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Chapitre 4 Fibre optique La fibre optique - Le signal lumineux est propagé dans

Chapitre 4 Fibre optique La fibre optique - Le signal lumineux est propagé dans et à proximité du cœur. - La gaine optique sert essentiellement à amener le diamètre à 125 μm, pour des raisons mécaniques. Son indice de réfraction est inférieur à celui du cœur. Cela permet à la lumière de se réfléchir. - Le revêtement sert à protéger la fibre optique La fibre optique: structure La fibre doit pouvoir entrer en contact avec des supports ou un tube de protection sans que les réflexions internes soient perturbées. A cet effet, on entoure le cœur de la fibre d’une gaine dont l’indice de réfraction est plus faible. Les réflexions totales sont ainsi reportées à la surface de séparation entre ces deux milieux, donc à l’intérieur de la fibre. La fibre optique: structure Le matériau généralement utilisé pour les fibres optiques est un verre de quartz (silice) extrêmement pur, avec adjonction contrôlée de traces d’autres éléments pour maîtriser l’indice de réfraction. Les fibres sont placées dans un tube de protection, puis réunies en un câble à plusieurs fibres, armé d’acier ou de kevlar pour supporter la traction, si nécessaire. La fibre optique: Domaine d’utilisation • Télécommunications: Liaisons urbaine et interurbaines (grande capacité), liaisons sous-marines; • Vidéocommunications • Liaison et réseaux de données • Liaisons industrielles • Capteurs et instrumentation La fibre optique: Affaiblissement intrinsèque L’affaiblissement intrinsèque de la fibre est dû essentiellement à l’absorption et à la diffusion de la lumière dans le matériau diélectrique de la fibre. Les impuretés et les inhomogénéités sont des sources de perte de puissance optique transmise. La réduction de l’affaiblissement linéique est donc avant tout une affaire de technologie et de méthode de production. La fibre optique: Affaiblissement intrinsèque L’atténuation dans une fibre optique est le rapport en dB des puissances lumineuses à la sortie et à l’entrée de la fibre par unité de longueur de propagation: : La puissance injectée à l’entrée de la fibre La puissance mesurée en sortie De valeurs supérieures à 1000 dB/km en 1966, on a pu passer à seulement quelques fractions de dB/km. L’affaiblissement est plus favorable dans le domaine de l’infrarouge proche (0,7… 1,6μm) que dans celui de la lumière visible (0,4…0,7μm). La fibre optique: Affaiblissement intrinsèque Elle montre aussi les progrès technologiques réalisés depuis 1973. La fibre optique: Affaiblissement intrinsèque Elle montre aussi les progrès technologiques réalisés depuis 1973. La valeur limite inférieure de l’affaiblissement est donnée par la loi de diffusion de Rayleigh La fibre optique: Affaiblissement intrinsèque Elle montre aussi les progrès technologiques réalisés depuis 1973. Phénomène prédomine aux courtes longueurs d’onde. Il est dû aux fluctuations de compositions du verre composant la fibre. La fibre optique: Affaiblissement intrinsèque Elle montre aussi les progrès technologiques réalisés depuis 1973. L’effet Rayleigh se traduit par une diffusion des photons dans toutes les directions. La fibre optique: Affaiblissement intrinsèque Elle montre aussi les progrès technologiques réalisés depuis 1973. La présence d’impuretés dans la fibre provoque l’apparition de plusieurs bandes d’absorption dont la principale est la résonance fondamentale de l’ion à 1,39 La fibre optique: Affaiblissement intrinsèque Elle montre aussi les progrès technologiques réalisés depuis 1973. Le pic à 1,24 est un autre mode de vibration de l’ion . La fibre optique: Affaiblissement intrinsèque On remarque l’existence de trois « fenêtres », régions où l’atténuation est minimale. La première ( La deuxième ( présente en outre l’avantage d’une dispersion chromatique minimale. La troisième ( correspond au minimum absolu d’affaiblissement. La fibre optique: Conditions de propagation L’optique géométrique (loi de Descartes) permet d’écrire: La fibre optique: conditions de propagation A la limite de la réflexion totale Tout rayon incident tel que pénètre dans le cœur de la fibre et y est guidé par réflexion totale. L’ensemble de ces rayons est contenu dans le cône d’acceptance. La fibre optique: ouverture numérique (Définition) L’ouverture numérique de la fibre exprime sa faculté de capter la lumière d’une source à sa section frontale. Elle est directement liée à l’ouverture du cône d’acceptance des rayons lumineux critiques conduisant encore juste à une réflexion totale. La fibre optique: ouverture numérique (Définition) L’ouverture numérique N d’une fibre à saut d’indice () est définie par: Compte tenu de , l’ouverture numérique est aussi: La fibre optique: ouverture numérique (Définition) Pour une interface frontale avec l’air ( on remarque que: L’ouverture numérique est alors égale au sinus du demi-angle d’ouverture du cône d’acceptance. La fibre optique: Notion de mode L’optique géométrique ne suffit pas de décrire la propagation de la lumière dans une fibre. La théorie des ondes électromagnétiques, basée sur les équations de Maxwell, permet une approche plus féconde dont seuls les principaux résultats sont résumés comme suit: Seuls certains angles discrets conduisent à des situations stables, appelées modes, caractérisées par une onde stationnaire transversale et une onde progressive longitudinale. onde stationnaire transversale onde progressive longitudinale La fibre optique: Notion de mode Le nombre M de modes possibles dans une fibre cylindrique dont le cœur a un rayon r dépend d’un paramètre caractéristique V (appelé aussi « fréquence normalisée »): Où N est l’ouverture numérique de la fibre et la longueur d’onde dans le vide (dans le cœur, elle vaut : : fibre monomode : fibre multimode La fibre optique: Notion de mode En particulier, si , il n’y a plus qu’un seul mode possible, avec une valeur déterminée (faible, mais différente de zéro) de . La fibre alors monomode. Pour une fibre donnée, cette propriété dépend de la longueur d’onde. Aux longueurs d’onde usuelles (« fenêtre »), elle implique un cœur de très petit diamètre (quelques microns). La fibre optique: Notion de mode C'est grâce à la fibre monomode qu'il est possible d'atteindre des taux d'atténuation très faible sur de longues distances. En effet, par une propagation en ligne droite, il n'y a pas d'atténuation dû à la réfraction du signal sur la gaine optique que l'on retrouve dans le cas d'une fibre multi-mode. La fibre optique: Notion de mode Pour , la fibre est multimode. La fibre qui transmet plusieurs rayons, elle est appelée fibre multimode. Pour transmettre plusieurs rayons, avec des chemins différents, le cœur de la fibre multimode doit être plus grand que celui de la fibre monomode. L’énergie se répartit sur plusieurs chemins possibles, appelés couramment modes La fibre optique: Notion de mode Pour , la fibre est multimode. La fibre qui transmet plusieurs rayons, elle est appelée fibre multimode. Pour transmettre plusieurs rayons, avec des chemins différents, le cœur de la fibre multimode doit être plus grand que celui de la fibre monomode. Les chemins optiques étant de longueurs différentes, les temps de propagation sont donc différents, limitant ainsi la bande passante de la fibre (conséquence de la dispersion modale) La fibre optique: Notion de mode Pour , la fibre est multimode. La fibre qui transmet plusieurs rayons, elle est appelée fibre multimode. Pour transmettre plusieurs rayons, avec des chemins différents, le cœur de la fibre multimode doit être plus grand que celui de la fibre monomode. La capacité de transmission des fibres multimodes est fortement réduite, notamment lors des transferts d’informations en hauts débits et sur de longues distances. La fibre optique multimode • Fibre à saut d’indice multimode Indice de réfraction dans le cœur constant La fibre optique multimode • Fibre à gradient d’indice multimode L’indice du cœur diminue suivant une loi parabolique depuis l’axe jusqu’à l’interface cœur-gaine. La diminution de l’indice fait que la lumière se propage plus vite, ce qui réduit la dispersion intermodale. La fibre optique: Notion de mode Propagation dans la fibre optique Le chemin fait par un rayon est aussi appelé un mode. Lorsqu’une fibre optique transmet un seul rayon, elle est appelée fibre monomode. La fibre optique: Notion de mode Contrairement à la vision simplifiée que donne l’optique géométrique, la gaine est aussi le siège d’une propagation longitudinale, mais l’amplitude de cette onde décroît exponentiellement. Néanmoins, l’épaisseur de la gaine doit être suffisante pour ne pas entraver cette propagation Dans une fibre multimode, des irrégularités minimes (microcourbures, ellipticité, etc.) modifient localement les conditions de réflexion et perturbent la stabilité des modes: une partie de l’énergie est alors perdue dans la gaine ou convertie en d’autres modes. Comparatif La fibre optique: Fabrication des fibres Fabrication de la fibre optique Installation de câbles de communication sous la mer La fibre optique: Fabrication des fibres On chauffe les gaz réactifs dans un tube de silice tournant autour de son axe. En fonction des gaz introduits dans le tube, on obtiendra une silice dopée de manière contrôlée La fibre optique: Fabrication des fibres Par déplacement en passes successives du chalumeau dont la température est contrôlée, on dépose des couches dont on peut faire varier l’indice sachant que: Le Ge ou le Ph augmentent l’indice Le B ou le Fl le diminuent La fibre optique: Fabrication des fibres On obtient ainsi un tube creux que l’on démonte et que l’on peut tremper dans une solution contenant les terres rares (erbium, néodyme, ytterbium, …) pour la réalisation de fibres dopées. La fibre optique: Fabrication des fibres Le tube est uploads/Finance/ chap-4 1 .pdf