée (ordre de grandeur)De quelques centaines de mètres à quelques dizaines de kilomètres. Plusieurs milliers de kilomètres ou plus avec des amplificateurs optiquesQuelques centaines de mètres à 10 Gbit/s, environ 100 m ou moins pour des voies de 25 Gbit/s et plus
AlignementExigeant. Une précision inférieure au µm est nécessaire, souvent avec un alignement actifTolérant. Le cœur épais facilite le couplage avec la source et le récepteur
CoûtLa fibre elle-même est bon marché, mais les lasers, les émetteurs-récepteurs optiques et l’assemblage sont souvent coûteuxLa fibre est un peu plus chère, mais la source et l’assemblage sont bon marché, si bien que l’ensemble revient souvent moins cher sur courte distance
Usages principauxLiaisons longue distance et interurbaines, réseaux d’accès (FTTH), liaisons de quelques centaines de mètres à quelques kilomètres entre bâtiments ou dans les centres de donnéesLiaisons courtes : entre baies d’un centre de données, réseaux locaux de bâtiment, réseaux de stockage

Les valeurs indiquées sont des ordres de grandeur typiques et varient selon la génération de procédé et le produit.

Quand choisir l'un ou l'autre ?

Fibre monomode
Câblage dépassant quelques centaines de mètres ou anticipant des débits plus élevés : liaisons longue distance, réseaux d’accès, liaisons entre bâtiments ou entre commutateurs dans les centres de données, ou lorsque de nombreux signaux doivent passer sur une seule fibre par multiplexage en longueur d’onde (WDM).
Fibre multimode
Pour réaliser à bas coût des liaisons courtes d’environ 100 m ou moins, dans une même salle ou un même bâtiment. Associée à des émetteurs-récepteurs optiques utilisant des VCSEL à 850 nm.
Tendance
Plus le débit par voie augmente, plus la portée en multimode raccourcit ; l’usage de la fibre monomode s’étend donc aussi à l’intérieur des centres de données.

Questions fréquentes

Pourquoi la fibre multimode ne porte-t-elle pas loin ?

Son cœur est épais et de nombreux modes (chemins de la lumière) s’y propagent simultanément. Chaque mode parcourt une distance légèrement différente à une vitesse légèrement différente, si bien qu’une impulsion d’abord compacte est étalée dans le temps à l’arrivée (dispersion modale). Plus le signal est rapide, plus les impulsions sont rapprochées et plus la portée diminue.

La fibre monomode est-elle plus chère ?

La fibre elle-même serait plutôt moins chère en monomode. Le surcoût vient surtout de l’émetteur-récepteur optique : injecter la lumière dans un cœur fin d’environ 9 µm exige un laser à puissance stable et un alignement d’une précision inférieure au µm. Sur courte distance, la fibre multimode, qui permet d’utiliser des VCSEL, revient souvent moins cher pour la liaison complète.

Pourquoi la fibre multimode utilise-t-elle souvent une lumière à 850 nm ?

Les VCSEL autour de 850 nm se fabriquent en grande série à bas coût, peuvent être testés directement sur la plaquette et se couplent facilement à la fibre multimode. La fibre multimode est elle-même conçue pour offrir une large bande passante à cette longueur d’onde.

Outre la dispersion modale, qu’est-ce qui limite la portée de la fibre monomode ?

L’atténuation et la dispersion chromatique. L’atténuation est minimale vers 1 550 nm (environ 0,2 dB/km) et la dispersion chromatique de la fibre monomode standard est quasi nulle vers 1 310 nm. Sur longue distance, des amplificateurs optiques compensent l’atténuation, et la dispersion est traitée par compensation ou par traitement du signal.

Vérifier vos connaissances

Quelle est la caractéristique correcte des liaisons optiques associant un VCSEL autour de 850 nm et une fibre multimode ?

  1. ALes composants sont bon marché et l'alignement facile, mais la portée se limite à de courtes distances, de quelques dizaines à quelques centaines de m
  2. BUtilisant la bande où les pertes de la fibre sont minimales, elles dominent les communications longue distance de plus de plusieurs centaines de km
  3. CLe silicium laissant bien passer la lumière à 850 nm, elles sont idéales pour un raccordement direct à des guides d'onde en silicium
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Réponse : A. Les composants sont bon marché et l'alignement facile, mais la portée se limite à de courtes distances, de quelques dizaines à quelques centaines de m

Le VCSEL est un laser à émission par la surface que l'on peut tester sur plaquette, produire en masse à bas coût et qui consomme peu. La fibre multimode ayant un cœur épais, de 50 µm de diamètre par exemple, l'alignement est facile. C'est pourquoi ces liaisons ont été largement utilisées pour les connexions courtes entre serveurs et commutateurs, à l'intérieur d'une baie ou entre baies. En revanche, dans une fibre multimode, la dispersion modale (décalage des temps d'arrivée entre plusieurs modes de propagation) fait que la portée diminue à mesure que le débit augmente (pour la classe 100 Gb/s par voie, environ 50 à 100 m sur fibre OM4, et encore moins sur OM3), et à 850 nm les pertes de la fibre sont aussi assez élevées, de l'ordre de 3 dB/km. Le silicium absorbant la lumière à 850 nm, il ne peut pas servir de guide d'onde.

Pour les liaisons optiques relativement courtes à l'intérieur d'un centre de données, quelle est la raison correcte pour laquelle on utilise souvent les longueurs d'onde autour de 1,31 µm (bande O) ?

  1. ALes pertes de la fibre y sont les plus faibles de toutes les longueurs d'onde, et la lumière porte jusqu'à plusieurs milliers de km sans amplificateur
  2. BLa dispersion chromatique de la fibre monomode standard y est quasi nulle, si bien que la forme d'onde des signaux à haut débit se dégrade peu
  3. CC'est une lumière d'énergie égale à la bande interdite du silicium, ce qui permet d'utiliser directement le silicium comme photodétecteur
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Réponse : B. La dispersion chromatique de la fibre monomode standard y est quasi nulle, si bien que la forme d'onde des signaux à haut débit se dégrade peu

La dispersion chromatique est le phénomène par lequel une impulsion lumineuse s'élargit parce que la vitesse de propagation dans la fibre diffère légèrement selon la longueur d'onde. Dans une fibre monomode standard, la dispersion est quasi nulle vers 1,31 µm : on peut donc transmettre facilement des signaux à haut débit sur quelques km à environ 10 km sans traitement de compensation de la dispersion, et cette bande est utilisée par de nombreux émetteurs-récepteurs optiques pour centres de données. Les pertes sont minimales vers 1,55 µm (environ 0,2 dB/km) ; à 1,31 µm, elles sont un peu plus élevées, environ 0,3 à 0,35 dB/km. L'énergie des photons à 1,31 µm est d'environ 0,95 eV, et ils ne sont pas absorbés par le silicium.

Dans les télécommunications longue distance par fibre optique, quelle est la principale raison pour laquelle on utilise largement les longueurs d'onde autour de 1,55 µm (bande C) ?

  1. AC'est la bande de longueurs d'onde où les pertes de la fibre optique en silice sont les plus faibles
  2. BC'est la bande où le silicium absorbe le plus fortement la lumière, ce qui facilite la réalisation de photodétecteurs
  3. CC'est la bande où la dispersion chromatique s'annule, si bien que les impulsions ne s'élargissent pas du tout
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Réponse : A. C'est la bande de longueurs d'onde où les pertes de la fibre optique en silice sont les plus faibles

Les pertes d'une fibre optique en silice (SiO2) augmentent aux courtes longueurs d'onde à cause de la diffusion Rayleigh et aux grandes longueurs d'onde à cause de l'absorption infrarouge ; elles sont donc minimales entre les deux, vers 1,55 µm (environ 0,2 dB/km). Même après 100 km, les pertes ne sont que d'environ 20 dB, et la possibilité d'amplifier la lumière sans la convertir grâce aux amplificateurs à fibre dopée à l'erbium (EDFA) explique aussi l'usage de la bande C en longue distance. Dans une fibre monomode standard, la dispersion chromatique est quasi nulle vers 1,31 µm (bande O) ; à 1,55 µm, une dispersion subsiste. Le silicium n'absorbe presque pas cette longueur d'onde.

  1. Quelle est une caractéristique correcte du VCSEL (laser à cavité verticale émettant par la surface) ?
  2. Lors de la fixation d'une fibre monomode sur une puce optique en silicium, pourquoi pratique-t-on souvent l'alignement actif, qui consiste à ajuster la position en faisant réellement passer la lumière laser et en mesurant la puissance de sortie ?

Questions d'entraînement sur Photonique sur silicium

Termes clés expliqués

Fibre monomode
Fibre optique ne transportant qu'un seul mode de propagation, avec un diamètre de cœur d'environ 9 µm. Sans élargissement des impulsions dû à des modes se propageant à des vitesses différentes (dispersion modale), elle est utilisée pour les liaisons longue distance et à haut débit.
VCSEL (laser à cavité verticale émettant par la surface)
Laser à semi-conducteur émettant perpendiculairement au substrat. Testable sur plaquette et facile à disposer en matrice 2D, il sert de source pour les communications de données et la reconnaissance faciale.
Dispersion chromatique
Élargissement des impulsions lumineuses dans une fibre optique dû au fait que la lumière de différentes longueurs d'onde se propage à des vitesses légèrement différentes. Dans la fibre monomode standard, elle est presque nulle vers 1,31 µm et vaut environ 17 ps/(nm·km) à 1,55 µm.
Bande O
Bande de communication par fibre optique autour de 1260 à 1360 nm. Elle inclut la région proche de 1,31 µm où la dispersion chromatique de la fibre monomode standard est presque nulle, et est largement utilisée pour les liaisons courtes, comme à l'intérieur des centres de données.
Bande C
Bande de communication par fibre optique autour de 1530 à 1565 nm. L'atténuation de la fibre de silice y est minimale (environ 0,2 dB/km) et les amplificateurs à fibre dopée à l'erbium (EDFA) peuvent l'amplifier ; elle sert donc aux liaisons longue distance et au multiplexage dense en longueur d'onde (DWDM).

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