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CHAPITRE 02 : Les systèmes optiques | MONKAM JULIO YANNICK 679149864/691370929

CHAPITRE 02 : Les systèmes optiques | MONKAM JULIO YANNICK 679149864/691370929 yackness2019@gmail.com P a g e 1 | 12 CHAPITRE 02 : LES SYSTEMES OPTIQUES I- Rappel et principe de propagation 1- L’indice de réfraction Dans un matériau transparent, l’indice de réfraction mesure la vitesse de la lumière par rapport à sa vitesse dans le vide : v = c/n. 2- Loi de Snell-Descartes et de Kepler a- Loi de Snell-Descartes b- Loi de Kepler Si l'incidence est presque normale, c'est-à-dire si les angles i et r sont suffisamment petits pour être confondus avec leurs sinus, la deuxième loi de Descartes prend alors la forme simplifiée: i=n*r appelée loi de Kepler. Le rayon réfracté est dans le plan d'incidence, le rayon incident et le rayon réfracté étant de part et d'autre de la normale au point d'incidence. Pour chaque lumière monochromatique, il existe un rapport constant positif, entre les sinus des angles d'incidence et de réfraction : Le rapport constant n2,1 est l'indice de réfraction du milieu 2 par rapport au milieu 1 pour la radiation monochromatique considérée. CHAPITRE 02 : Les systèmes optiques | MONKAM JULIO YANNICK 679149864/691370929 yackness2019@gmail.com P a g e 2 | 12 NB : - Lorsqu’un rayon lumineux passe d'un milieu moins réfringent vers un milieu plus réfringent, il se rapproche de la normale au point d'incidence. - Lorsqu’un rayon lumineux passe d'un milieu plus réfringent vers un milieu moins réfringent, il s’éloigne de la normale du point d'incidence. 3- Condition de réflexion totale En optique géométrique, le phénomène de réflexion totale survient lorsqu'un rayon lumineux arrive sur la surface de séparation de deux milieux d'indices optiques différents avec un angle d'incidence supérieur à une valeur critique : il n'y a alors plus de rayon réfracté transmis et seul subsiste un rayon réfléchi. Si l'incidence est rasante, c'est-à-dire i1=90o, l'angle de réfraction i2 prend une valeur particulière λ appelée angle de réfraction limite défini par : CHAPITRE 02 : Les systèmes optiques | MONKAM JULIO YANNICK 679149864/691370929 yackness2019@gmail.com P a g e 3 | 12 Condition de guidage dans le cœur : ≥ arcsin n2/n1 Sinon le rayon est réfracté dans la gaine de la fibre. 4- L’ouverture numérique ON Elle correspond à l’angle d’incidence maximal à l’entrée de la fibre soit l’ouverture du cône d’acceptance. II- Les paramètres liés à une transmission par fibre optique 1- Les différentes fenêtres optiques La mesure d’atténuation spectrale consiste à mesurer l’affaiblissement de la fibre sur une plage de longueurs d’onde. - La première fenêtre (0.8-0.9 µm) :  Atténuation élevée ( ~ 3 dB/km)  Composants très bon marché (Diodes LED)  n’est utilisée qu’en multimode. Figure : atténuation et fenêtre de transmission optique CHAPITRE 02 : Les systèmes optiques | MONKAM JULIO YANNICK 679149864/691370929 yackness2019@gmail.com P a g e 4 | 12 - La deuxième fenêtre (1.28-1.33 µm) :  Lasers disponibles depuis longtemps et peu chers  Atténuation raisonnable (0,33 dB/km)  Dispersion chromatique nulle  est encore largement utilisée - La troisième fenêtre (1.525-1.625 µm) :  Atténuation minimale (0,2 dB/km)  Lasers et amplificateurs performants (mais assez chers)  Existence de systèmes très performants (DWDM)  Deux sous-bandes : C 1525-1565 nm, L 1565-1625 nm  C'est la fenêtre de choix pour quasiment toutes les applications modernes. 2- Effets limitant la capacité de transmission Deux effets limitent la capacité de transmission : - Atténuation : une partie du signal, sous forme de lumière, est perdue. - Dispersion chromatique: le signal reçu est déformé par rapport au signal émis (dégradation) a- L’atténuation Au cours de la propagation dans la fibre, la puissance décroît selon la loi : α est le coefficient d’atténuation en Neper/m. On définit plutôt l’atténuation en dB/km : La relation entre A et α est : b- Pertes par effet de courbure et pertes par microcourbures - Lorsqu’on courbe la fibre, une partie de l’énergie lumineuse du mode peut échapper au guidage, et se perdre dans la gaine. Ce phénomène s’appelle «pertes par courbure». Il est le plus sensible aux grandes longueurs d’onde. - Les pertes par microcourbure apparaissent lors de la fabrication des câbles lorsque des contraintes mécaniques provoquent des microdéformations de la fibre, entraînant des Figure : Atténuation du signal CHAPITRE 02 : Les systèmes optiques | MONKAM JULIO YANNICK 679149864/691370929 yackness2019@gmail.com P a g e 5 | 12 pertes de lumière. Elles sont à peu près indépendantes de la longueur d’onde. Ces pertes dépendent aussi bien de la fibre elle-même que du revêtement. Elles augmentent très vite lorsque le diamètre de la fibre diminue. c- La dispersion La dispersion est un inconvénient majeur dans les fibres optiques car elle limite le débit de transmission des données dans ces dernières. 3- La dispersion chromatique et intermodale a- La dispersion chromatique La dispersion se manifeste par un élargissement des impulsions au cours de leur propagation. La dispersion chromatique provoque l’étalement des impulsions temporelles et par conséquent des interférences entre symboles. Elle limite donc la portée et le débit des liaisons. Elle est parfois appelé D ou M(λ) et s’exprime en ps.nm-1.km-1. Elle est toujours fournie par le constructeur. b- Dispersion intermodale Une des causes de l’élargissement d’une impulsion est la dispersion intermodale. L’énergie lumineuse injectée à l’entrée de la fibre est répartie entre différents modes. Exprimons le retard T entre les rayons incidents d’angle  = 0 et  = i d’indice à l’interface. Figure : Dispersion du signal CHAPITRE 02 : Les systèmes optiques | MONKAM JULIO YANNICK 679149864/691370929 yackness2019@gmail.com P a g e 6 | 12 ▪ L distance parcourue par le rayon /  = 0 ▪ Li = distance parcourue par le rayon /  = i De manière générale, la vitesse de propagation moyenne d’une impulsion est égale à la vitesse de groupe du mode fondamental. Le problème vient de ce que le temps de propagation de groupe varie avec la longueur d'onde. Or les sources de rayonnement lumineux ne sont pas rigoureusement monochromatiques. Il y a deux causes à prendre en compte : - l'indice qui varie en fonction de la longueur d'onde (dispersion matériau); - La vitesse de groupe qui varie avec la longueur d'onde (dispersion guide d'onde) L'élargissement par dispersion chromatique du matériau dépend donc de la largeur spectrale de la source et du paramètre du cœur, appelé paramètre de dispersion du cœur. D dépend des caractéristiques physiques du cœur et de la longueur d'onde. La figure ci-dessous montre le paramètre de dispersion de la silice en fonction de la longueur d'onde. Les valeurs sont généralement données en ps.nm-1.km-1, ce qui correspond à des longueurs de fibre données en km et des largeurs spectrales en nm. On note l'existence d'une région de dispersion chromatique négligeable, autour de 1,27 μm. CHAPITRE 02 : Les systèmes optiques | MONKAM JULIO YANNICK 679149864/691370929 yackness2019@gmail.com P a g e 7 | 12 Exemple : Calculer l'élargissement dû à la dispersion chromatique dans une fibre en silice, pour les sources suivantes : Diode électroluminescente (LED), λ0 = 850 nm, Δλ0 = 50 nm Diode électroluminescente, λ0 = 1550 nm, Δλ0 = 50 nm Diode laser, λ0 = 850 nm, Δλ0 = 2 nm Diode laser, λ0 = 1550 nm, Δλ0 = 2 nm Réponse : D vaut 87 ps.nm-1.km-1 à 850 nm et – 22 ps.nm-1.km-1 à 1550nm. On obtient donc les élargissements suivants : 850 nm 1550 nm LED 4.4 ns / km 1.1 ns / km Laser 174 ps/km 44 ps / km c- Longueur d’onde de coupure Le guidage du mode varie avec la longueur d’onde : - Aux grandes longueurs d’onde le mode est guidé. - Aux courtes longueurs d’onde, le mode est guidé mais des modes d’ordre supérieur sont guidés aussi. Figure : Paramètre de dispersion de la silice en fonction de la longueur d'onde CHAPITRE 02 : Les systèmes optiques | MONKAM JULIO YANNICK 679149864/691370929 yackness2019@gmail.com P a g e 8 | 12 La longueur d’onde de coupure est celle au-dessus de laquelle la fibre devient monomode. En dessous de λc le mode fondamental perd de l’énergie au profit de modes d’ordre supérieur. 4- Les Pertes liées aux défauts de positionnement Lorsqu'on raccorde deux fibres, ces pertes sont liées à :  Ecart radial entre les deux fibres  Ecart axial entre deux fibres  Ecart angulaire entre deux fibres a- Les pertes de Fresnel Elles sont liées à la différence d'indice optique du milieu qui baigne la face d'entrée de la fibre optique et le cœur de la fibre optique. Soit no l'indice optique du milieu où est plongée la face d'entrée de la fibre et n1 l'indice du cœur. Les pertes sont données par la relation suivante : a= rayon du coeur Figure : illustration des différents types de pertes de raccordements CHAPITRE 02 : Les systèmes optiques | MONKAM JULIO YANNICK 679149864/691370929 yackness2019@gmail.com P a g e 9 | 12 b- Les pertes par réflexion Elles sont liées aux pertes de Fresnel. Supposons une onde lumineuse qui se propage dans un milieu où se produit une discontinuité d'indice uploads/Geographie/ chapitre-02-cours-de-transmission-par-fibre-optique.pdf