Tutoriel : Fibre optique
La fibre optique est très souvent utilisée pour les réseaux industriels. Elle permet une transmission fiable à haut-débit, et à des débits très élevés. Elle est particulièrement robuste pour assurer des communications numériques en environnement industriel et est insensible aux perturbations électromagnétiques.
Technologie
Principe de fonctionnement
Une fibre optique est un fil de verre ou plastique permettant de guider la lumière en son cœur. Elle utilise le principe de réfraction de la lumière pour transmettre des données numériques.
La lumière se propage dans le cœur de la fibre. Une gaine optique, ou cladding, entoure le cœur afin de guider la lumière et de favoriser la transmission du signal.
Les deux principaux constituants d’une fibre :
- Le cœur où la lumière voyage.
- La gaine optique ou cladding permet de guider la lumière pour qu’elle reste dans la fibre.
Une fibre optique utilisée pour les besoins industriels est unidirectionnelle ; il faut obligatoirement deux pour faire une communication de type ETHERNET ou PROFIBUS. Une pour l’émission et une pour la réception.
Il existe deux grandes catégories de fibres optiques, multimodes et monomode. Chacune avec des caractéristiques différentes déterminant un usage spécifique.
Les fibres multimodes possèdent un diamètre de cœur compris entre 50 µm et 62.5 µm. Elle fonctionnent sur le principe de gradient d’indice. La lumière est guidée dans le cœur et le cladding, mais de la dispersion se produit. Cela limite le débit des informations numériques que l’on peut échanger.
Les fibres monomodes possèdent un diamètre de cœur de 9 µm, limitant largement la dispersion de la lumière. Cela permet un débit et des distances de transmissions plus importants qu’avec des fibres multimodes.
Normes :
La norme internationale ISO/CEI 11801 spécifie les recommandations en matière de systèmes de câblage ETHERNET. Cette norme couvre à la fois le câblage cuivre et fibre optique. Elle est constituée en différentes parties principales :
- ISO/CEI 11801-1 Exigences générales
- ISO/CEI 11801-2 Locaux bureautiques
- ISO/CEI 11801-3 Locaux industriels
Types de fibres et performances associés en fonction des transceivers utilisés :
La fibre multimode est préfixée avec « OM » et la fibre monomode avec « OS ». Chaque « OM » comporte une exigence liée à la bande passante minimale.
Atténuations :
L’atténuation caractérise l’affaiblissement du signal au cours de la propagation de la lumière dans la fibre optique. Il s’agit d’une perte de puissance optique s’exprimant en dB.
Atténuations max sur l’ensemble du lien :
Chaque connexion engendre des pertes en dB soit :
- Pertes par connecteurs accouplés (dB) = 0.75 dB x Nbr de connecteurs
- Pertes par épissures (dB) = 0.3 dB x Nbr d’épissures
Donc pour calculer l’atténuation totale d’une liaison optique, il faut prendre en compte :
- Le type de fibre
- La longueur du câble
- La longueur d’onde
- Le nombre de connecteurs accouplés
- Le nombre d’épissures
Avantages à utiliser la fibre optique plutôt qu’une liaison électrique :
La fibre optique est une alternative à la paire torsadée cuivre, classiquement utilisée pour les réseaux industriels (CAN, RS485, ETHERNET 100baseT, …). Elle possède de nombreux avantages :
- Immunité aux perturbations CEM et chocs électriques (foudre)
- Pas de boucle de courant par le blindage et la masse
- Longues distances de transmissions haut débit
- Câble fin et léger
- Pas de danger d’électrocution
- Durée de vie supérieure au câble cuivre
- Grande gamme de câbles et d’équipements disponible
Inconvénients :
- Délicat à connectoriser
- Ne doit pas être stressé mécaniquement
- Ne permet pas de transmission de puissance (PoE)
Cas d’application industrielles
Les principaux liens du réseau OT (liens backbones) sont souvent réalisés par fibre optique. Cela permet de couvrir des longues distances inter-bâtiments tout en autorisant des débits très élevés.
Les liaisons vers les antennes 5G déportées sont également réalisées par fibre optique afin de couvrir toute la distance jusqu’à l’antenne 5G généralement déportée.
Les liens optiques du réseau OT convergent souvent vers le cœur de votre réseau pour combiner les composants matériels et logiciels qui constituent et centralisent la communication des données entre appareils. Ils sont souvent utilisés pour réaliser des anneaux redondants, augmentant la disponibilité de vos installations.
Matériels pour réaliser un lien optique
Câbles :
Les câbles optiques regroupent généralement plusieurs fibres. Il en existe différentes sortes selon l’utilisation. Voici les principales caractéristiques à considérer lors de votre sélection :
- Câble rigide pour lien permanent, ou lien souple pour connectorisation directe, sans passage par une baie de brassage.
- Nombre de paires de fibres
- Cable préconnectorisé
- Contraintes environnementales (résistance au piétinement, anti-rongeur, insensible aux courbures, etc)
Connecteurs :
Il existe différents types de connecteurs. Ils doivent minimiser les pertes optiques, être résistants, faciles à manipuler, et d’un encombrement réduit.
LC
Le connecteur bi-fibre LC (Lucent Connector) permet de réduire de moitié la taille des connecteurs existants. Il répond à la norme IEC 61754-2.
Ces connecteurs sont à privilégiés sur les installations récentes.
SC
Le connecteur SC (Standard Connector) est carré et de petite taille. Sa férule flottante permet d’éviter les déconnexions en cas de contraintes sur le câble. Sa petite taille permet de gérer une densité de connexions importante.
Le connecteur SC est le plus employé actuellement. Il répond à la norme IEC 60874-14.
ST / BFOC
Le connecteur ST/BFOC (Straight Tip / Bayonet Fiber Optic Connector) rappelle les fiches BNC, le verrouillage s'effectue par ¼ de tour, il répond à la norme IEC 60874-10.
Ces connecteurs sont plutôt anciens. On les retrouve encore sur les anciens réseaux PROFIBUS.
Adaptateurs :
Des adaptateurs permettent de passer d’un type de connecteur à un autre.
Baies de brassage :
Les baies de brassage 19’’ est généralement utilisée pour centraliser les éléments actifs du réseau industriel (switches, routeurs, firewalls, serveurs). Le câble optique arrive dans la baie, puis entre généralement dans un tiroir optique.
Le tiroir optique permet de connectoriser chaque fibre, afin d’assurer la distribution vers le matériel actif.
Une cassette plastique est généralement intégrée dans le tiroir optique. C’est ici qu’on réalise les épissures pour le raccordement de fibres préconnectorisées aux fibres du câble optique. Il est aussi possible de connectoriser directement les fibres arrivant du câble.
Il existe des boitiers optiques qu’on peut fixer dans une armoire électrique, sur un pan de l’armoire, ou sur un rail DIN. Ils assurent la fonction de connectoriser les fibres d’un câble optique.
Des labels doivent permettre d’identifier à coup sûr les connecteurs terminant chaque fibre, en façade des différents tiroirs optiques.
Jarretières :
Les jarretières optiques sont généralement utilisées pour connecter les équipements actifs (switch, routeurs, firewall, …) au tiroir optique.
Il s’agit de lien souple pour faciliter la connexion au transceiver de l’équipement.
Critères de sélection :
- Type de fibre
- Longueur
- Connectiques
Le choix de la jarretière doit être cohérent avec le type de fibre du lien permanent.
Les jarretières sont préconnectorisées et certifiées.
La couleur de la gaine est normalisée :
- Jaune : fibre monomode 9/125µm OS1 ou OS2
- Orange : fibre multimode 62,5/125µm OM1 ou OM2
- Turquoise : fibre multimode 50/125µm OM3 (parfois OM4 pour certains fabricants américains)
- Magenta : fibre multimode 50/125µm OM4
Il existe aussi d’autres couleurs de fibres, non standardisées.
Le type de fibre est indiqué sur la gaine du câble.
Il est nécessaire de prévoir un marquage adapté sur les jarretières et les liens permanents, afin de bien repérer les tenants et aboutissants.
Transceiver :
Le Transceiver optique, également appelé module optique, permet la conversion entre les signaux électriques et optiques.
C'est le dispositif permettant de connecter les équipements de communication aux fibres optiques. Le module optique est généralement composé d'un sous-ensemble optique émetteur, d'un sous-ensemble optique récepteur, d'un circuit de commande et d'une interface optique et électrique.
Exemple de module SFP : lien vers modules Siemens
Module SFP :
Phases de conception de l’infrastructure de communication et déploiement
Conception :
Le choix du transceiver se fait en fonction du besoin de débit sur une longueur donnée.
Choix des câbles selon longueur / débit / environnement :
Afin de choisir convenablement ses câbles optiques, il est nécessaire de prendre en compte la longueur, le débit, ainsi que l’environnement et ses contraintes associées.
MM et SM correspondent respectivement aux types de fibre Multimode et Monomode.
Il est important de sélectionner des câbles adaptés à l’environnement :
- Cable standard, pour pose fixe en chemin de câble.
- Câble fibre armé acier : Il conserve toutes les caractéristiques d'un câble de fibres standard, mais il est beaucoup plus résistant. Le câble blindé de fibres peut résister au piétinement d'un adulte et il est anti-rongeurs.
- Câble fibre insensible aux courbures : Ce câble de raccordement de fibre est très résistant aux dommages et pertes liés à la flexion et plis. Il a un faible rayon de pliage du câble et évite des pertes de courbure supplémentaires. Il est conçu pour prendre en charge le câblage haute densité qui doit être enroulé et prendre des angles serrés.
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Conseils pour le déploiement de l’installation optique:
Pour un déploiement optimal, il est nécessaire d’effectuer un tirage soigneux des câbles optiques, et de protéger les connecteurs.
- Déployer le câble avec soin. Ne pas le plier, tordre, pincer, étirer.
- Utiliser les outils adaptés pour connectoriser: Des kits de terminaison fibre optique ou coffret de connectorisations existent pour faciliter le montage sur site.
- Nettoyer soigneusement l’extrémité de la fibre, au niveau du connecteur. La moindre salissure peut limiter le passage de la lumière et engendrer des pertes de transmissions. Il existe des lingettes, sprays, pinceaux de nettoyage dédiés. Un microscope numérique permet d’inspecter l’état de la face de la fibre.