Tutoriel Fibre Optique – Fibre Optique – Fibre de communication

Termes de base

Réfraction de la lumière

Lorsqu’un rayon lumineux passe d’un milieu transparent à un autre, il change de direction; ce phénomène est appelé réfraction de la lumière. Combien ce rayon lumineux change de direction dépend de l’indice de réfraction des milieux.

Indice de réfraction

L’indice de réfraction est la vitesse de la lumière dans le vide (en abrégé c, c = 299 792.458km /seconde) divisé par la vitesse de la lumière dans un matériau (en abrégé v). L’indice de réfraction mesure combien un matériau réfracte la lumière. L’indice de réfraction d’un matériau, abrégé en n, est défini comme

n = c / v

Loi de Snell

En 1621, un physicien néerlandais nommé Willebrord Snell a dérivé la relation entre les différents angles de lumière lorsqu’elle passe d’un milieu transparent à un autre. Lorsque la lumière passe d’un matériau transparent à un autre, elle se plie selon la loi de Snell qui est définie comme:

n1sin(θ1) = n2sin(θ2)

où:
n1 est l’indice de réfraction du milieu que la lumière quitte
θ1 est l’angle incident entre le faisceau lumineux et la normale (la normale est de 90 ° par rapport à l’interface entre deux matériaux)
n2 est l’indice de réfraction du matériau que la lumière entre
θ2 est l’angle de réfraction entre le rayon lumineux et la normale

Note :

Pour le cas de θ1 = 0° (c’est-à-dire un rayon perpendiculaire à l’interface) la solution est θ2 = 0° quelles que soient les valeurs de n1 et n2. Cela signifie qu’un rayon entrant dans un milieu perpendiculaire à la surface n’est jamais plié.

Ce qui précède est également valable pour la lumière allant d’un matériau dense (n supérieur) à un matériau moins dense (n inférieur); la symétrie de la loi de Snell montre que les mêmes trajets de rayons sont applicables dans une direction opposée.

Réflexion Interne totale

Lorsqu’un rayon lumineux traverse une interface dans un milieu ayant un indice de réfraction plus élevé, il se plie vers la normale. Inversement, la lumière qui traverse une interface d’un milieu à indice de réfraction plus élevé à un milieu à indice de réfraction plus bas s’éloignera de la normale.

Ceci a une implication intéressante: sous un certain angle, connu sous le nom d’angle critique θc, la lumière voyageant d’un milieu d’indice de réfraction supérieur à un milieu d’indice de réfraction inférieur sera réfractée à 90 °; en d’autres termes, réfractée le long de l’interface.

Si la lumière frappe l’interface sous un angle supérieur à cet angle critique, elle ne passera pas du tout au second support. Au lieu de cela, tout cela sera reflété dans le premier support, un processus connu sous le nom de réflexion interne totale.

L’angle critique peut être calculé à partir de la loi de Snell, en mettant un angle de 90° pour l’angle du rayon réfracté θ2. Cela donne θ1:

Depuis

θ2 = 90°

Donc

sin(θ2) = 1

Puis

θc = θ1 = arcsin(n2/n1)

Par exemple, lorsque la lumière tente de sortir du verre avec n1 = 1,5 dans l’air (n2 = 1), l’angle critique θc est arcsin (1/1,5), soit 41,8°.

Pour tout angle d’incidence supérieur à l’angle critique, la loi de Snell ne pourra pas être résolue pour l’angle de réfraction, car elle montrera que l’angle réfracté a un sinus supérieur à 1, ce qui n’est pas possible. Dans ce cas, toute la lumière est totalement réfléchie par l’interface, obéissant à la loi de la réflexion.

Fonctionnement de la fibre optique

Les fibres optiques reposent entièrement sur le principe de la réflexion interne totale. Ceci est expliqué dans l’image suivante.

La fibre optique est une longue et mince mèche de verre très pur d’environ le diamètre d’un cheveu humain. Les fibres optiques sont disposées en faisceaux appelés câbles optiques et utilisées pour transmettre des signaux lumineux sur de longues distances.

La structure d’une fibre optique

Les fibres optiques typiques sont composées d’un noyau, d’un revêtement et d’un revêtement tampon.

Le noyau est la partie interne de la fibre, qui guide la lumière. Le revêtement entoure complètement le noyau. L’indice de réfraction du noyau est plus élevé que celui du revêtement, de sorte que la lumière dans le noyau qui frappe la limite avec le revêtement à un angle moins profond que l’angle critique sera réfléchie dans le noyau par réflexion interne totale.

Pour les types de fibres de verre optiques les plus courants, qui comprennent des fibres monomodes de 1550 nm et des fibres multimodes de 850 nm ou 1300 nm, le diamètre du noyau varie de 8 à 62,5 µm. Le diamètre de revêtement le plus courant est de 125 µm. Le matériau de revêtement tampon est généralement un plastique souple ou dur tel que l’acrylique, le nylon et dont le diamètre varie de 250 µm à 900 µm. Le revêtement tampon offre une protection mécanique et une flexibilité de flexion pour la fibre.

Mode Fibre optique

Qu’est-ce que le mode fibre?

Une fibre optique guide les ondes lumineuses dans des motifs distincts appelés modes. Le mode décrit la distribution de l’énergie lumineuse à travers la fibre. Les motifs précis dépendent de la longueur d’onde de la lumière transmise et de la variation d’indice de réfraction qui façonne le noyau. En substance, les variations de l’indice de réfraction créent des conditions aux limites qui façonnent la façon dont les ondes lumineuses traversent la fibre, comme les parois d’un tunnel affectent la façon dont les sons résonnent à l’intérieur.

Nous pouvons jeter un coup d’œil aux fibres à indice d’étape à gros noyau. Les rayons lumineux pénètrent dans la fibre à différents angles, et les rayons à différents angles peuvent tous se déplacer de manière stable sur la longueur de la fibre tant qu’ils frappent l’interface noyau-gaine à un angle supérieur à l’angle critique. Ces rayons sont des modes différents.

Les fibres qui transportent plus d’un mode à une longueur d’onde lumineuse spécifique sont appelées fibres multimodes. Certaines fibres ont un noyau de très petit diamètre qu’elles ne peuvent porter qu’un seul mode qui se déplace en ligne droite au centre du noyau. Ces fibres sont des fibres monomodes. Ceci est illustré dans l’image suivante.

Profil d’indice de fibre optique

Le profil d’indice est la distribution d’indice de réfraction à travers le noyau et la gaine d’une fibre. Certaines fibres optiques ont un profil d’indice de pas, dans lequel le noyau a un indice uniformément réparti et la gaine a un indice uniformément réparti inférieur. Une autre fibre optique a un profil d’indice gradué, dans lequel l’indice de réfraction varie progressivement en fonction de la distance radiale du centre de la fibre. Les profils d’indice gradué comprennent les profils d’indice de loi de puissance et les profils d’indice parabolique. La figure suivante montre certains types courants de profils d’index pour les fibres monomodes et multimodes.

Ouverture numérique (NA) de la fibre optique

La fibre optique multimode ne propagera que la lumière qui pénètre dans la fibre à l’intérieur d’un certain cône, connu sous le nom de cône d’acceptation de la fibre. Le demi-angle de ce cône est appelé angle d’acceptation, θmax. Pour la fibre multimode à indice de pas, l’angle d’acceptation est déterminé uniquement par les indices de réfraction:

Où
n est l’indice de réfraction de la lumière moyenne qui se déplace avant d’entrer dans la fibre
nf est l’indice de réfraction du noyau de la fibre
nc est l’indice de réfraction de la gaine

Comment calculer le Nombre de Modes dans une fibre?Les modes

sont parfois caractérisés par des nombres. Les fibres monomodes ne portent que le mode d’ordre le plus bas, attribué au numéro 0. Les fibres multimodes portent également des modes d’ordre supérieur. Le nombre de modes qui peuvent se propager dans une fibre dépend de l’ouverture numérique (ou angle d’acceptation) de la fibre ainsi que de son diamètre central et de la longueur d’onde de la lumière. Pour une fibre multimode à indice de pas, le nombre de ces modes, Nm, est approximé par

Où
D est le diamètre du cœur
λ est la longueur d’onde de fonctionnement
NA est l’ouverture numérique (ou l’angle d’acceptation)

Remarque : cette formule n’est qu’une approximation et ne fonctionne pas pour les fibres portant seulement quelques modes.