Les fibres optiques : principes

Applications des lois de l'optique aux fibres

La propagation guidée de la lumière par une fibre optique repose sur le principe de la réflexion totale.

Au delà d'un angle i₁ limite, il n'y a plus de réfraction, et la totalité de l'énergie incidente est réfléchie par le dioptre.

Composition

La fibre optique est donc constituée de deux tubes coaxiaux de matériaux diélectriques transparents d'indices différents.

• Le tube central d'indice n₁ est appelé cœur (core).
• Le tube extérieur d'indice n₂ (< n₁) est appelé gaine (cladding).
• L'ensemble est entouré d'un composant opaque appelé enveloppe (jacket), afin d'éviter toute perturbation par un signal optique extérieur à la fibre (toute source lumineuse).
  

Principe

Un rayon lumineux provenant de l'air (n₀ plus ou moins égal à 1), subit en pénétrant dans le cœur le la fibre une première réfraction qui le rapproche de l'axe (n₀ < n₁).
Ce rayon atteint la surface de la gaine sous un angle inférieur à l'angle limite de la réflexion totale, et est réfléchi presque totalement dans le cœur de la fibre sous un certain angle avec la gaine.

Le rayon se propage donc en zigzag dans le cœur par des réflexions totales successives sur la gaine, et sous le même angle.

En raison de la symétrie circulaire des fibres optiques, le domaine d'acceptation de la lumière est donc conique.

Classification

Il existe deux manières de classer les fibres optiques : la première s'effectue en considérant la variation de l'indice de réfraction dans le cœur, tandis que la deuxième considère le nombre de modes de propagations.

Variation de l'indice de réfraction dans le cœur

Profil à saut d'indice

Lorsque les indices de réfraction du cœur de la fibre et de la gaine sont différents mais non constants, nous pouvons parler de profil à saut d'indice (step-index profile).
La valeur de l'indice de réfraction change brusquement sur la surface de séparation.

Profil à gradient d'index

Dans le cas d'un profil à gradient d'index (graded-index profile), les indices de réfraction sont constants, mais celui du cœur décroît en partant du centre vers la périphérie afin d'atteindre la valeur de l'indice de la gaine à la zone d'interface cœur-gaine.
Ce type de fibre est aussi appelé profil d'index parabolique.

Les rayons lumineux ne suivent pas une trajectoire en zigzag, mais sont progressivement déviés, et se propagent dans le cœur de la fibre avec un mouvement ondulatoire autour de l'axe.

Modes de propagation

La théorie de l'électromagnétisme établie par Maxwell en 1865 établit que la lumière résulte de l'association d'un champ électrique E et d'un champ magnétique H variables, et qui sont perpendiculaires deux à deux avec la direction de propagation.

L'étude de la propagation de la lumière et des phénomènes d'interférence par interaction de deux rayonnements avait déjà été réalisée par Fresnel dès 1815 en ramenant simplement la vibration lumineuse à la vibration d'un vecteur transversal (identifié au vecteur "champ électrique").

La théorie ondulatoire de la lumière démontre que les ondes électromagnétiques se propagent dans un guide suivant un nombre discret de modes, c'est à dire de chemins différents.
Aucune onde n'a la même durée de trajet (mode de propagation) et donc les ondes ne peuvent donc arriver en phase au terminal.

Selon cet angle, il existe donc trois catégories de fibres optiques :

	Monomodes à saut d'indice (n1 étroit). Laser infrarouge pour une propagation de plus de 10 Km.
	Multimodes à saut d'indice (n1 plus grand). Diode électroluminescente LED émettant dans le visible (+ 1Km).
	Multimodes à profil d'indice (gradient d'indice). Diode électroluminescente LED émettant dans le visible (+ 1Km).

Fibres multimodes

Fibres optiques dans lesquelles une onde lumineuse injectée pourra se déplacer suivant plusieurs modes (nombre supérieur à plusieurs centaines en général).
Ces fibres sont souvent utilisées pour des raisons de facilités de fabrication et d'exploitation, mais présentent des distorsions assez importantes qui limitent de ce fait la bande passante disponible (les fibres à gradient d'indice réduisent la distorsion modale).

Fibres monomodes

Lorsque le diamètre du cœur de la fibre diminue, il en va de même, pour une fréquence donnée, du nombre possible de modes de propagation.
En dessous d'un certain diamètre, seul le mode fondamental (n=0) peut être guidé. On dit alors qu'il s'agit d'une fibre monomode.
Il n'y a évidemment pas de distorsion inter modale du signal propagé, ce qui se traduit par une très large bande passante.

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