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Par Mohamed El Amine Djaker a.djaker@dadelectronics.com COURS SUR LA FIBRE OPTI

Par Mohamed El Amine Djaker a.djaker@dadelectronics.com COURS SUR LA FIBRE OPTIQUE 1 INTRODUCTION ET DEFINITION Une fibre optique est un fil en verre ou en plastique très fin qui a la propriété de conduire la lumière et sert dans les transmissions terrestres et océaniques de données. Elle offre un débit d'informations nettement supérieur à celui des câbles coaxiaux et supporte un réseau « large bande » par lequel peuvent transiter aussi bien la télévision, le téléphone, la visioconférence ou les données informatiques. Le principe de la fibre optique a été développé dans les années 1970 dans les laboratoires de l'entreprise américaine Corning Glass Works (actuelle Corning Incorporated). Le signal lumineux codé par une variation d'intensité est capable de transmettre une grande quantité d'informations. En permettant les communications à très longue distance et à des débits élevés jusqu'alors impossibles, les fibres optiques ont constitué l'un des éléments clef de la révolution des télécommunications. 2 L’utilisation de la FO est devenu possible grâce à : Amélioration de la transparence des verres Sources et récepteurs plus évolués grâce à la technologie des semi-conducteurs Type de verre Taux d'impuretés Atténuation (dB/km) 1% d'énergie transmise sur Bouteilles 10-2 2.106 1 cm Vitres 10-3 2.105 10 cm Lunettes 10-4 2.104 1 m Fibres de verre 10-7 20 1 km Fibres de silice 10-9 0.2 100 km 3 Avantages de la FO 1. Insensibilité aux perturbations électromagnétiques Verre = isolant (isolation galvanique) 2. Sécurité électromagnétique 3. Bande passante élevée 4. Atténuation linéique faible (0.2 dB/km contre15dB/km pour un câble réseau cat5e) 5. Economie de taille et de poids 6. Abondance de la matière première (silice) 4 Historique 5 La première démonstration scientifique du principe de la réflexion totale interne fut faite par les physiciens français Jean-Daniel Colladon et Jacques Babinet à Paris au début des années 1840. L'irlandais John Tyndall répéta l'expérience devant la Société Royale Britannique en 1854. À l'époque, l'idée de courber la trajectoire de la lumière, de quelque façon que ce soit, était révolutionnaire puisque les scientifiques considéraient que la lumière voyageait uniquement en ligne droite. 6 On doit la première tentative de communication optique à Alexander Graham Bell avec l'invention du Photophone en 1880 7 En 1927, Baird et Hansell tentèrent de mettre au point un dispositif d'images de télévision à l'aide de fibres. Hansell put faire breveter son invention, mais elle ne fut jamais vraiment utilisée. Quelques années plus tard, en 1930, Heinrich Lamm réussit à transmettre l'image d'un filament de lampe électrique grâce à un assemblage rudimentaire de fibres de quartz. Cependant, il était encore difficile à cette époque de concevoir que ces fibres de verre puissent trouver une application. La première application fructueuse de la fibre optique eut lieu au début des années 1950, lorsque le fibroscope flexible fut inventé par van Heel et Hopkins. Cet appareil permettait la transmission d'une image le long de fibres en verre. Il fut particulièrement utilisé en endoscopie, pour observer l'intérieur du corps humain, et pour inspecter des soudures dans des réacteurs d'avion. Malheureusement, la transmission ne pouvait pas être faite sur une grande distance étant donnée la piètre qualité des fibres utilisées. En 1957, le fibroscope (endoscope flexible médical) est inventé par Basil Hirschowitz aux États-Unis. 8 Les télécommunications par fibre optique restèrent impossibles jusqu'à l'invention du laser en 1960. Le laser offrit en effet la possibilité de transmettre un signal sans pertes sur une grande distance. Peu après, soit en 1966, il démontra expérimentalement, avec la collaboration de Georges Hockman, qu'il était possible de transporter de l'information sur une grande distance sous forme de lumière grâce à la fibre optique. Cette expérience est souvent considérée comme la première transmission de données par fibre optique. Cependant, les pertes dans cette fibre optique étaient telles que le signal disparaissait au bout de quelques centimètres, non par perte de lumière, mais parce que les différents chemins de réflexion du signal contre les parois finissaient par en faire perdre la phase. Cela la rendait encore peu avantageuse par rapport au fil de cuivre traditionnel. Les pertes de phase entrainées par l'usage d'une fibre de verre homogène constituaient le principal obstacle à l'utilisation courante de la fibre optique. En 1970, trois scientifiques de la compagnie Corning Glass Works de New York, Robert Maurer, Peter Schultz et Donald Keck, produisirent la première fibre optique avec des pertes de phase suffisamment faibles pour être utilisée dans les réseaux de télécommunications (20 décibels par kilomètre ; aujourd'hui la fibre conventionnelle affiche des pertes de moins de 0,25 décibel par kilomètre pour la longueur d'onde 1 550 nm. utilisée dans les télécommunications). Leur fibre optique était en mesure de transporter 65 000 fois plus d'informations qu'un simple câble de cuivre. Le premier système de communication téléphonique optique fut installé au centre-ville de Chicago en 1977. 9 Notions théoriques 10 La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil humain, c'est-à-dire comprises dans des longueurs d'onde de 380 nm (violet) à 780 nm (rouge). La lumière est intimement liée à la notion de couleur. Outre la lumière visible, par extension, on appelle parfois « lumière » d'autres ondes électromagnétiques, telles que celles situées dans les domaines infrarouge et ultraviolet. La lumière 11 Monochromatisme et polychromatisme La lumière est constituée d'ondes électromagnétiques. De manière générale, une onde est caractérisée par sa longueur d'onde et sa phase. La longueur d'onde correspond à la couleur de la lumière. Ainsi, une lumière constituée d'ondes de la même longueur d'onde, est dite monochromatique. Si en plus toutes les ondes ont la même phase, alors la lumière est cohérente : c'est ce qui se passe dans un laser. 12 longueur d’onde Une onde est un phénomène physique se propageant et qui se reproduit identique à lui-même un peu plus tard dans le temps et un peu plus loin dans l’espace. On peut alors définir la longueur d’onde comme étant la plus courte distance séparant deux points de l’onde strictement identiques à un instant donné. On la dénote communément par la lettre grecque λ (lambda). La longueur d’onde est l’équivalent spatial de la période temporelle. En effet, la longueur d’onde est la distance parcourue par l’onde au cours d’une période. Si on appelle c la célérité de l’onde et T sa période temporelle, on a : λ =c T Dans le vide, la longueur d’onde est notée λ0 . On a alors, dans un milieu d’indice n, la relation : λ0=n λ 13 Le spectre électromagnétique Longueur d’onde (dans le vide) Domaine Fréquence Commentaire > à 0,1 mm radio (Wifi, téléphones portables, radar, etc.) inférieure à 3 THz de 1 mm à 30 cm micro-onde de 1 GHz à 300 GHz inclue dans les ondes radio de 1 µm à 500 µm infrarouge norme NF/en 1836 de 380 nm à 780 nm lumière visible rouge (620-780 nm) orange (592-620 nm) jaune (578-592 nm) vert (500-578 nm) bleu (446-500 nm) violet (380-446 nm) de 100 nm à 380 nm de 10-8 m à 10-7 m ultraviolet De 750 THz à 30 PHz de 10-11 m à 10-8 m rayon X de 30 PHz à 30 Ehz < à 5x10-12 m rayon γ (gamma) supérieure à 30 EHz 14 Préfix Symbol 1000m 10n yotta Y 10008 1024 zetta Z 10007 1021 exa E 10006 1018 peta P 10005 1015 tera T 10004 1012 giga G 10003 109 mega M 10002 106 kilo k 10001 103 hecto h 10002/3 102 deca da 10001/3 101 15 Le Laser Un laser est un appareil émettant de la lumière (rayonnement lumineux) amplifiée par émission stimulée. Le terme laser provient de l'acronyme anglo-américain « light amplification by stimulated emission of radiation » (en français : « amplification de la lumière par émission stimulée de rayonnement »). Le laser produit une lumière spatialement et temporellement cohérente basée sur l'effet laser. 16 Principe de fonctionnement Pour comprendre comment fonctionne un laser, il est nécessaire d'introduire le concept de quantification de la matière : les électrons sont répartis sur des niveaux d'énergie discrets (les « couches »). On considère que les électrons ne peuvent se trouver que sur certaines orbitales bien précises autour du ou des noyaux atomiques. On considérera aussi un atome ne possédant qu'un électron (hydrogène), pour simplifier la discussion. Celui-ci est susceptible de se trouver sur plusieurs niveaux. La connaissance du niveau sur lequel se trouve cet électron définit l'état de l'atome. Ces états sont numérotés par ordre croissant d'énergie avec un nombre entier n, pouvant prendre les valeurs 1, 2, ... L'état n = 1 est donc l'état d'énergie la plus basse, correspondant à un électron sur l'orbitale la plus proche du noyau. Venons-en aux principaux processus d'interaction entre la lumière et la matière, à savoir l'absorption, l'émission stimulée et l'émission spontanée. L’absorption : Lorsqu'il est éclairé par un rayonnement électromagnétique (la lumière), un atome peut passer d'un état n à un état n' > n, en prélevant l'énergie correspondante sur le rayonnement. On peut interpréter ce processus comme l'absorption d'un photon du rayonnement (d'énergie ) faisant passer l'atome du niveau d'énergie En vers uploads/Management/ cours-fibre-optique-exercises.pdf