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CH1- Les fibres optiques et la propagation de la lumière CH2- Les fibres optiqu

CH1- Les fibres optiques et la propagation de la lumière CH2- Les fibres optiques et la propagation de la lumière I- La propagation de la lumière 1- La source lumineuse 2- La longueur d’onde et l’indice de réfraction II- Les bases de l’optique géométrique 1- Les lois de Snell-Descartes 2- La réfraction limite et la réflexion totale III- La fibre optique 1- Les avantages de la fibre optique par rapport aux câbles en cuivre 2- Présentation de la fibre optique 3- Principe du guidage de la lumière dans une fibre optique IV- Structures des fibres optiques 1- Les fibres multimodes a- Les fibres à saut d'indice i- Présentation ii- Propagation de la lumière iii- Ouverture numérique (O.N) iv- Dispersion v- Dispersion intermodale ∆mod vi- Bande passante de la fibre BL b- Les fibres à gradient d'indice i- Présentation ii- Propagation de la lumière iii- Dispersion intermodale 2- Les fibres monomodes i- Présentation ii- Propagation de la lumière 3- Comparaison des performances des 3 types de fibres V- Caractéristiques des fibres optiques 1- Atténuation 2- Dispersion chromatique 3- Dispersion chromatique du guide d’onde 4- Dispersion totale 5- Les effets non linéaires VI- Raccordement de deux fibres optiques 1- Connexions 2- Comment raccorder deux fibres optiques a- L’épissure b- L’utilisation de connecteurs 3- Les différents types des connecteurs a- Les différents types des connecteurs b- Le couplage de la fibre optique VII- Mesures optiques 1- La mesure de perte par insertion 2- La mesure par rétrodiffusion (réflectométrie) VIII- Spécificités des réseaux tout optiques 1- Les fibres multimodes a- Les fibres à saut d'indice b- Les fibres à gradient d'indice 2- Les fibres monomodes - 1 - CH1- Les fibres optiques et la propagation de la lumière CH1- Les fibres optiques et la propagation de la lumière I- La propagation de la lumière 1- La source lumineuse Les trois différents types de sources lumineuses sont : a- Les sources à incandescence Tout corps chauffé émet un rayonnement électromagnétique. b- Les sources à luminescence Un atome peut en effet passer d’un niveau excité d’énergie Ej à un niveau d’énergie Ei plus faible en émettant un photon d’énergie c- Les sources monochromatiques Une source monochromatique est une source dont le spectre ne contient qu’une seule longueur d’onde. 2- La longueur d’onde et l’indice de réfraction a- La longueur d’onde λ0 dans le vide λ0=c ν c = 3.108 m.s-1 : la célérité de la lumière ν : La fréquence b- L’indice de réfraction n n=c v c = 3.108 m.s-1 : la célérité de la lumière v: la vitesse de propagation de la lumière dans le milieu c- La longueur d’onde λ dans un milieu différent du vide λ= λ0 n λ0 : La longueur d’onde λ0 dans le vide n: L’indice de réfraction NB: 1¿ λ= v ν= c n ν =1 n c ν =λ0 n 2) L'indice optique de quelques milieux: milieu vide air eau verre diamant indice 1 1, 0003≈ 1 1,33 1,4 -1,8 2,42 II- Les bases de l’optique géométrique L’optique géométrique est l’étude des phénomènes optiques dans l’approximation où tous les objets utilisés ont une dimension a grande devant la longueur d’onde de la lumière (λ<< a). 1- Les lois de Snell-Descartes Considérons un rayon incident sur un dioptre plan, c’est-à-dire une surface plane entre deux milieux optiques d’indices n1 et n2 différents. Ce rayon incident donne a priori lieu à un rayon réfléchi et un rayon réfracté selon la figure ci-dessous. C’est-à-dire qu’une partie de la lumière est réfléchie par la surface et reste donc dans le milieu n1, tandis qu’une autre traverse cette surface pour poursuivre sa course dans le milieu n2. Ce phénomène physique est régi par les trois lois de Snell–Descartes suivantes: 1er loi Le rayon incident et la normale définissent le plan d’incidence, dans lequel sont inclus les rayons réfléchis et réfractés. 2éme loi Les angles d’incidence et de réflexion vérifient : r = −i1 3éme loi Dans le cas où cette relation a un sens : n1 sin i1 = n2 sin i2 NB : En optique les angles, s’ils sont orientés, le sont toujours de la normale vers le rayon lumineux. - 2 - CH1- Les fibres optiques et la propagation de la lumière Le signe négatif de la deuxième loi est donc important. 2- La réfraction limite et la réflexion totale D’après la3éme loi de Snell–Descartes on à : n1 sin i1 = n2 sin i2 alors sin i2=n1 n2 sin i1 a- La réfraction limite (l’angle de réfraction limite i2lim ¿¿) b- La réflexion totale (l’angle d’incidence limite i1lim ¿¿) - Si n1 < n2 alors n1 n2 <1 donc n1 n2 sin i1<1 et par suite sin i2<1. - Dans ce cas il existe toujours un rayon réfracté. - Sii1= π 2, l’angle de réfraction est maximal (l’angle de réfraction limite i2sera notéi2lim ¿¿) et on a : sin i 2lim ¿= n1 n2 ¿ donc i 2lim ¿=arc sin( n1 n2 )¿ - Si n1 > n2 alors n1 n2 >1 donc il existe un angle i1 tel que n1 n2 sini1>1 implique sin i2>1 , ce qui n’a pas de sens. - Dans ce cas l’angle i2 n’est pas défini et il n’y a pas de rayon réfracté et la réflexion est totale. - Sii2=π 2, l’angle d’incidence est maximal (l’angle d’incidence limitei1sera notéi1lim ¿¿) et on a : sin i 1lim ¿=n1 n2 ¿ donc i 1lim ¿=arc sin( n2 n1 )¿ - 3 - CH1- Les fibres optiques et la propagation de la lumière III- La fibre optique - Les trois longueurs d’onde utilisées en communications optiques sont : 800 nm, 1300 nm et 1550 nm. - La bande de fréquences Téra hertz THz désigne les ondes électromagnétiques s'étendant de 100 GHz à 30 THz. 1- Les avantages de la fibre optique par rapport aux câbles en cuivre Il y a plusieurs avantages de la fibre optique par rapport aux câbles en cuivre : - Très faible atténuation (0.2 dB/km) - Très large bande passante (25 Téra Hz) - Faible poids - Sécurité électrique - Inviolabilité - Economique 2- Présentation de la fibre optique Une fibre optique est constituée de trois éléments ci-dessous: Le cœur Couche de verre dans lequel la lumière est guidée et se propage le long de la fibre. La gaine Couche de verre qui entoure le cœur. La composition du verre utilisée est différente de celle du cœur. L’association de ces deux couches permet de confiner la lumière dans le cœur, par réflexion totale de la lumière à l’interface cœur-gaine. La couche de protection un revêtement de protection mécanique généralement en PVC. 3- Principe du guidage de la lumière dans une fibre optique - Un rayon guidé va subir une réflexion totale à l'interface des deux couches optiques. - Si la lumière pénètre dans le cœur de la fibre avec un angle suffisamment petit, elle subit une réflexion totale à la surface qui sépare le cœur de la gaine, et elle se propage en zigzag le long de l'axe de la fibre, suite aux réflexions successives - Un rayon peut être simplement réfracté à l'entrée dans la fibre puis à l'interface des deux couches, il passera alors dans la gaine et sera perdu. - 4 - CH1- Les fibres optiques et la propagation de la lumière - Il existe un angle limite d’injection. Cet angle permet de définir ce qu'on appelle l'ouverture numérique (ON) de la fibre, ouverture qui dépend bien évidemment des indices respectifs des deux couches optiques. IV- Structures des fibres optiques Il existe deux types de fibres optiques : La fibre multimode La fibre monomode - Le diamètre du cœur est grand devant la longueur d’onde. Ce diamètre est de l’ordre de 50 à 200 μm pour les fibres de silice. - La propagation du rayon lumineux se fait selon des milliers de modes grâce à la réflexion totale sur la surface de séparation cœur-gaine. - Problème : aucun des modes n'arrive au même moment en bout de fibre. - Un diamètre de cœur (10 μm), faible par rapport au diamètre de la gaine (125 μm) et proche de l'ordre de grandeur de la longueur d'onde de la lumière injectée. - Le cœur est si fin que le chemin de propagation des différents modes est pratiquement direct (sans réflexion). Remarque: Il a 2 types de fibre multimode: - Les fibres multimodes à saut d’indice - Les fibres multimodes à gradient d’indice. 1- Les fibres multimodes a- Les fibres à saut d'indice i- Présentation Dans cette structure, le cœur, d’indice de réfraction n1, est entouré d’une gaine optique d’indice n2 légèrement inférieur. Ces indices sont voisins de 1.5 pour les fibres de silice. ii- Propagation de la lumière - 5 - CH1- Les fibres optiques et la propagation de la lumière Inconvénient: élargissement des impulsions lumineuses émises. iii- Ouverture numérique (O.N) En passant du milieu extérieur d'indice de réfraction next (généralement de l'air) dans le cœur de la fibre, l'onde est réfractée accord avec la loi de Snell–Descartes. On uploads/Geographie/ 1-ch1-les-fibres-optiques-et-la-propagation-de-la-lumiere-cours.pdf