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Les tenants et aboutissants des essais de fibres optiques multimodes insensibles aux courbures (BIMMF ou Bend Insensitive Multimode Fiber) : la nécessité du flux inscrit
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Présentation
La transmission du signal par fibre optique dépend du phénomène de réflexion interne totale. Ce dernier se produit lorsque la lumière passe d’un support disposant d’un indice de réfraction à un autre dont l’indice de réfraction est inférieur. En raison de la différence existant entre l’indice de réfraction de l'âme de la fibre (indice de réfraction élevé) et de la gaine (indice de réfraction plus faible), la lumière est guidée le long de l'âme de la fibre par la réflexion constante de la gaine. Toutefois, lorsqu’une fibre optique dépasse un certain rayon de courbure, une certaine quantité de lumière peut être perdue, ce qui entraîne une perte de signal. Ceci peut arriver pendant l’installation ou à tout moment lors de la manipulation de la fibre optique ; par ailleurs, ce problème est une source d’inquiétude dans les espaces étroits des zones de raccordement des fibres optiques à haute densité dans les centres de données.
Il y a plusieurs années, les fabricants de fibre optique ont mis au point une fibre optique multimode de 50 µm extrêmement flexible à utiliser dans les centres de données et dans les réseaux des entreprises. Cette nouvelle fibre optique multimode insensible aux courbures (BIMMF) a été signalée comme étant résistante aux courbures autour d’un rayon de 10 mm avec pratiquement moins d'affaiblissement de signaux que la fibre multimode que l'on ne peut plier, ci-après désignée non BIMMF. Avec l’introduction de la BIMMF, les installateurs peuvent enfin déployer des réseaux de fibre optique sans crainte d’une courbure excessive de la fibre et d’une dégradation des performances. De nos jours, la BIMMF est largement déployée dans les centres de données et de nombreuses publications ont été consacrées à sa conception et à ses avantages.
La BIMMF est optimisée à l'aide d'un laser pour les réseaux à haut débit et conçue pour des applications dont le budget de perte est extrêmement limité. Pour une liaison 10 gigabit Ethernet (Gbe) typique sur 300 m, la perte au niveau du canal est de 2,6 dB. Avec ce budget de pertes strict, il y a peu de marge pour les pertes induites par les courbures dues à une mauvaise installation. Les émetteurs/récepteurs et les équipements de test doivent également assurer une émission étroitement contrôlée, ce qui permet d’éviter les conditions de saturation et de carence qui peuvent davantage contribuer à une perte et à un essai imprécis. Les données fournies par les fabricants de fibres optiques et les entreprises de fabrication d’équipements de test ont montré qu'un type spécifique d’émission est nécessaire pour tester la BIMMF. Cette condition d'amorce s’appelle le flux inscrit (EF).
Le flux inscrit (EF) est un paramètre servant à définir les conditions d'injection sur fibre optique multimode qui permet de réduire l’incertitude relative aux mesures de l'affaiblissement sur la liaison. Cette méthode a été approuvée en octobre 2010 avec la publication de la norme ANSI/TIA-526-14-B, mesures de la perte de puissance optique du câble à fibre optique multimode. Le flux inscrit améliore la précision en indiquant la puissance modale dans toute l’extrémité des fibres optiques en utilisant un modèle qui correspond plus étroitement aux conditions d'injection contrôlées de manière étroite des émetteurs/récepteurs de fibre optique gigabit et 10 gigabit Ethernet de nos jours.
Sur cette page
Conception de la BIMMF
Pour obtenir des propriétés non sensibles aux courbures, la conception de la BIMMF doit être différente de celle de câbles non BIMMF. Pour une fibre non BIMMF, le verre comporte une âme et une gaine ayant chacun un indice de réfraction différent. En revanche, la BIMMF dispose d’une « tranchée » optique artificielle ajoutée entre l'âme et la gaine. Cette tranchée contient les modes de propagation à l’intérieur de l'âme de la fibre, même dans une courbure extrême. Essentiellement, elle ne permet pas à la lumière de s’échapper de l'âme ;
Selon les fabricants de fibres optiques, la conception de la BIMMF est complexe et difficile. Le profil de l’indice de réfraction doit être soigneusement conçu pour s’assurer que tous les paramètres de performance sont conformes aux normes du secteur. Puisque la bande pasante de la fibre optique constitue l’une des spécifications importantes de la fibre multimode, le profil de la fibre doit conserver une bande passante élevée. La conception et l’emplacement de la tranchée optique constituent des facteurs essentiels. La fibre optique multimode prend en charge la plupart des modes de propagation de la lumière, y compris les modes d’ordre supérieur et inférieur. Situés plus près de l'âme de la fibre optique externe, les groupes de modes d’ordre supérieur sont plus sensibles et susceptibles d’échapper au cœur lors de la courbure. Une tranchée optique mal conçue et mal située peut être à l’origine de retards des modes de lumière d’ordre supérieur et de la dégradation de la bande passante. Une BIMMF bien conçue confine autant de groupes de modes possibles d’ordre supérieur dans l'âme afin de conserver l’intégrité de la transmission optique.
L’idée de base d'une conception BIMMF adéquate consiste à confiner de manière stricte les groupes de modes d’ordre supérieur sur l'âme de la fibre optique. Les fibres non BIMMF peuvent en général prendre en charge 17 groupes de modes clés. La BIMMF qui est également conçue pour prendre en charge 17 groupes de mode permet une meilleure compatibilité avec la fibre optique OM3 et OM4. Un moyen d’examiner la qualité de conception de la BIMMF est de tester la différence entre la fibre BIMMF et non BIMMF à l’aide de la méthode du flux inscrit. La différence des résultats du flux inscrit entre une fibre optique non BIMMF et une fibre BIMMF bien conçue devrait être minime.
Toutes les conceptions BIMMF présentent une dépendance de longueur qui est fonction du diamètre de l'âme de la fibre optique et de l’ouverture numérique si une amorce trop puissante est utilisée. Les modes d’ordre supérieur qui sont injectés dans la tranchée peuvent y rester sur une certaine distance jusqu’à ce qu’ils s'affaiblissent. Ces modes qui sont capturés et qui se propagent dans la zone de la tranchée sont appelés « modes de fuite ». Ce phénomène affecte l’épissure et l'affaiblissement du connecteur. D’autre part, la fibre optique non BIMMF ne comporte pas de dépendance par rapport à la longueur. Une amorce conforme au flux inscrit atténue la dépendance au diamètre de l'âme et à la longueur de l’ouverture numérique pour tous les modèles BIMMF. Par ailleurs, une amorce conforme au flux inscrit décrit avec précision les performances du système.
Puissance modale de la fibre
Après le dépôt des brevets, les fabricants de fibres optiques ont déclaré que l’amélioration de la résistance aux courbures est obtenue grâce à l’utilisation de la tranchée optique mentionnée ci-dessus qui empêche aux modes d’ordre supérieur de quitter l'âme de la fibre optique. Les premiers essais réalisés par un fabricant de fibres optiques ont montré que la BIMMF prend en charge davantage de groupes de modes que la fibre optique standard. Ces modes supplémentaires modifient la manière dont la lumière s’associe aux fibres optiques et se dissocient de ces dernières, ce que la méthode de test de flux inscrit permet de constater.
Lors du test de la fibre optique standard, il est possible d'être précis en utilisant une source à double longueur d'onde et un cordon et mandrin de test commun. Avec la fibre BIMMF, un mandrin standard de 25 mm n’élimine pas les modes de niveau supérieur à 850 nm, ce qui entraîne des résultats de perte pessimistes. Des tours supplémentaires sur un plus petit mandrin de 4 nm sont nécessaires pour réaliser un test de précision pour la fibre BIMMF à la longueur d'onde de 850 nm, mais le même mandrin ne peut pas être utilisé pour tester la fibre BIMMF à la longueur d'onde de 1300 nm.
Des tentatives faites pour produire une amorce plus contrôlée à l’aide d'un cordon d’amorce en fibre optique BIMMF se sont avérées difficiles pour deux raisons. Tout d’abord, il fallait un très petit modèle de mandrin et un diamètre extérieur formé de façon unique. Les essais réalisés sur les fibres BIMMF de différents fabricants ont montré que si la source de 850 nm pouvait être testée de manière précise avec un mandrin spécialement conçu, la source de 1300 nm pourrait, une fois de plus, ne pas utiliser le même mandrin. Selon les propriétés du flux inscrit du mode de contrôle, cela signifiait une divergence prévisible des lectures de pertes entre les deux longueurs d'onde par rapport à la fibre optique standard.
Conditions d'injection
Lors du test des liaisons par fibre optique multimode, la mesure d’affaiblissement est largement influencée par la condition d’injection de la source de lumière. Si un test est réalisé avec deux sources différentes, dont des conditions d’injection différentes, la mesure d’affaiblissement pourrait varier considérablement. Non seulement le test sera incohérent, mais il produira également des résultats déroutants. Une liaison testée avec une amorce trop faible peut ne pas détecter des évènements de perte élevée, par exemple une connexion mal alignée, ce qui peut provoquer la validation d'une mauvaise liaison. Pour parvenir à une mesure précise et cohérente, toutes les conditions d’injection doivent être normalisées. On ne soulignera jamais assez l’importance d'une amorce conforme au flux inscrit.
Launch Cord Selection – International standards for multimode testing sets precise launch condition metrics using encircled flux for testing installed multimode fiber cabling attenuation. Les fournisseurs de matériels de test mettent en général à disposition une source de longueurs d'onde double avec un mandrin commun ou un conditionneur de modes. Si des lancements conformes peuvent être réalisés à partir de sources à longueur d'onde doubles (c’est-à-dire 850 nm et 1300 nm) avec le même mandrin enveloppé sur des cordons d’amorce non BIMMF, les données présentées au cours de la rencontre consacrée aux normes de fibre TIA ont montré que les cibles d’un mandrin ordinaire et l’alignement de l'amorce semblent divergents si l’on tente d’utiliser la fibre BIMMF comme cordon d’amorce. L'utilisation d'un mandrin ordinaire ne semble pas possible, étant donné la grande dépendance de l'affaiblissement dû aux courbures de la fibre optique en raison de la longueur d'onde. À moins de pouvoir atténuer ces problèmes, la fibre BIMMF ne doit pas être utilisée sur des cordons d’amorce.
Receive Cord Selection – To complete a permanent link test using the recommended 1-cord reference method, a receive cord must be used. Le but du cordon de réception, ainsi que du cordon d’amorce, est de fournir des mesures d’affaiblissement de liaison qui comprennent la fibre optique installée et les deux connexions à chaque extrémité de la liaison. Pour un cordon de test BIMMF bien conçu qui correspond au diamètre de l'âme de câble installé et à l’ouverture numérique, il importe sans doute peu d’utiliser un cordon de réception BIMMF ou non BIMMF. Toutefois, pour éviter la possibilité d’un résultat de test trop optimiste basé sur l’utilisation de cordons de test BIMMF, il est prudent d’utiliser également une fibre non BIMMF comme cordon de réception.
COMPATIBILITÉ AVEC LA FIBRE OPTIQUE CLASSIQUE (NON BIMMF)
Selon la plupart des fabricants, de fibre optique, la fibre optique BIMMF est entièrement compatible avec les normes OM2, OM3 et OM4 pour les fibres multimodes optimisées par laser et elle est aussi rétrocompatible avec la base installée de fibres multimodes de 50 nm non optimisées par laser. La compatibilité et les performances dépendent du modèle de BIMMF.
En 2011, un fournisseur de renom de fibre optique a réalisé une modélisation de grande envergure et des essais expérimentaux sur la fibre BIMMF. Ces essais ont montré que la fibre BIMMF optimisée est rétrocompatible, comporte une faible perte liée aux courbures importantes et présente un même retard en mode différentiel que la fibre non BIMMF standard. Les essais expérimentaux et de modélisation ont montré que la fibre BIMMF peut être mélangée avec la fibre non BIMMF sans causer de pertes excessives.
La perte par épissure de la fibre optique dépend énormément du nombre de modes guidés et des formes de leur champ de mode. Une perte par épissure est limitée au maximum lorsque le nombre de modes et les formes de champ de mode correspondent. Cela signifie qu'une amorce contrôlée conforme au flux inscrit est nécessaire et que la taille de l'âme de la fibre optique et des tolérances doivent correspondre. Le flux inscrit est conservé au niveau d’une épissure entre une fibre non BIMMF et une fibre BIMMF lorsque la taille de l'âme et les tolérances correspondent.
Voici ci-dessous un excellent résumé fourni au cours d’une rencontre consacrée aux normes TIA par un fabricant de premier plan de la fibre optique lors d’une session de questions-réponses concernant la compatibilité entre la fibre optique BIMMF et la fibre non BIMMF (les données de test ne sont pas incluses) :
1. Question : Une liaison BIMMF homogène présente-t-elle un affaiblissement d'insertion équivalent à celui de la fibre monomode existante ? Réponse : Les modèles de fibre BIMMF présente de faibles affaiblissements d'insertion, plus faibles que la fibre monomode existante.
2. Question : Une liaison BIMMF hétérogène présente-t-elle un affaiblissement d'insertion équivalent à celui de la fibre monomode existante ? Réponse : La concaténation de différentes fibres BIMMF d’un même modèle présente un impact minimal.
3. Question : Une liaison par câble mixte de modèles de BIMMF différentes présente-t-elle un affaiblissement d’insertion équivalent à celui de la fibre optique monomode existante ? Réponse : Les affaiblissements d’insertion sont comparables lorsque des modèles de fibre BIMMF différents sont concaténés.
4. Question : Le fait de mélanger la fibre BIMMF avec une fibre multimode existante fournit un affaiblissement d’insertion équivalent à celui de la fibre multimode existante ? Réponse : Lorsque les modèles de fibre BIMMF sont mélangés avec de la fibre multimode existante, les affaiblissements d’insertion sont inférieurs à la fibre multimode existante uniquement.
Méthodes de test
Analysons plus profondément les méthodes de test de la BIMMF qui, en réalité, ne sont pas différentes des tests réalisés sur les autres types de fibres, à quelques exceptions près. Le fait de tester des câbles à fibre optique multimode contenant des fibres BIMMF nécessite toujours qu’un cordon d’amorce soit fixé sur la source de lumière utilisée durant le test et un cordon de réception lors de la mesure d’une liaison permanente. Voici ci-dessous trois recommandations de base pour tester une fibre BIMMF en fonction des tests et du consensus général des experts en matière de fibre optique :
1. Utiliser une amorce conforme au flux inscrit avec un cordon d’amorce pour fibre non BIMMF
2. Utiliser la méthode de test de référence à un seul cordon
3. Utiliser un cordon de réception à fibre non BIMMF pour effectuer un test de liaison permanente
Il peut être plus important d’utiliser un cordon de réception qui corresponde étroitement à la fibre optique qui fait l’objet de tests au lieu de prescrire un type de fibre. Ceci est semblable à une situation où les tailles des âmes sont mélangées lors des essais. Le fait d’interconnecter la fibre BIMMF à la fibre non BIMMF lorsqu’elles ne sont pas mises en correspondance de manière voulue est semblable au fait de connecter deux fibres optiques avec des diamètres d'âmes ou ouverture numériques différents. Lorsque la lumière passe d’un diamètre d'âme plus petit à un plus grand, l’affaiblissement n’est pas inférieur si la lumière passe d’un plus grand diamètre à un plus petit. Cependant, pour ne pas prendre de risques, un cordon de réception non BIMMF est recommandé.
La figure 1 montre un processus généralisé en trois étapes permettant de mesurer et de valider l’affaiblissement d’un cordon d’essai court. À l’étape 1, la puissance de sortie du cordon d’amorce non BIMMF est annulée à l’aide d’un compteur de puissance optique doté d’un grand photodétecteur de zone. À l’étape 2, le côté « A » du cordon de référence (TRC) est mesuré. Enfin, à l’étape 3, le côté « B » du cordon d’essai est mesuré.
Figure 1 – Méthode générale pour tester un cordon d’essai court
La figure 2 montre un processus généralisé en deux étapes permettant de mesurer et de valider l’affaiblissement d’une liaison permanente. À l’étape 1, la puissance de sortie du cordon d’amorce non BIMMF est annulée à l’aide d’un wattmètre optique doté d’un grand photodétecteur de zone (1 mm ou plus grand). À l’étape 2, le cordon de réception est ajouté à l’extrémité de l’installation de câblage. Tous les cordons d’essai sont réalisés à l’aide de la fibre optique classique (fibre non BIMMF). La mesure d’affaiblissement finale est alors réalisée.
Figure 2 – Méthode générale visant à tester une liaison permanente
La figure 3 montre le test complet en quatre étapes qui comprend la référence, la validation du cordon de réception et test effectif de la liaison permanente à l’aide d’une amorce de flux inscrit sur un cordon d’amorce non BIMMF et sur un cordon de réception non BIMMF. Le câblage faisant l’objet de test peut être compatible BIMMF, non BIMMF ou un mélange des deux.
Figure 3 – Processus en quatre étapes visant à tester une liaison permanente
RÉSUMÉ
La fibre BIMMF permet aux installateurs de câblage de déployer un réseau avec moins d’inquiétude quant aux pertes dues aux courbures lors de la réalisation des tâches. Les fibres optiques BIMMF sont comparables et compatibles avec d’autres fibres optiques multimodes non sensibles aux courbures, tels que OM3 et OM4. Cependant, la conception de la BIMMF est essentielle pour parvenir à une bonne compatibilité.
Pour un fonctionnement correct des liaisons BIMMF, qu’elles soient homogènes ou mélangées avec la fibre optique existante, il est important d’utiliser une amorce contrôlée beaucoup plus rigoureusement : le flux inscrit. Une injection trop forte peut piéger davantage de modes d’ordre supérieur dans la tranchée (c’est-à-dire, des modes de fuite) et les performances seront compromises. Puisqu’il est difficile d’utiliser une fibre optique BIMMF avec un mandrin et un cordon d’amorce, et comme un mandrin commun produit des résultats de longueur d'onde biaisés, des câbles qui ne sont pas de type BIMMF doivent être utilisés comme cordons d’amorce.
La méthode de référence à un cordon peut permettre de réaliser les mesures les plus précises lorsqu’il s’agit de tester des cordons d’essai courts constitués de fibre BIMMF ou une liaison contenant de la fibre BIMMF. Il est recommandé que la fibre non BIMMF soit utilisée comme cordon de réception lors de la mesure des liaisons permanentes. Ainsi, l’on évite des résultats trop optimistes et une conception BIMMF non optimale.
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