Définition d’une fibre optique
La fibre optique est un fil transparent très fin qui conduit la lumière. Entourée d’une gaine protectrice, elle peut être utilisée pour conduire de la lumière entre deux lieux distants de plusieurs centaines voire milliers de kilomètres . Le signal lumineux codé par une variation d’intensité est capable de transmettre une grande quantité d’information. La fibre trouve son utilisation principale dans les réseaux de transmission pour les télécommunications .
Moins poétiquement, c’est un guide d’ondes électromagnétiques dans la gamme des longueurs d’ondes lumineuses, en générale de 0.6 μm à 2 μm, bien que certaines applications se dessinent vers 10 μm; ce milieu est composé au minimum de deux matériaux d’indices différents l’un formant la gaine (indice n2) et l’autre le cœur (indice n1) .
Fabrication des fibres
La fabrication d’une fibre optique passe par la réalisation d’une préforme cylindrique en barreau de silice. La silice est un composé oxygéné du silicium, de formule SiO2, présent dans un grand nombre de minéraux, tels que le quartz, la calcédoine et l’opale.
Le barreau subit ensuite un étirage, en plaçant l’extrémité dans un four porté à une température voisine de 2000°C. Il est alors transformé en une fibre de plusieurs centaines de kilomètres, à une vitesse de l’ordre du kilomètre par minute. La fibre est ensuite revêtue d’une double couche de résine protectrice avant d’être enroulée sur une bobine. Son centre, qui constitue le cœur, nécessite une silice très pure avec un minimum d’ions hydroxyles OH-. Le cœur est entouré d’une silice de moindre qualité qui forme la gaine optique. On réalise un écart d’indice entre le cœur et la gaine en incorporant des dopants, tels que : le germanium et le phosphore qui accroissent l’indice dans le cœur, le bore et le fluor qui le font décroître dans la gaine, Ainsi, une préforme de verre d’une longueur de 1 m et d’un diamètre de 10 cm permet d’obtenir par étirement une fibre monomode d’une longueur d’environ 150 Km .
Pertes intrinsèque
Diffusion intrinsèque de Rayleigh : Les verres utilisés en général dans les fibres optiques sont des matériaux amorphes (structures désordonnées) comportant donc de nombreux agrégats de matière incohérents.
Au niveau macroscopique, ces éléments, lorsqu’ils sont illuminés, diffusent la lumière dans toutes les directions. Une partie de cette lumière est réinjectée dans le guide sous une forme différente de la lumière incidente et correspond à la conversion de modes. Une partie est réinjectée à contrario dans le guide et correspond à une puissance lumineuse rétrodiffusée. Une partie enfin ne peut être guidée et est éliminée dans la gaine. Si la première partie crée une perturbation de la capacité en transmission, les deux autres apparaissent comme des pertes et contribuent donc à l’atténuation. Absorption intrinsèque dans le matériau : L’absorption par le matériau qui intervient dans l’infrarouge; ce qui limite le domaine de transparence à environ 0,8 µm (qui ne transmet que la lumière visible), 1,7 µm dans la silice, mais près de 5 µm pour les verres fluorés qui trouvent ainsi une application en instrumentation; les pics d’absorption sélective par diverses impuretés, le plus gênant étant dû aux liaisons OH- à 1,39 μm. Pour le faire disparaître il faut que la silice ait une teneur en eau extrêmement faible (inférieure à 10-7).
Propriétés optiques des fibres optiques
La réponse d’un milieu diélectrique à la lumière qui le traverse devient non- linéaire pour des champs électromagnétiques intenses (champs laser avec E >106 m/s) comme c’est le cas dans les communications océaniques, par exemple. Cette réponse non- linéaire est due notamment aux mouvements non- harmoniques des électrons du matériau de transmission sous l’influence de l’onde qui le traverse. Les effets non- linéaires sont parfois observables pour des puissances de l’onde dans la fibre relativement faibles qui sont de l’ordre de quelques dizaines de mW, ceci à cause des très petites dimensions des fibres (cœur) et des pertes très faibles (<1dB/km). Les effets non- linéaires de plus bas ordre proviennent de la susceptibilité χ(3) d’ordre 3.
En effet, la susceptibilité d’ordre 1 est déjà prise en compte dans l’atténuation et les dispersions discutées plus tôt. La susceptibilité d’ordre 2, responsable des effets non- linéaires comme les générations de seconde harmonique, de somme de fréquences et d’oscillation paramétrique est nulle pour des molécules possédant une inversion symétrique comme la silice pure qui constitue le cœur de la fibre en absence de dopants.
La susceptibilité d’ordre 3 est responsable des phénomènes comme la génération de troisième harmonique, du mélange à quatre ondes (Four- wave mixing FWM) et de la réfraction non- linéaire. Dans les fibres optiques, seule la réfraction non- linéaire joue un rôle significatif. La plupart des effets non- linéaires dans la fibre optique proviennent de cette réfraction non-linéaire, phénomène dû à la dépendance de l’indice de réfraction par rapport à l’intensité du champ qui traverse le milieu.
Cristaux photoniques 3D
Seuls les cristaux photoniques 3D permettent d’obtenir une bande interdite omnidirectionnelle Le premier cristal photonique 3D, appelé yablonovite, fut fabriqué en 1991 par E. Yablonovitch en perçant mécaniquement des trous selon des angles bien choisis dans un bloc de plexiglas (indice 3,6), de façon à retrouver la structure cristalline du diamant qui est aussi celle du silicium . En effet, la cristallisation cubique face centrée (et la cristallisation diamant) possède la zone de Brillouin la plus sphérique possible, ce qui est propice à l’apparition de bandes interdites omnidirectionnelles. En 1991, ce cristal présentait une bande interdite pour les microondes, les dimensions de la structure étant centimétriques. Au fil des années, les scientifiques ont cherché à réduire la dimension des motifs, en utilisant des gravures par FIB ou rayons X, pour aujourd’hui aboutir à des cristaux photoniques présentant une bande interdite dans le proche infrarouge et le visible. D’autres structures autorisent l’apparition d’une bande interdite totale, notamment la structure dite en « tas de bois » qui consiste à empiler des réseaux 1D, en tournant de 90° et en décalant d’une demie période deux réseaux consécutifs .
Il existe aussi des cristaux photoniques 3D naturels. Par exemple, les ailes d’une certaine race de papillons, les Lycaenidae, contiennent un réseau de trous périodiques qui réfléchissent totalement la lumière bleue, quelque soit l’angle d’incidence. Les ailes ont alors la couleur bleue. Si la structure périodique est absente, les ailes seront marrons. Citons aussi comme autre exemple les opales qui sont composées d’empilements périodiques de billes de silice, de quelques centaines de nanomètres de diamètre. On peut fabriquer des opales artificielles par auto-organisation colloïdale de billes de silice. Cependant, le contraste d’indice de réfraction entre l’air et la silice est trop faible (inférieur à 2) pour qu’apparaisse une bande interdite complète. Pour améliorer le contraste, il est possible d’utiliser les opales comme moule afin de déposer des matériaux à fort indice par infiltration, la silice étant éliminée par la suite. Ces structures artificielles, appelées opales inversées, possèdent bien un gap omnidirectionnel .
Table des matières
Introduction générale
Chapitre Ι : Généralités sur les fibres optiques
Introduction
Partie 1 : Fibres optiques conventionnelles
Ι. Définition d’une fibre optique
ΙΙ. Principe de propagation
ΙΙΙ. Fabrication des fibres
ΙV. Différents types de fibres
IV.1.Ouverture numérique d’une fibre optique
IV.2. Fibres à saut d’indice
IV.3. Fibres à gradient d’indice
V. Propagation des ondes électromagnétiques dans une fibre optique
V.1. Equation de polarisation non linéaire
V.2. Equation de propagation non linéaire
V.3. Equation de Schrödinger non linéaire
VΙ. Effet des pertes sur la propagation des signaux optiques dans une fibre
VΙ.1. Pertes intrinsèque
VΙ.1.1. Diffusion intrinsèque de Rayleigh
VΙ.1.2. Absorption intrinsèque dans le matériau
VΙ.1.2.1. Provenance des ions OH-
VΙ.1.3. Fenêtres de transmission
VΙ.2. Pertes extrinsèques
VΙ.3. Pertes par courbure et micro-courbure
VΙ.4. Défauts de fabrication
VΙΙ. Effet de dispersion dans les fibres optiques
VΙΙ.1. Dispersion intramodale
VΙΙ.2. Dispersion intermodale
VΙΙ.3. Dispersion chromatique
VΙΙΙ. Propriétés optiques des fibres optiques
VΙΙΙ.1. Effet Kerr Optique
Partie 2 : Cristaux photoniques
Ι. Définition d’un cristal photonique
ΙΙ. Cristaux photoniques 3D
ΙΙΙ. Cristaux photoniques 2D
ΙV. Principe de guidage dans un cristal photonique
Conclusion
Références
Chapitre ΙΙ : Fibres microstructurées
Ι. Introduction
ΙΙ. Définition d’une fibre microstructurée
ΙΙΙ. Principe du guidage
ΙV. Fabrication des fibres microstructurées
V. Différents types de fibres optiques microstructurées
VΙ. Propriétés de propagation
VΙ.1. L’indice effectif de la gaine
VΙ.2. Longueur d’onde de coupure du deuxième mode
VΙ.3. Dispersion chromatique
VΙΙ. Application
Conclusion
Références
Chapitre ΙΙΙ : Effets des pertes dans les fibres microstructurées
Ι. Introduction
ΙΙ. Pertes par absorption
ΙΙΙ. Pertes par diffusion
ΙV. Pertes par courbure
V. Pertes de confinement
Conclusion
Références
ChapitreΙV : Résultats et discussion
IV.1. Origine des pertes
IV.2. Méthode multipolaire( MM)
IV.3. Variation des pertes en fonction de pas
IV.4. Variation des pertes en fonction de nombre de couronnes
IV.5. Variation des pertes en fonction de l’aire effective
IV.6. Variation des pertes en fonction de L’imaginaire de l’indice effectif
IV.7. Variation des pertes en fonction du rapport d/Λ
Conclusion
Références
Conclusion générale
