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REPUBLIQUE ALGERIENNE DEMOCRATIQUE ET POPULAIRE MINISTERE DE L’ENSEIGNEMENT SUP

REPUBLIQUE ALGERIENNE DEMOCRATIQUE ET POPULAIRE MINISTERE DE L’ENSEIGNEMENT SUPERIEUR ET DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE UNIVERSITE MOHAMED BOUDIAF - M’SILA FACULTE : TECHNOLOGIE DOMAINE : SCIENCE ET DEPARTEMENT : ELECTRONIQUE TECHNOLOGIE N° : 2018/INST09/87 FILIERE : ELECTRONIQUE OPTION : INSTRUMENTATION Mémoire présenté pour l’obtention Du diplôme de Master Académique Par: FERHATI Soumia Intitulé : Soutenu devant le jury composé de : Dr. GUERMAT Noubeil Université Mohamed Boudiaf - M’sila Président Dr. KEBAILI Farida Université Mohamed Boudiaf - M’sila Rapporteur Dr. FODIL Malika Université Mohamed Boudiaf - M’sila Examinateur Année universitaire : 2017 / 2018 Etude et simulation des fibres optiques microstructures (FOM) . . Remerciements i Remerciements je tiens à remercier chaleureusement mon encadreur Dr. Kebaili Farida pour ses encouragements, ses orientations et ses précieux conseils. Merci pour sa grande disponibilité. J’adresse aussi mes vifs remerciements aux membres du jury pour avoir bien voulu examiner et juger ce travail. Par ailleurs je remercie Dr. Ladjal Mohamed chef du département d’électronique. Je remercie tous les enseignants du département d’électronique. Je voudrais en fin remercier tous ceux qui m’ont accordée leurs aides et leurs encouragements. Dédicace ii Dédicaces A mon cher père et à ma mère A mes frères et sœurs tous en son propre nom Au compagnon du chemin dans la vie : mon mari A toute ma famille et à tous mes amis et collègues . Résumé iii Résumé La fibre optique est un guide de lumière qui constitue aujourd'hui le support privilégié pour le transport d'information à haut débit. Mais, pour répondre aux besoins sans cesse plus importants engendrés par le développement d'Internet en particulier, il s'avère nécessaire d'améliorer toujours les caractéristiques de propagation dans les fibres, surtout celles relatives aux pertes et celles concernant la valeur et la pente de la dispersion chromatique sur toute la bande spectrale utilisée (cas des télécommunications). Une nouvelle génération de fibres est imaginée dans le but d'obtenir des pertes moindres que les fibres conventionnelles. Ces fibres connues sous le nom de "fibres microstructures", fibre à cristal photonique où fibre à bande interdite photonique. Dans ce contexte, nous avons réalisées un travail purement théorique basé sur la modélisation et la simulation numérique des différents paramètres de propagations dans les fibres optiques microstructures. Ce travail nous a permis de mettre en évidence l’effet de chaque paramètre sur la propagation des signaux optiques. Mots clés : Fibre optique microstructure, paramètres géométriques, propagation, pertes. Abstract The optical fiber is a light-guide who is now the preferred medium for transport information at high speed. But, to meet the important growing needs generated, in particular, by the development of the Internet, it is necessary to improve the fiber characteristics, especially those relating the losses and those concerning the value and the slope of the chromatic dispersion throughout the used spectral band (optical telecommunications case). A new géneration of fiber is imagined in order to obtain lower losses than conventional fibers. These fibers known as " Microstructured fiber; photonic crystal fiber (PCF) or interdict photonic fiber band gap ". In this context, we have realized a purely theoretical work based on modeling and numerical simulations of the deferent parametersof the propagation in microstructured fibers. Résumé iv The effect each parameter on the propagations characteristics has been calculated. Keywords: Micro-structured optical fiber, geometric parameters, propagation losses. ﻣﻠﺨﺺ اﻟﻠﯿﻒ اﻟﺒﺼﺮي ھﻮ ﻣﻮﺟﮫ ﻣﻮﺟﻲ ﻟﻠﻀﻮء اﻟﺬي ﯾﻌﺘﺒﺮ وﺳﯿﻠﺔ ﻧﻘﻞ ھ ﺎﻣﺔ ﺟﺪا ﻟﻠﻤﻌﻠﻮﻣﺔ ﻓﻲ ﻋﺼﺮﻧﺎ اﻟﺤѧﺎﻟ ﻲ. ﻟﻜѧﻦ وﺧﺼﻮﺻѧﺎ ѧﻓﯿﻤѧﺎ ﯾﺘﻌﻠѧﻖ ﺑﺘﻠﺒﯿѧﺔ ﺟﻤﯿѧﻊ ﻣﺘﻄﻠﺒѧﺎت اﻻﺗﺼѧﺎل ﺧﺎﺻѧﺔ اﻻﻧﺘﺮﻧﯿѧﺖ ﯾﺠѧﺐ ﺗﺤﺴ ﯿﻦ وﺗﻄѧﻮﯾﺮ اﻟﺨﺼѧﺎﺋﺺ اﻟﻀѧﻮﺋﯿﺔ ﻟﮭѧﺬه اﻷ ﻟﯿѧѧﺎف وﺧﺎﺻﺔ ﻓﯿﻤﺎ ﯾﺘﻌﻠﻖ ﺑﺎﻟﻀﯿﺎع و اﻟﺘﺒﺪد اﻟﻠﻮﻧﻲ ﻋﻠﻰ طﻮل اﻟﺸﺮﯾﻂ اﻟﻄﯿﻔﻲ اﻟﻤﺴﺘﻌﻤﻞ. ﻷﺟѧѧﻞ ھѧѧﺬا طѧѧﻮرت أﻟﯿѧѧﺎف ﻣѧѧﻦ ﻧѧѧﻮع ﺟﺪﯾѧѧﺪ ﻣѧѧﻦ أﺟѧѧﻞ اﻟﺤﺼѧѧﻮل ﻋﻠѧѧﻰ أﻗѧѧﻞ ﻗﯿﻤѧѧﺔ ﻟﻠﻀѧѧﯿﺎع . ﺗﻌѧѧﺮف ھѧѧﺬه اﻷﻟﯿѧѧﺎف ﺑﺎﺳѧѧﻢ اﻟﻠﯿѧѧﻒ ا ﻟﺒﺼﺮي اﻟﻤﯿﻜﺮو ﺑﻨﯿﻮي أو اﻟﻠﯿﻒ اﻟﺒﺼﺮي اﻟﻔﺘﻮﻧﻲ أو اﻟﻠﯿﻒ اﻟﺒﺼﺮي ذي اﻟﺸﺮﯾﻂ اﻟﻔﺘﻮﻧﻲ اﻟﻤﺎﻧﻊ. ﻣﻦ أﺟﻞ ھﺬا ﻗﻤﻨﺎ ﺑﺪراﺳﺔ ﻧﻈﺮﯾﺔ ﻷﺑﺮز ﺗﺄﺛﯿﺮ اﻟﺸﻜﻞ اﻟﮭﻨﺪﺳﻲ اﻟﻤﯿﻜﺮو ﺑﻨﯿﻮي ﻟﻠﯿﻒ ﺑﺼﺮي اﻟﻤﯿﻜﺮو ﺑﻨﯿﻮي ﻋﻠﻰ اﻟﻀﯿﺎع. ﻟﻘѧѧѧѧﺪ ﺑﯿﻨѧѧѧѧﺎ ﻣѧѧѧѧﻦ ﺧѧѧѧѧﻼل ھѧѧѧѧﺬه اﻟﺪراﺳѧѧѧѧﺔ ﺗѧѧѧѧﺄﺛﯿﺮ ﻣﺨﺘﻠѧѧѧѧﻒ اﻟﻌﻮاﻣѧѧѧѧﻞ ﻋﻠѧѧѧѧﻰ ﻣﻤﯿѧѧѧѧﺰات اﻻﻧﺘﺸѧѧѧѧﺎر ﻋﺒѧѧѧѧﺮ اﻷﻟﯿѧѧѧѧﺎف اﻟﻔﻮﺗﻮﻧﯿѧѧѧѧﺔ . . Sommaire v Sommaire Remerciement………………….………………………………………...………….……...i Dédicace………………………………………………………………………..………..…ii Résumé……………………………………………………………………..………….......iii Abstract……………………………………………………………………………………iii ﻣﻠﺨﺺ……………………………………………………………………………………….iv Sommaire………………………………………………………………………….……….v Liste des abréviations…………………………………………………………..………..viii Liste des symboles …………………………………………………………..……………ix Liste des figures ………………………………………………………………...…………x Introduction générale……………………………………………………………………...1 Chapitre І : Généralité sur les fibres optiques І.1.Introduction…………………………………………………………………………….4 І.2. Historique……………………………………………………………………………...4 І.3. Fibre optique…………………………………………………………………………..6 І.4. Principe de fonctionnement d’une fibre optique……………………………………7 І.5. Types des fibres optiques……………………………………………………………..8 І.5.1. Fibres optiques monomode…………………………………………………………8 І.5.2. Fibres optiques multimodes…...…..………………………………………………..9 І.5.2.1 Fibres multimodes à saut d’indice………………………………………………...9 І.5.2.2 Fibres multimodes à gradient d’indice………………………………………….10 І.6. Avantage d’une fibre optique……………………………………………………….10 І.7. Les inconvénients d’une fibre optique ………………………………………….….11 І.8. Fabrication d’une fibre optique……………………………………………………..11 І.9. Les applications de la fibre optique………………………………………………...12 І.9.1. Les télécommunications…………………………………………………………...12 І.9.2. Les réseaux sous-marins…………………………………………………………...12 І.9.3. L’armée……………………………………………………………………………..13 І.9.4. Applications diverses………………………………………………………………13 І.10. Fibres Microstructures Aire/Silice (FMAS)………………………………………14 І.11. Géométrie d'une FMAS…………………………………………………………….14 І.12. Fibres optiques microstructures silice…………………………………………….16 . Sommaire vi І.13. Deux types de guidage……………………………………………………………...17 І.13.1. Guidage par Bande Interdite Photonique (BIP)………………………………..18 І.13.2. Guidage par Réflexion Totale Interne Modifiée (RTIM)………………………20 І.14. Fabrication………………………………………………………………………….21 І.15. Applications…………………………………………………………………………24 І.15.1 Lasers, amplificateurs…………………………………………………………….26 І.15.2. Capteurs……………………………………………………………………….......27 Conclusion………………………………………………………………………………...28 Chapitre II : Modélisation de la fibre optique microstructure II.1.Introduction………………………………………………………………………….30 II.2. Caractérisation de la fibre optique………………………………………………...30 II.2.1. Ouverture numérique…………………………………………………………….30 II.2.1.1. La fréquence normalisée………………………………………………………..31 II.2.2. Atténuation………………………………………………………………………..32 II.2.3. La bande passante………………………………………………………………...33 II.2.4. La dispersion………………………………………………………………………34 II.2.4.1. La dispersion chromatique……………………………………………………..34 II.3. Propriété et caractéristique FOM………………………………………………….35 II.3.1. L’ouverture numérique…………………………………………………………..35 3.1.1. Fréquence normalisée nommée Veff……………………………………………...36 II.3.2. Les pertes de la fibre optique microstructure…………………………………..37 II.3.2.1. Pertes par diffusion……………………………………………………………..37 II.3.3.Comportement monomode large bande………………………………………….38 II.3.4. Dispersion chromatique…………………………………………………………..39 Conclusion………………………………………………………………………….……..40 Chapitre III : Résultats et interprétation III.1.Introduction..……………………………………………………………………….42 III.2. Environnement de CAD…..……………………………………………………….42 III.2.1.Le simulateur « bandsolve».……………………………………..……………..42 III.2.2. Présentation de Full Wave……………………………………………………..43 III.3. Signification des icônes de l’interface graphique du logiciel R Soft..…….…….43 III.4. Les étapes de simulation d’un guide d’onde…………………………….……….45 III.4.1. Créer un nouveau circuit………………………………………………………45 . Sommaire vii III.4.2.Générer la structure de réseau………………………………………...……….47 III.4.3.Régler les paramètres globales…………………………………………………48 III.4.4. Définition des variables………………….……………..………………………49 III.4.5. Vérifier la structure…………………………………………..………………...50 III.5. Diagramme des bandes………………………………………………...…………50 III.6.Création d’un guide d’onde et calcule la transmission…………………………..52 III.7.Calcule facteur de qualité Q…………………………….…………………………52 III.8. Les parcelles en fonction de la fréquence….……………….…………………….53 III.9. Explorer la condition monomode…………………………………………………53 III .10.Caractère monomode large bande………………………………………………54 III.11.Dispersion Chromatique………………………………………………………….55 III.12. Balayage sur le vecteur k pour produire des relations de dispersion…………56 III.13. Calcul de plusieurs courbes de nombres-V……………………………………..57 Conclusion…………………………………………………………….…………………..59 Conclusion général………………………………………………………….……………60 Bibliographie………………………………………………….…………………………..61 . Liste des abréviations viii Liste des abréviations FOM : Les fibres optiques microstructurées PMD : La dispersion des de polarisation FMAS : Fibres Microstructurées Aire/Silice BIP : Bande Interdite Photonique RTIM : Réflexion Totale Interne Modifiée ҐM : La direction correspond à la direction des seconds voisin TM : Transverse électrique, la polarisation magnétique TE : Transverse magnétique, la polarisation électrique FCP : Fibres cristaux photoniques . Liste des symboles ix Liste des symboles : Gaine d’indice : Cœur d’indice : Oxygéné de silicium d: Diamètre : La fréquence normalisée nommée Λ : Longueurs d’onde ON : Ouverture numérique V : La fréquence normalisée : Rayon maximale A[dB] : l’atténuation en décibel : Puissance lumineuse à l’entrée : Puissance lumineuse à la sortie BP : Bande passante : Temps de groupe : Constante de Boltzmann : Température effective : Coefficient de compressibilité isotherme : Dispersion du matériau : Dispersion du guide a : La période n : L’indice de réfraction du matériau . Liste des figures x Liste des figures Chapitre І Figure (І.1) : Schéma descriptif du guidage de la lumière dans un jet d’eau par Colladon [5]…………………………………………………………………………………………...5 Figure (І.2) : Représentation schématique d’une fibre optique [12]……………………….7 Figure (І.3) : la fibre optique monomode…………………………………………………..8 Figure (І.4) : la fibre multimodes à saut d’indice………………………………………...10 Figure (І.5) : la fibre multimodes à gradient d’indice………………..…………………...10 Figure (І.6) : représentation géométrique d'une fibre microstructure………….…………14 Figure (І.7) : représente un exemple de fibre microstructures à cœur solide…..................15 Figure (І.8) : représentation qui explique le principe de fabrication d'une fibre microstructure…………………………………………………………………………..….17 Figure (І.9) : Schéma de sections transverses (a) d'une fibre de Bragg, (b) d'une FMAS BIP à arrangement triangulaire et (c) hexagonal……………………………….………….19 Figure (І.10) : arrangement de la préforme primaire………………………………..……21 Figure (І.11) : canne micro-structurée, préforme secondaire et FMA..…………………..23 Figure (І.12) : exemple d'image de la section transverse d'une fibre réalisée à l’IRCOM…………………………………………………………………………………..24 Figure (І.13) : Figure Pertes optiques (gauche) de deux fibres (photos) réalisées à partir de la même préforme mère……………………………………………………………………25 Figure (І.14) : Amplification Raman (a) et génération de super continuum (b)……...…..26 Chapitre II Figure (II.1) : Ouverture numérique d’une fibre optique [25]…………………………....31 Figure (II.2) : Les différents types de pertes……………………………………….……..33 Figure (II.3) : La dispersion chromatique……………………………………………...…35 Figure (II.4) : Schéma représentant les différents régimes de propagation possibles pour les fibres optiques microstructures à cœur plein………………………….……………….37 . Liste des figures xi Chapitre III Figure (III.1) : Fenêtre principale du programme CAD………………………………….45 Figure (III.2) : La fenêtre de démarrage (startup Windows)………………………..……46 Figure (III.3) : Nouvelle fenêtre pour réaliser un nouveau composant ou nouveau circuit……………………………………………………………………………………....47 Figure (III.4) : Arrangements de disposition de la rangée XZ………………..………….47 Figure (III.5) : Disposition de rangée dans la fenêtre de CAD………………..………….48 Figure (III.6) : Fenêtre des paramètres globale du circuit…………………….………….49 Figure (III.7) : L’éditeur du Tableau de symboles…………….…………………..……..49 Figure (III.8) : Profile d'indice de la structure à cristaux photoniques 2D……….………50 Figure (III.9) : La fenêtre de paramètres de simulation de BandSolve où des paramètres numériques de base de simulation uploads/Geographie/ memoire-fmas.pdf