Fibre optique : caractéristiques & limitations physiques

Introduction

Historiquement, la fibre optique a été introduite dans la technologie de l’information et de la communication gr‚ce à l’invention du laser en 1960 et le développement de la fibre de qualité optique en 1970. Jusqu’à cette date, la transmission de l’information était assurée, à l’exception des réseaux hertziens et satellitaires, par les c‚bles en cuivre à paires torsadées ou coaxiaux [30]. En 1964, le Chinois Charles K. Kao, considéré comme le pére des télécommunications optiques et prix Nobel de physique de 2009, est le premier qui a suggéré la possibilité d’utiliser les fibres optiques à faible perte conjointement avec la lumiére laser pour transporter des signaux lumineux sur de grandes distances avant d’atteindre la limite de détection [31]. Mais, à cette époque l’atténuation forte de la silice (1000 dB=km) emp’chait toute utilisation de guidage de la lumiére sur de grandes distances. Donc, il fallait attendre une vingtaine d’année pour rendre la technique de transmission optique possible. En e§et, c’est à partir de 1984 ou l’atténuation est descendue à 0,2 dB/km pour des longueurs d’ondes proches de 1550 nm, gr‚ce à la maÓtrise des procédés de fabrication de la fibre de qualité optique [30]. A titre d’information, le record d’atténuation actuel est de 0.149 dB=km à la longueur d’onde 1550 nm [32]. Cette valeur est obtenue sur une fibre de silice pure (SiO2) développée par une équipe Japonaise de Sumitomo Electric Industries Ltd. Il est à noter, aussi, que cette valeur record est trés proche de la limite théorique intrinséque des matériaux à base d’oxyde de silice, car l’atténuation résiduelle est due essentiellement au phénoméne de di§usion Rayleigh. Chronologiquement, les premiéres lignes de télécommunications optiques ainsi que de nombreuses liaisons de transfert de données modernes ont fait usage de la fibre multimodale à saut d’indice. Cependant, les impulsions optiques générées par des diodes électroluminescentes sont caractérisées par des plages spectrales trés étendues, en conséquence, elles introduisent un large éventail de vitesses de propagation. Ainsi, les modes guidés auront tendance à s’élargir d’une quantité égale à la di§érence quadratique moyenne du temps de propagation entre les di§érents modes. Donc, le phénoméne d’étalement temporel des impulsions optiques fut le but initial derriére l’utilisation de la fibre à gradient 24 Fibre optique : caractéristiques & limitations physiques  d’indice approprié, qui soutiendra un large éventail de modes avec presque la m’me vitesse de phase, ce qui permet d’égaliser la vitesse de tous les modes. Actuellement, les fibres multi modes ne sont plus utilisées que pour les courtes distances ne dépassant pas les 3 Km, pour lesquelles la dispersion intermodale ne pose pas de problémes. Donc, en raison des avantages et performances significatifs o§erts par la fibre monomodale, les télécommunications longues distances utilisent cette derniére. 

Structure d’une fibre optique

Une fibre optique est un fil en verre (en silice ou en plastique) trés fin qui a la propriété d »tre un bon guide de lumiére. Elle est utilisée, notamment, dans la transmission de données numériques sous forme d’impulsions lumineuses modulées dans les réseaux informatiques locaux (Data centres) et les réseaux télécoms terrestres grandes distances et sous-marins transcontinentaux .

 Longueur d’onde de coupure

 D’aprés la figure (2.2), plus le mode de fonctionnement d’une fibre optique est élevé, plus le nombre de rayons de lumiére qui peut ‘tre guidé à travers le noyau est élevé. Ainsi, le nombre de modes discrets dans une fibre optique est déterminé par la fréquence normalisée ( 2.1). Celle-ci est obtenue, dans le cas de la solution de l’équation de propagation (2.5) dans une fibre optique en appliquant les conditions aux limites cúur-gaine, on définit la fréquence spatiale normalisée V , telle que : V = ak0 q n2 c  ..

Principe de guidage de la lumiére

Les principes de guidage de la lumiére sont bien connus depuis l’antiquité gr‚ce aux fontaines lumineuses de l’Egypte antique. Ces fontaines ont été rendues célébres suite aux travaux scientifiques du physicien Swiss Daniel Colladon (1840) et du physicien Irlandais John Tyndall (1870), qui ont démontré expérimentalement que la réáexion totale interne de la lumiére dans un jet d’eau permettait un guidage de celle-ci à l’intérieur de ce jet d’eau. Ce m’me principe constitue aujourd’hui la base de fonctionnement des fibres optiques utilisées dans les systémes de communications modernes. Le principe est simple, en se basant sur l’optique géométrique, la deuxiéme loi de Snell-Descartes (2.3) nous permet d’expliquer, gr‚ce à la notion de la réáexion totale interne, le principe de guidage de la lumiére. n1 sin i = n2 sin r (2.3) ou i, r sont, d’aprés le schéma de la figure (2.3, a), les angles d’incidence et de réfraction par raport à la normale N, respectivement. Mathématiquement et d’aprés l’équation (2.3), cette loi nous montre qu’un rayon lumineux s’écarte de la normale en passant d’un milieu plus réfringent à un milieu moins réfringent (n1  n2). A la valeur de r = 90 , l’angle d’incidence atteint l’angle limite i` = arcsin (n2=n1) de sorte que le rayon réfracté émerge de faÁon rasante. Au-delà de cet angle critique, le rayon réfracté est complétement réáéchie, on parle alors de la réáexion totale interne, figure (2.3, a). De cette faÁon, tous les rayons lumineux qui arrivent à l’interface cúur-gaine avec un angle d’incidence égale ou supérieur à i` seront guidés en subissant des réáexions internes totales multiples, alors que les autres rayons seront perdus (ou réfractés) dans la gaine, constituant ce qu’on appelle les modes de gaine ou de fuites, figure (2.3, b). L’intér’t de ce phénoméne est à la base du guidage de la lumiére par les jets d’eau dans les fontaines lumineuses et dans tout autre guide d’onde tel que la fibre optique. On note, aussi, que la quantité de la lumiére injectée dans la fibre dépend de l’ouverture de l’angle d’incidence max, dont le sinus est appelé ouverture numérique de la fibre.