Les Connecteurs Optiques Durcis

Le 01/11/2014 à 13:30

L'essentiel

Longtemps considérées comme chères et fragiles, les interconnexions optiques sont, depuis plusieurs années maintenant, utilisées dans des environnements hostiles.

Des secteurs tels que la Défense, l'aéronautique, l'industrie du pétrole et du gaz, l'énergie, l'océanographie, la construction d'ouvrage d'art, entre autres, y ont recours.

Le choix d'une solution optique peut s'avérer gagnant dans de nombreux cas, mais choisir une connectique optique «durcie» nécessite d'identifier les besoins du projet dès le départ.

Performantes, certes, mais trop chères, trop fragiles et trop contraignantes! Telle est l'image qui a longtemps collé à la peau des solutions d'interconnexion à base de fibres optiques. S'il est indéniable que, malgré un rapprochement certain, le coût installé des liaisons optiques reste globalement supérieur à celui des liaisons cuivre compte tenu des constituants actifs desdites liaisons (diode électroluminescente ou Led, laser, récepteur optique, convertisseur électro-optique, répétiteur, etc.), pour le reste, les choses ont pourtant bien changé au cours des 15 ou 20 dernières années.Aujourd'hui, la connectique optique n'est plus réservée aux seules applications «confortables» prenant place dans des environnements contrôlés, type entreprise, même si les télécoms et les réseaux constituent, aujourd'hui encore, et de loin, ses principaux débouchés. Alors que le secteur de la défense a été le premier, dans les années 1990, à comprendre que les interconnexions optiques pouvaient être utilisées dans des milieux hostiles, cette technologie a, depuis, gagné nombre d'applications en environnements sévères, voire très sévères, telles que l'aéronautique, le naval, le militaire, le médical, l'industriel, le bâtiment, l'industrie pétrolière et gazière, etc. En particulier grâce à une baisse des prix, à un besoin croissant en bande passante, à l'amélioration de la solidité et de la fiabilité des solutions et à une généralisation de la convergence des protocoles vers le monde de la propriété intellectuelle.

Deux exemples suffisent à se convaincre que connectique optique et environnements sévères font désormais bon ménage. Aujourd'hui, il est par exemple possible de filmer à des profondeurs de plus de 100m des fonds sous-marins avec des caméras haute définition munies de liaisons optiques. Ou bien encore de sonder en temps réel les contraintes (pression de l'eau, force du vent, ondes sismiques, vibrations, variations de températures…) subies, par exemple, par la coque d'un brise-glace voguant dans l'Arctique, grâce à des capteurs optiques incorporés dans la structure même du navire dont les informations sont recueillies et transmises par fibres optiques à une centrale de surveillance. On peut également envisager l'utilisation de l'optique pour le contrôle de la structure des équipements liés à l'industrie pétrolière (supertanker, plate-forme pétrolière, oléoduc), des ouvrages d'art (gratte-ciel, pont, barrage…) ou même des moyens de transport collectifs (avion, train à grande vitesse…). Bref, on est loin des conditions d'une douillette salle informatique!

Des avantages indéniables mais…

Même le secteur des télécoms expose aujourd'hui la connectique optique à des contraintes beaucoup plus importantes que par le passé.Ainsi, les réseaux 3G ont migré vers une architecture distribuée: au lieu que la station de base soit implantée dans le bâtiment dont le toit accueille l'antenne émettrice, elle prend place sur un site externe pouvant être localisé à plusieurs kilomètres de l'antenne. La connexion entre la station de base et l'antenne nécessite alors l'emploi de la fibre optique et soumet les connecteurs dédiés aux contraintes d'une application en extérieur, avec ce que cela suppose en termes de compatibilité avec des conditions climatiques parfois difficiles.

Cela fait déjà longtemps que les solutions d'interconnexion optiques sont utilisées dans des environnements particulièrement hostiles. Les secteurs de la Défense, de l'aéronautique, du pétrole et du gaz, de l'énergie, de l'océanographie ou de la construction d'ouvrage d'art, en autres, y ont recours.

Moyennant l'ajout d'un boîtier de protection, un connecteur optique standard peut être transformé en un connecteur durci et étanche, utilisable, par exemple, dans des applications industrielles.

Du fait de son prix, l'optique reste réservée à des applications pour lesquelles le cuivre n'offre pas de garanties suffisantes en termes de performances, de flexibilité mais aussi d'évolutivité de la solution mise en œuvre. Que l'application prenne place en milieu hostile ou non, les interconnexions optiques recèlent de nombreux avantages par rapport aux solutions cuivre. Les plus couramment cités sont: une transmission sur de longues distances (plus de 150km sans répétiteur en fibre monomode contre environ 300m dans le cas d'un câblage coaxial), une bande passante très élevée (débits de plusieurs Tbit/s possibles sur une seule fibre multiplexée), un poids réduit (câble fibre environ 10 fois moins lourd qu'un câble cuivre quadrax fréquemment utilisé dans l'aéronautique) ou une section de câble très faible (espacement de seulement 125µm entre fibres dans un câble plat optique). Ajoutons à cela une immunité totale aux interférences électromagnétiques et radiofréquences ainsi qu'aux surtensions et aux arcs électriques (en particulier à la foudre), une compatibilité avec les environnements explosifs, ou bien encore une sécurisation intrinsèque des transferts de données (un signal transmis par fibre optique ne peut être intercepté). Enfin, et ce n'est pas la moindre de ses qualités, la fibre optique permet aux équipementiers de voir l'avenir à long terme. En effet, la capacité des fibres est telle que les OEM auront tout le loisir d'installer des équipements de prochaine génération, et même de la génération suivante, sans qu'il soit nécessaire de changer les liaisons optiques proprement dites. A l'énumération de ces qualités, on comprend mieux l'attrait de certains secteurs pour l'optique, à l'image des télécoms, de l'aéronautique ou du militaire.

L'un des atouts d'une connectique spécifique réside dans sa modularité, un même connecteur pouvant par exemple accueillir à la fois des contacts optiques et des contacts de puissance, en fonction des besoins de l'application visée.

Tout irait pour le mieux dans le meilleur des mondes si la «fragilité» intrinsèque de la connectique optique standard,de même que la complexité de la maintenance des connecteurs dédiés ne venaient assombrir ce tableau idyllique dans le cas d'applications prenant place en environnements sévères. Comment, dans ces conditions, garantir l'intégrité de la structure mécanique de ces connecteurs, sachant qu'ils se présentent tout de même sous la forme d'une mécanique de haute précision capable, dans le cas de versions monomodes, de conserver un alignement parfait entre deux fibres dont le cœur mesure seulement 9µm de diamètre? Et comment assurer le maintien des performances optiques dans des conditions climatiques difficiles, alors que la moindre particule micrométrique logée à l'interface des fibres peut dégrader fortement les pertes d'insertion de ces connecteurs?

Connecteurs standard durcis ou spécifiques ?

Deux options s'offrent alors aux connecticiens: recourir à des connecteurs optiques spécifiquement conçus pour résister à ces environnements difficiles, ou utiliser des connecteurs standard développés à l'origine pour les télécoms, donc plutôt habitués aux locaux à température contrôlée, auxquels on ajoute un boîtier de protection pour les «durcir». Cette deuxième solution est principalement employée pour des connecteurs de type LC ( Lucent Connector ), (SC Subscriber Connector ), MT-RJ ( Mechanical Transfert Registered Jack) ou bien encore MPO/MTP ( Multifiber Push-On/Mechanical Transfer Pull-off ), qui constituent actuellement les quatre principaux standards optiques les plus utilisés dans les applications télécoms.

Une myriade de fonctionnalités très utiles mais parfois coûteuses

Légers,compacts et ne nécessitant parfois pas de désassemblage du câble pour les fixer autour des connecteurs de base,la plupart des boîtiers durcis offrent avant tout une protection en matière d'étanchéité et de résistance aux chocs et aux vibrations. Peuvent également se greffer à cela des fonctionnalités intéressantes telles que, par exemple, un mécanisme de guidage pour faciliter le branchement in situ, parfois même en aveugle, ou un dispositif de verrouillage pour sécuriser la connexion. A noter que, compte tenu de leurs interfaces standard, ces connecteurs peuvent également se brancher directement (sans adaptateur) à des connecteurs standard non durcis de type LC, SC, MT-RJ et MPO/ MTP, une fonctionnalité bien utile dans le cadre de procédures éventuelles de test de ligne.Le must reste néanmoins le connecteur durci spécifique qui peut prendre en compte de nombreux paramètres lors de son développement, comme, par exemple, une capacité à être immergé en permanence (IP68), à supporter des hautes pressions (10 bar et plus) ou à résister à des contraintes vibratoires ou mécaniques très importantes.

Les connecteurs spécifiques offrent également un avantage de plus en plus prisé, à savoir la possibilité d'accueillir des blocs de contacts hybrides permettant de faire cohabiter dans un seul et même boîtier plusieurs types de contacts (optique, signal, coaxial, quadrax, puissance). En plus de la modularité, ce procédé constitue également un moyen très efficace de réduire encore le poids et l'encombrement de la connectique dans de nombreuses applications. Par exemple, l'association contacts optiques et contacts quadrax est particulièrement appréciée en aéronautique, en particulier pour les applications IFE ( In-Flight Entertainment ). De même, dans les applications télécoms, des connecteurs et câbles intégrant à la fois signaux optiques, pour la transmission de données, et contacts de puissance, pour l'alimentation des équipements, sont de plus en plus prisés.

Mais tous ces avantages ont évidemment un coût et la connectique optique spécifique pour environnements sévères se paie généralement au prix fort. Alors, connecteurs standard durcis ou spécifiques? Il n'y a malheureusement pas de règle universelle et le choix doit se faire au cas par cas, en fonction des exigences imposées le plus souvent par les conditions expérimentales dans lesquelles prend place l'application. L'industrie de l'aéronautique a, elle, choisi de mixer les deux en développant des contacts optiques et inserts associés spécifiques, pouvant s'incorporer aisément dans les boîtiers des connecteurs cuivre standard du militaire et de l'aéronautique, tels que les modèles rectangulaires et modulaires de typeArinc 600, et circulaires de type Mil-DTL-38999. Ou comment passer du cuivre à l'optique sans changer nos bonnes vieilles habitudes!

Une règle d'or : identifier les besoins d'un projet dès le départ

Une fois convaincu de l'intérêt de passer des solutions cuivre à la fibre optique, il reste maintenant à faire le bon choix quant aux solutions à mettre en œuvre. Ce qui n'a rien de trivial car, entre grands généralistes de la connectique, sociétés spécialisées ou PME touche-à-tout, l'offre en connectique optique pour environnements sévères est relativement vaste et couvre de multiples applications. Mais une chose est sûre : la réussite du déploiement d'une telle solution d'interconnexion passe avant tout par une compréhension des besoins spécifiques de l'application visée dès la phase initiale de son développement.

En aéronautique, les connecteurs standard rectangulaires de type Arinc 600 ou circulaires de type Mil-DTL-38999 disposent de contacts optiques amovibles afin de permettre une maintenance aisée.

TE Connectivity

Les fournisseurs de connecteurs optiques se comptent par centaines à travers le monde. Mais dès que la recherche se focalise sur les fabricants de solutions optiques dédiées aux environnements sévères,la liste est beaucoup plus restreinte. Il faut dire que la problématique et le savoir-faire sont complètement différents, compte tenu des environnements dans lesquels sont déployées ces solutions. Il n'empêche: l'offre est tout de même bien fournie, comme le montre le tableau de cet atricle suivant qui n'a pas la prétention d'être exhaustif mais qui répertorie les familles de connecteurs optiques durcis les plus représentatives des principaux fournisseurs en la matière. Dans ce tableau cohabitent des géants de la connectique, des sociétés spécialisées dans les connecteurs pour environnements sévères,ou bien encore des connecticiens de taille moyenne que l'on pourrait qualifier de généralistes.

Comme dans toute solution d'interconnexion, il convient de considérer les liaisons dans leur ensemble, de la source lumineuse (diodes laser, Led…) aux récepteurs, en passant par les fibres et câbles optiques, les connecteurs, sans oublier les accessoires an-nexes. Dans le cas d'une application en environnement sévère, les connecteurs revêtent une importance toute particulière dans la mesure où ce sont des dispositifs de précision, donc les plus à même de faillir une fois placés dans des conditions expérimentales difficiles.

Dans le choix d'une connectique optique durcie, tout commence de la même manière que pour de la connectique optique standard. En dehors des paramètres inhérents au choix de tout connecteur, qu'il soit optique ou cuivre (type de boîtiers, dimensions, système de couplage ou de ver-rouillage, nombre de canaux, diamètre des câbles compatibles), il faut tout d'abord déterminer la distance de la liaison et sa bande passante et ainsi opter pour un fonctionnement en monomode ou en multi-mode, ce qui conditionne non seulement le choix de la fibre optique mais également celui de la source lumineuse (diode laser en monomode, Led en multimode).

Dans leur immense majorité,les connecteurs de notre tableau se déclinent à la fois en versions monomode et multimode. Il est ensuite important de fixer l'atténuation optique maximale qu'il est possible de tolérer pour l'application en question, ce qui influe directement sur le choix du connecteur. L'introduction de ce dernier dans une liaison génère en effet des pertes dites d'insertion. Elles sont de l'ordre de 0,5dB par connecteur, mais il est possible de descendre à 0,2dB dans certains cas.

Grâce à la technologie de contacts «lentillés » (extended beam en anglais), les connecteurs optiques deviennent des solutions d'interconnexion réellement tout-terrain. Nous sommes ici bien loin des environnements contrôlés de bureau ou d'entreprise dans lesquels officient les connecteurs optiques standard.

Pour une liaison monomode utilisant une diode laser,il faut également tenir compte des pertes en retour du connecteur. En effet, l'interface entre les deux fibres crée une réflexion partielle du signal optique incident. Le signal retour a pour effet de perturber de manière d'autant plus importante le fonctionnement d'une diode laser que la puissance optique réinjectée dans cette dernière est élevée. Les pertes en retour sont en général comprises dans une fourchette allant de - 30dB à - 45dB, mais il est possible de les abaisser à - 55dB pour un fonctionnement monomode avec diode laser. Les Led sont en revanche insensibles au signal retour, ce qui explique que les pertes associées ne soient pas mentionnées dans le tableau en multimode.

Un choix à ne pas prendre à la légère

En connectique optique pour environnements hostiles, la différence s'opère bien évidemment dans la capacité des connecteurs à résister à des conditions inhabituelles. Certains cahiers des charges imposent même aux connecticiens de procéder à des développements spécifiques, ce qui peut prendre du temps. On ne saurait donc trop conseiller de prendre en compte, dès les premières phases du développement d'un projet de ce type, les besoins précis que cela implique en termes de connectique.

Dans notre tableau, nous avons ainsi caractérisé les connecteurs en fonction du nombre de cycles de connexion/déconnexion qu'ils peuvent supporter, de leur plage de température de fonctionnement, de leur niveau d'étanchéité et de leur résistance aux chocs et aux vibrations, ce qui correspond aux cas les plus fréquemment rencontrés. Leur compatibilité éventuelle avec les standards en vigueur, régissant certaines conditions expérimentales, est également indiquée. Par ailleurs, la technologie de contact optique compte pour beaucoup dans le choix d'un connecteur de ce genre.

En connectique optique durcie,il existe deux technologies de contacts: d'une part, les contacts à bouts touchants ( physical contact ou butt-joint ), également utilisés en connectique optique standard, et d'autre part, les contacts à faisceau expansé ou contacts «lentillés» ( beam expanded ). Ces deux types de contact peuvent accueillir indifféremment des fibres optiques monomodes ou multi-modes. Comme dans tout connecteur optique, chaque contact, quelle que soit sa technologie, est basé sur un élément de précision nommé férule, le plus souvent en métal, en plastique ou en céramique. Il s'agit généralement d'un cylindre (1,25mm ou 2,5mm de diamètre pour les connecteurs optiques les plus courants) percé suivant son axe central d'un trou dans lequel vient se loger la fibre optique, maintenue dans la férule avec de l'époxy. La face de sortie de la fibre affleurant l'extrémité de la férule est ensuite polie en usine, afin d'obtenir le meilleur état de surface possible, limitant ainsi les pertes d'insertion.

Contacts à bouts touchants : flexibilité et évolutivité

Dans le cas des contacts à bouts touchants, comme leur nom l'indique, les faces des deux fibres sont mises en contact direct lorsque les deux parties du connecteur sont assemblées, de sorte qu'il n'y ait aucune lame d'air à l'interface des deux fibres susceptible d'accroître les pertes d'insertion. Dans le connecteur, une fois reliées les deux parties, une pièce de précision ( sleeve ) maintient les deux férules l'une en face de l'autre de manière à éviter tout désalignement radial des fibres. Dans le cas d'une fibre multimode, il s'agit d'aligner deux cœurs de fibres de 50 µm ou 62,5 µm de diamètre. En monomode, ce sont des cœurs de 9 µm de diamètre qu'il faut aligner ! Qui plus est, le maintien en contact des deux fibres est assuré par un ressort situé à l'arrière de chaque férule et prenant appui sur la structure du boîtier du connecteur. Ce ressort permet par ailleurs d'absorber les chocs et les vibrations sans incidence néfaste sur les performances des contacts. Les contacts à bouts touchants sont très utilisés dans les connecteurs optiques standard durcis. Ils sont également très prisés dans la connectique multipoint dédiée au militaire et à l'aéronautique. Dans ce cas, ils sont conçus pour s'incorporer aisément dans les inserts des connecteurs standard utilisés dans ce genre d'applications, tels que les connecteurs rectangulaires modulaires de type Arinc 600 et circulaires de type Mil-DTL38999. Les contacts cuivre amovibles à haut débit quadrax d'origine, très utilisés dans ces applications, peuvent ainsi être remplacés par des contacts optiques à bouts touchants, sans avoir à modifier la structure de ces connecteurs. Cette architecture présente un double avantage: celui de la flexibilité (réalisation de connecteurs hybrides avec contacts quadrax et optiques dans un même boîtier pour s'adapter au mieux aux besoins de l'application) et de l'évolutivité de la solution (passer du cuivre au tout optique sans changer la structure externe des connecteurs installés). Amphenol, ITT, Molex, Radiall et Souriau sont des grands spécialistes de cette connectique grâce à leurs technologies de contacts optiques nommées respectivement Optical Termini, PHD, LumaCore, LuxCis et Elio (à noter que TE Connectivity fournit également en seconde source la technologie LuxCis développée par Radiall). Bien que ces contacts optiques soient amovibles afin de faciliter leur maintenance, il n'est toutefois pas question de s'affranchir d'un nettoyage minutieux et régulier des faces de sortie des fibres optiques, afin de garantir le maintien des performances annoncées par les fabricants. Ce qui, en pratique, n'est pas toujours aisé.

Une technologie vraiment tout-terrain

'est la raison pour laquelle est apparue, ers le milieu des années 1990, une tech-ologie dite de contacts à faisceau expansé beam expanded) , ou contacts « lentillés », ont la principale caractéristique réside ans leur nature hermaphrodite (un seul ype de contact) et leur étanchéité, même orsque les deux parties du connecteur sont éconnectées, ce qui en fait une connec-ique réellement tout-terrain. L'étanchéité st assurée par une lentille en forme de bille scellée au boîtier du connecteur et placée devant la férule de la fibre, qui se trouve ainsi protégée du monde extérieur. Plus la peine de prendre toutes les précautions qu'imposent les connecteurs à contacts à bouts touchants lorsqu'ils sont découplés ou pour nettoyer leur interface optique. Cette structure de lentilles billes offre un autre avantage : celui d'être beaucoup plus tolérant que la technologie à bouts touchants au désalignement radial, aux vibrations et aux contaminants de type poussière, car le faisceau est ici élargi. En effet, lors d'une connexion, une partie du connecteur agrandit et «collimate» le faisceau optique en sortie de fibre, grâce à une première lentille, alors que l'autre partie du connecteur, qui se trouve en vis-à-vis, collecte le faisceau et le refocalise dans la fibre optique de réception à l'aide d'une seconde lentille.

Support technique et formation

Enfin, l'absence de contact physique entre les deux sections de fibres optiques tend à accroître le nombre de cycles de connexion/déconnexion qu'il est possible d'effectuer dans la vie d'un connecteur. En revanche, le contact lentillé délivre des performances optiques globalement inférieures à celles des contacts à bouts touchants (typiquement 0,7 dB de perte d'insertion en monomode contre 0,2 dB), se montre moins tolérant au désalignement angulaire et présente un diamètre et un poids supérieurs, sans compter son coût plus élevé ( voir tableau ci-contre ). A la manière de la technologie concurrente, le contact lentillé peut, lui aussi, s'insérer dans des connecteurs multipoints standard du militaire et de l'aéronautique, tels l'Arinc 600 et le Mil-DTL-38999. Mais ses domaines de prédilection sont surtout les applications de terrain, en particulier l'armement terrestre, la marine ou l'industriel de type géophysique, par exemple.

Signalons pour conclure que la plupart des fournisseurs de connectique optique durcie apportent un soin tout particulier au support technique à leurs clients. Certains vont même jusqu'à dispenser des formations pour que leurs clients mènent dans les règles de l'art les phases d'installation, de maintenance et de réparation de la solution de connectique optique durcie qu'ils ont choisie. Car de ces trois phases dépendent le bon fonctionnement et la pérennité de cette dernière.