Qu’est-ce qu’une fibre optique

Principe de fonctionnement d’une fibre optique

Une fibre optique pour les télécommunications est un guide d’onde cylindrique en verre de silice constitué d’une zone centrale transparente de quelques micromètres de diamètre : le cœur. Ce dernier est entouré d’une zone dont l’indice est plus faible : la gaine. Les couches sont des cylindres coaxiaux, représentés schématiquement sur la figure 1.1. La différence d’indice entre le cœur et le reste de la fibre est induite par des dopages différents de leur constituant principal, la silice. Fig. 1.1 – Représentation schématique d’une fibre de verre 1.1.1 Un peu d’optique géométrique Soient deux milieux homogènes isotropes d’indices de réfraction respectifs n1 et n2, comme représentés sur la figure 1.2 et tels que n1 > n2. Considérons un rayon lumineux incident faisant un angle i1 avec la normale au plan tangent à la surface frontière entre les deux milieux. Ce rayon est réfléchi et quelquefois réfracté. Dans ces conditions, les lois de Descartes précisent que :  le rayon réfléchi et le rayon réfracté sont dans le plan défini par le rayon incident et la normale à la surface ;  l’angle de réflexion est égal à l’angle d’incidence ;  la relation entre l’angle de réfraction et l’angle d’incidence est : n1 sin i1 = n2 sin i2  Fig. 1.2 – Loi de la réfraction Il y a réfraction tant que sin i1 < sin θ = n2 n1 , soit tant que i1 < θ. Au contraire, lorsque i1 > θ (angle critique) il y a réflexion totale, et dans le cas o`u i1 = θ, alors l’angle i2 vaut 90˚. 

Propagation dans une fibre optique à saut d’indice

Les fibres optiques à saut d’indice sont une conséquence directe de ce qui précède. En effet, intéressons-nous au trajet d’un rayon lumineux à l’intérieur du cœur d’une fibre optique, comme décrit sur la figure 1.3. Afin que le rayon se propage à l’intérieur du cœur de la fibre, il faut qu’il y ait réflexion totale à l’interface cœur-gaine (au point I sur la figure 1.3). Cela implique donc une condition sur l’inclinaison du rayon entrant dans le cœur (donc sur l’angle θ de la figure 1.3). Rappelons que dans le cas d’une fibre à saut d’indice, l’indice du cœur est supérieur à celui de la gaine, donc nous avons : n1 > n2. Fig. 1.3 – Principe de propagation D’après les lois de Descartes énoncées dans le paragraphe précédent, pour qu’il y ait réflexion totale en I, il faut que l’angle d’incidence du rayon émis θ2 soit supérieur à l’angle critique Φc défini par sin Φc = n2 n1 . En faisant un peu de géométrie élémentaire à partir de la figure 1.3, cette condition sur θ2 aboutit à une condition sur θ, à savoir : θ < arcsin(q n 2 1 − n 2 2 ) (1.1) Donc, pour qu’une fibre puisse transmettre un rayon lumineux, il faut que celui-ci ait un angle d’incidence inférieur à θ = arcsin q n 2 1 − n 2 2  , ce qui signifie qu’il doit ˆetre dans un cˆone de demi-angle au sommet θ comme représenté sur la figure 1.4. Il est alors courant d’introduire l’ouverture numérique de la fibre, notée ON définie comme le sinus de l’angle maximum acceptable, soit : ON = q n 2 1 − n 2 2 Fig. 1.4 – Ouverture numérique d’une fibre optique 1.1.3 Profil d’indice d’une fibre optique Afin d’obtenir de bonnes propriétés de transmission, il est nécessaire de maˆıtriser l’indice de réfraction à l’intérieur de la fibre, puisque c’est grˆace à la différence d’indice qu’il est possible de prévoir le chemin parcouru par la signal. Typiquement, le profil d’indice d’une fibre est tel que sur la figure 1.5. L’indice de réfraction du cœur est légèrement supérieur à celui de la gaine optique. Ce type de fibre est appelé fibre à saut d’indice. On les distingue des fibres à gradient d’indice pour lesquelles l’indice de réfraction dans le cœur n’est pas constant.