Cours 3 - Communication par fibre optique

L'atténuation et le bilan de puissance

Chapitre 4Durée ≈ 25 minNiveau : BUT 3 GEIIPrérequis : cours 1 (dB, dBm, bilan de liaison) ; chapitre 2

Objectifs du chapitre

Citer les causes de pertes dans une fibre
Situer les trois fenêtres de transmission
Faire un bilan de puissance (fibre, connecteurs, soudures, marge)
Calculer la distance maximale avant répéteur et le nombre de répéteurs d'une liaison

1. De 1 000 dB/km à 0,2 dB/km : l'histoire d'un pari

En 1966, le verre des meilleures fibres perdait environ 1 000 dB/km : après un seul kilomètre, la puissance était divisée par

10^{100}

! L'ingénieur Charles Kao démontre alors que ces pertes ne viennent pas du verre lui-même, mais de ses impuretés, et qu'un verre très pur pourrait transmettre la lumière sur de longues distances. On le prend pour un rêveur. En 1970, l'entreprise Corning fabrique une fibre à environ 20 dB/km. Aujourd'hui, on descend à 0,2 dB/km. Charles Kao reçoit le prix Nobel de physique en 2009.

Comme au cours 1, on exprime les pertes en décibels. Pour une fibre, on donne l'atténuation linéique α en dB/km. La perte totale d'une fibre de longueur L vaut simplement :

Perte (dB) = α (dB/km) \times L (km)

Avec $α = 0,2$ dB/km, on perd 3 dB (la moitié de la puissance) en 15 km, et 20 dB (99 % de la puissance) en 100 km. Pour comparer : avec le verre de 1966, ces mêmes 20 dB étaient perdus en seulement 20 mètres !

D'où viennent les pertes ?

L'absorption : le verre et ses impuretés (en particulier les traces d'eau, les ions OH) absorbent certaines longueurs d'onde et les transforment en chaleur.
La diffusion (vue au chapitre 2) : de minuscules irrégularités du verre renvoient un peu de lumière dans toutes les directions. Elle diminue très vite quand la longueur d'onde augmente (elle varie comme 1/λ⁴) : c'est la principale raison pour laquelle on travaille dans l'infrarouge.
Les courbures : si la fibre est trop pliée, l'angle d'incidence passe sous l'angle critique et la lumière s'échappe (chapitre 2). C'est l'ennemi des installateurs… et des bobines de drones.

Pourquoi une fibre trop pliée perd-elle de la lumière ?

Parce que le verre se fissure à chaque pli
Parce que la lumière ralentit dans les virages
Parce que l'angle d'incidence sur la gaine devient inférieur à l'angle critique

2. Les trois fenêtres de transmission

L'atténuation dépend de la longueur d'onde. On utilise donc les zones où elle est faible : les fenêtres de transmission.

Allure de l'atténuation d'une fibre en silice (courbe schématique).

Fenêtre	Atténuation typique	Usage
850 nm	2,5 à 3 dB/km (multimode)	fibres multimodes, courtes distances, émetteurs bon marché
1310 nm	environ 0,35 dB/km	dispersion chromatique presque nulle dans les fibres standard
1550 nm	environ 0,2 dB/km (record : 0,14 dB/km)	pertes minimales : longues distances, câbles sous-marins ; c'est aussi là que fonctionnent les amplificateurs optiques (chapitre 5)

Quelle fenêtre choisir pour une liaison de très longue distance ?

850 nm
1550 nm
La lumière visible (650 nm), pour voir le signal

3. Le bilan de puissance : la liaison va-t-elle fonctionner ?

C'est exactement la démarche du bilan de liaison du cours 1. On part de la puissance émise, on retranche toutes les pertes, et on vérifie que ce qui arrive reste au-dessus de ce que le récepteur sait détecter (sa sensibilité), avec une marge de sécurité pour le vieillissement, les réparations et les températures extrêmes.

P_{reçue} = P_{émise} - α L - P_{connecteurs} - P_{soudures}

Condition :

P_{reçue} \geq sensibilité + marge

$P_{connecteurs}$ et $P_{soudures}$ désignent les pertes totales des connecteurs et des soudures, en dB. Valeurs typiques : un connecteur fait perdre 0,3 à 0,5 dB, une soudure 0,05 à 0,1 dB.

On en déduit la longueur maximale de fibre :

L_{max} = \frac{P_{émise} - sensibilité - marge - pertes fixes}{α}

Exemple corrigé

Émetteur : +3 dBm. Sensibilité du récepteur : −30 dBm. Marge : 3 dB. Deux connecteurs à 0,5 dB et dix soudures à 0,1 dB. Fibre à 0,2 dB/km.

Pertes fixes :

2 \times 0,5 + 10 \times 0,1 = 2 dB

Budget disponible pour la fibre :

3 - (- 30) - 3 - 2 = 28 dB

Longueur maximale :

L_{max} = \frac{28}{0,2} = 140 km

Au-delà de 140 km, il faut régénérer ou amplifier le signal : c'est le rôle du répéteur. Pour une route de 500 km, il faut au moins $\frac{500}{140} \approx 3,6$ , soit 4 tronçons, donc 3 répéteurs.

bilan de puissance et répéteurs

Puissance émise : dBm Sensibilité du récepteur : dBm

Fibre Marge : dB

Connecteurs (0,5 dB chacun) : Soudures (0,1 dB chacune) :

Longueur totale de la route : km

Simplification : chaque tronçon entre deux répéteurs a les mêmes connecteurs et soudures que ceux réglés ci-dessus.

Pertes fixes :

2 \times 0,5 + 6 \times 0,1 = 1,6

dB. Budget fibre :

0 - (- 28) - 3 - 1,6 = 23,4

dB.

L_{max} = \frac{23,4}{0,35} \approx 66,9 km

Émetteur : 0 dBm. Sensibilité : −28 dBm. Marge : 3 dB. 2 connecteurs à 0,5 dB, 6 soudures à 0,1 dB. Fibre à 0,35 dB/km. Quelle est la longueur maximale de la liaison (en km) ?

4. Application : combien de répéteurs pour traverser l'Atlantique ?

Notre fil rouge, le câble sous-marin, fait environ 6 000 km. Aucune fibre ne peut transporter un signal sur une telle distance d'une seule traite. Le câble embarque donc des répéteurs immergés, posés au fond de l'océan, en pratique tous les 50 à 100 km environ.

Ces répéteurs ne sont plus des montages électroniques qui convertissent la lumière en signal électrique puis à nouveau en lumière. Ce sont des amplificateurs optiques qui renforcent directement la lumière, et nous verrons au chapitre 5 comment ils fonctionnent. Ils doivent être alimentés en électricité au fond de la mer : nous verrons comment au chapitre 7.

\frac{6 000}{75} = 80 tronçons

Entre la côte de départ et la côte d'arrivée, 80 tronçons sont séparés par 79 répéteurs (les deux extrémités sont des stations à terre).

Un câble de 6 000 km a un répéteur tous les 75 km. Combien de répéteurs immergés compte-t-il ?

Perte d'une fibre $= α (dB/km) \times L (km)$ ; aujourd'hui environ 0,2 dB/km à 1550 nm.
Causes des pertes : absorption, diffusion, courbures.
Trois fenêtres : 850 nm (multimode, court), 1310 nm, 1550 nm (pertes minimales, longue distance).
Bilan : $P_{reçue} = P_{émise} - pertes$ (fibre, connecteurs, soudures), avec la condition $P_{reçue} \geq$ sensibilité + marge.
$L_{max} = \frac{budget fibre}{α}$ ; au-delà, il faut un répéteur.

Avant la suite, vérifiez que vous savez :

calculer la perte d'une fibre en dB ;
faire un bilan de puissance complet avec marge ;
en déduire la longueur maximale et le nombre de répéteurs.

Kao (1966), Corning (1970), premier trafic sur fibre : Wikipédia (en), Optical fiber, Fiber-optic communication (consulté le 10/10/2026).
Atténuations typiques : Wikipedia 'Fiber-optic communication' (≈0,2 dB/km à 1550 nm, ≈0,3 dB/km en moyenne) ; valeurs connecteur/soudure : ordres de grandeur usuels des fiches constructeurs, à confirmer par l'enseignant (vérifié le 2026-10-09)
Câbles sous-marins : technique : Wikipedia 'Submarine communications cable' (alimentation 3 à 15 kV continu, jusqu'à 24 paires, ≈25 mm au grand fond, plus de 100 km possibles entre répéteurs) (vérifié le 2026-10-09)