Etude de la fibre optique

Une fibre optique est composée de deux milieux diélectriques transparent isotropes (silice dopé, verre) d'indice de réfraction différents : le coeur et le revêtement. Le milieu (le coeur) ou sera confinée la plus grande part l'énergie lumineuse véhiculée et celui qui entouré d'un second milieu d'indice de réfraction plus faible appelé gaine où le revêtement.
La fibre est protégée par des couches concentriques de matérielle plastiques qui lui procurent une meilleure résistance mécanique. Dans une fibre optique on sert du phénomène de la réflexion totale pour guider le rayon lumineux dans la fibre.
La description du phénomène de propagation de la lumière peut être faite par trois approches différentes:

Rappel optique géométrique

Dans un milieu homogène, la lumière se propage en ligne droite.

Lois de réfraction:

Lorsqu'un rayon lumineux vient frapper à l'angle droit l'interface entre deux milieux, il n'est pas dévié.

Lorsqu'un rayon lumineux frappe l'interface entre deux milieux différent avec un angle d'incidence non nul, celui-ci est dérivé : C'est le phénomène de réfraction.

Cette déviation dépend des deux milieux caractérisés par leur indice de réfraction n. La loi de réfraction est: n₁Sin(i) = n₂Sin(r) ou n₁/n₂=sin(r)/Sin(i)
Deux cas peuvent se produire:
Cas1: n₁<n₂ ; sin(r)<sin(i) ; r<i, donc le rayon réfracté se rapproche de la normale à l'interface.

Cas 2: n₁>n₂ ; Sin(r)>Sin(i) ; r>i

Soit ø l'angle d'indice pour lequel dans ce cas l'angle r=90° alors n₁ø =n₂Sin90°=n₂, soit Sinø=n₂/n₁
Cet angle est appelé angle limite de réfraction

Loi de réflexion totale:
Tous les rayons lumineux qui frappent l'interface avec un angle d'indice supérieur à l'angle limite, sont entièrement réfléchis.

Tous les rayons lumineux ayant un angle d'indice i supérieur à l'angle limite, il ne sont plus réfracté, est dans le milieu le moins dense. A l'interface des deux milieux ces rayons lumineux sont réverbères dans le milieu d'ou ils viennent (réflexion totale).

La fibre optique

La fibre optique a été conçue en tenant compte des lois de la lumière.

Le milieu d'indice n₁ est appelé coeur de la fibre, le milieu d'indice est appelé la gaine de la fibre. En pratique on recouvre la fibre d'une protection mécanique appelée revêtement primaire:

On classe la fibre en deux grandes catégories selon le diamètre du coeur. Celui des premières fibres atteignait 50µm : ce sont des fibres multi modes. Le diamètre de coeur des fibres les plus recélés, beaucoup plus performante, ne dépasse pas 5 à 10µm : Ce sont les fibres monomodes.

La fibre multimodale

En fait, la diode émettrice n'injecte pas un rayon, mais un flux de photos qui s'engouffre dans le coeur de la fibre. A l'intérieur ces photons (rayons lumineux) empruntent plusieurs trajets ou mode de propagation. On parle de propagation multimodale.
La vitesse de propagation de la lumière dans un milieu homogène étant constante, les différents rayons de l'impulsion lumineuse qui empruntent des trajets différents, (plus ou moins long selon le rayon) arriveront à la réception décelées dans le temps : c'est la dispersion intermodale.
En plus m'émission des impulsion lumineuse reprochées dans le temps peut entraîner leur chevauchement à l'extrémité réceptrice, empêchant leur identification. Pour éviter ce phénomène, il faudra augmenter l'intervalle de temps qui sépare deux impulsions juxtaposées. Ce qui aura pour effet de diminuer le nombre des impulsions dans un tempos donné : donc de diminuer la bande passante.

Le phénomène dispersion intermodale qui est une source d'affaiblissement est très marqué dans la fibre multimodale à saut d'indice. Pour limiter ce phénomène on a conçu des fibres multi mode à gradient d'indice.
La vitesse de propagation étant v=c/n (dans un milieu avec l'indice de réfraction n), pour composer la dispersion du temps de propagation de groupe dans la fibre optique à gradient d'indice, on accéléré les rayons qui parcourent les chemins les plus longs. Pour ce faire, on fait décroître graduellement l'indice de réfraction du coeur de l'axe vers la périphérie du coeur. La bande passante de la fibre à gradient d'indice est supérieure à celle de la fibre à saut d'indice.
La fibre multi mode à saut d'indice a un coeur de grand rayon, de sorte que sa manipulation est relativement facile, mais sa bande passante est faible, seulement quelques dizaines de mégahertz sur un kilomètre. La fibre multi mode, à gradient d'indice, a un coeur dont le rayon est semblable à celui de la fibre multi mode à saut d'indice et, elle peut aussi, être manipulées facilement. Cependant sa bande passante est environ cent fois plus grande.
Dans la fibre optique à gradient d'indice, il existe encore une certaine dispersion modale.

La fibre monomode

La fibre monomode est un moyen de supprimer totalement la dispersion intermodale est de parvenir à ce qu'il n'y ait qu'un seul mode de propagation dans la fibre. Ceci a été fait avec la fabrication de la fibre monomode dont le diamètre de coeur varie entre 9,5µm et 11µm.
Ici donc la propagation de la lumière est beaucoup moins perturbée, d'où les performances biens supérieures notamment la largeur de bande qui peut atteindre plusieurs dizaines de GHz.
La fabrication de la fibre monomode nécessite une grande précision et a été plus difficile à mettre au point. C'est pourquoi elle a d'abord été réservée aux applications nécessitant un débit élevé et une qualité prioritaire aux coûts des équipements (TV à haute définition par exemple).
Une fibre monomode peut présenter une très grande bande passante, mais elle n'est pas supérieure en tous points aux fibres. Les raccordements par exemple sont plus difficiles car le rayon du coeur n'est que de quelques micromètres.
L'indice de réfraction du coeur de ces fibres optiques est à peu près 1,5 et la différence d'indice relative entre coeur et gaine se situe normalement entre 1,5 et 1%.