La Fibre Optique - TPE 2009-2010

__________________________________________________________________________________ GRALL Nicolas et SABBIONI Maxime

I. Principe de fonctionnement de la Fibre Optique et ses caractéristiques

I.[1] Composition de la fibre optique.

Une fibre optique est un tube composé de 3 éléments principaux : 

 

  • Le cœur, généralement fait en silice, fibre dans laquelle circule la lumière.
  • La gaine optique, composée elle aussi de silice, entoure le coeur afin de limiter les pertes mais ne sert pas à transporter la lumière, elle augmente simplement l'angle maximal de réfraction.
  • Le revêtement de protection qui, comme son nom l'indique, sert à protéger la fibre en la rendant plus flexible et en améliorant sa maniabilité. Ce revêtement n'intervient en aucun cas dans la transmission de la lumière. Son épaisseur et ses propriétés dépendent de l'utilisation que l'on ferra de la fibre, par exemple : une fibre optique sous-marine n'aura pas le même revêtement qu'une fibre destinée à une utilisation domestique.
  • Une gaine protectrice supplémentaire peut être ajoutée dans les cas où la fibre optique serait exposée à des conditions peu favorables à son utilisation.

 Fabrication et caractéristiques de la fibre optique :

 

  • Caractéristiques : Le diamètre d'une fibre optique peut varier de 10μm pour les fibres monomodes, à 200μm pour les fibres à saut d'indice. Le diamètre total d'une fibre varie de 125μm à 380μm environ.
      
 
  • Fabrication : Le coeur de la fibre optique est obtenu à partir d'un tube creux en verre, d'une longueur d'environ 1 m et de 10 cm de diamètre, qui sera traité et préparé, puis fondu (voir vidéo ci-dessous). Ce coeur sera ensuite enduit et gainé. A partir d'un tube de 1m de long, on peut produire environ 150 km de fibre optique. La fibre optique n'est donc pas très chère à produire (environ 0,10 € le mètre). 
 
 
 
 
 
Le Principe de Réfraction - Lois de Descartes
 
 

Définition : La réfraction est la déviation des rayons lumineux passant obliquement d'un milieu transparent à un autre.

 

       Lorsqu'un rayon lumineux, appelé rayon incident (en bleu ci-dessous), passe d'un milieu transparent 1 à un milieu transparent 2 (de l'air au verre par exemple) avec un certain angle, que l'on nomme angle d'incidence il est réfléchi. C'est ce qu'on appelle le rayon réfléchi (en rouge)

ex : le reflet dans une vitre
 

En traversant le milieu 2, il est dévié suivant un indice de réfraction n propre au milieu (voir ci-après) : c'est le rayon réfracté (en jaune) 

ex : l'image d'une tige qui se "casse" quand on la met dans l'eau.
 
 

   

 

Ce phénomène a été mis en évidence par Descartes, qui définit les lois de la réfraction en 1637.
 
 
 

        Ainsi Descartes a établi la formule suivante :

ni . sin i = nr . sin r


où : •  i = angle d'incidence
      •  r = angle de réfraction

(i et r sont définis par rapport à la normale, droite perpendiculaire à la surface de séparation des deux milieux)


       •  n = indice de réfraction d'un milieu transparent

(n = c/v, où c est la vitesse de la lumière dans le vide, et v sa vitesse dans le milieu traversé)

im1.jpg

 

 

Les lois de la réfraction disent également que le rayon peut être réfléchi, dans ce cas i = r.

im2.jpg

 

Si dans la formule ni . sin i = nr . sin r, nr est supérieur à ni, alors le rayon est réfléchi jusqu'à un certain angle appelé angle limite de réfraction.

 

       C’est ce principe qui est utilisé dans la fibre optique : 
En effet le rayon lumineux arrivant dans la fibre est réfléchi (comme sur le schéma ci-dessus) tout le long de la fibre optique. On empêche le rayon lumineux de sortir du cœur de la fibre en dopant la silice pour ainsi obtenir n
c>ng, où nc représente l’indice de réfraction du cœur et ng celui de la gaine optique.

  

 

Voir l'animation sur le principe de réflexion (dans une fibre à saut d'indice)

Voir l'animation sur la courbure de la lumière dans une fibre optique

 

       La conception de la fibre optique est donc un jeu avec les indices de réfraction pour obtenir une fibre conduisant la totalité de la lumière sans commettre de perte. Les chercheurs se penchent sur le sujet depuis déjà quelques années.

 

I.[2] Les différents types de fibres.

     Il existe plusieurs types de fibres, les fibres monomodes, multimodes à saut d'indice et multimodes à gradient d'indice, chacune ayant un rôle spécifique.

 

  • I.[2] 1 - Les fibres monomodes :

             Les fibres monomodes sont, comme leur nom le laisse supposer, des fibres ne pouvant assurer le transport que d'un seul rayon lumineux à la fois. Le diamètre du coeur d'une telle fibre étant très faible, ce rayon est conduit en ligne droite, annulant ainsi presque totalement l'atténuation et la dispersion du signal. Actuellement, c'est le type de fibre le plus performant qui permet d'atteindre un débit de 160 Gb.s-1, voire 2 Tb.s-1 (encore au stade expérimental) ! Cependant pour obtenir un tel débit, il faut générer une impulsion lumineuse extrêmement brève - de l'ordre de la microseconde (μs) voire de la femtoseconde (fs) - et cela nécessite l'utilisation d'émetteurs très performants et onéreux. On utilise donc principalement ces fibres pour les très longues distances.

  • I.[2] 2 - Les fibres multimodes :

         Ces fibres ont été les premières à être fabriquées et vendues sur le marché. Comme nous vous l'avons montré précédemment, leur coeur a un diamètre assez important (entre 50μm et 200μm). De plus, le verre qui le compose est d'une moins bonne qualité que celui utilisé pour les fibre monomodes; ceci provoque une perte considérable du signal durant le trajet, c'est pour cela qu'elles ne sont utilisées que pour de courtes distances ou pour certaines décorations. Cependant, ces fibres permettent le transport de plusieurs rayons lumineux de longueurs d'onde différentes (séparées chacune de 10nm minimum). 

       Il existe deux sortes de fibres multimodes : celles à saut d'indice et celles à gradient d'indice.

 

 

  •  Fibre à saut d'indice :
C'est la fibre la plus ordinaire et la plus basique. En effet, son coeur est très large et très irrégulier. L'atténuation du signal est donc très forte et les différentes longueurs d'ondes utilisées ont tendance à s'étaler et n'arrivent pas au même moment au niveau du récepteur.

 

  • Fibre à gradient d'indice :
Les fibres de cet ensemble présentent un grand nombre de similitudes avec les fibres à saut d'indice, mais ont subi quelques améliorations au cours du temps. En effet, leur coeur est affiné (entre 50μm et 100μm), et sera composé de plusieurs couches de verre de qualités différentes, ayant des indices de réfraction de plus en plus élevés (voir graphique ci-dessous), d'où son nom fibre à "gradient d'indice". Ces différentes couches permettent de reconduire dans l'axe central de la fibre un rayon lumineux qui ne le suivrait pas.

 

I.[3] Mode de transmission de l'information (émission/réception).

 

  •  Le codage binaire

 

        Tout d'abord, il faut savoir que l'information est diffusée dans la fibre optique sous la forme de rayons lummineux en utilisant un système de codage binaire optique. Ce système consiste en l'émission de brèves impulsions lumineuses correspondant à des 1 et des 0. Nous allons donc rappeler les bases de ce codage mathématique :

       Le système binaire est un système de numération utilisant la base 2. On nomme couramment bit (de l'anglais binary digit, soit « chiffre binaire ») les chiffres de la numération binaire. Ceux-ci ne peuvent prendre que deux valeurs, notées par convention 0 et 1 (présence ou absence de signal électrique dans le cas du codage binaire électronique).

C'est un concept essentiel de l'informatique. En effet, les processeurs des ordinateurs sont composés de millions de transistors (imprimés sur un circuit électronique) qui chacun ne gère que des bits 0 (« le courant ne passe pas ») et 1 (« le courant passe »).

Un calcul informatique n'est donc qu'une suite d'opérations sur des paquets de 0 et de 1, qui sont regroupés, le plus souvent, par 8. Ces paquets sont appelés octets.

Le language binaire se lit depuis la droite vers la gauche et utilise la base 2, ce qui signifie que l'information est en fait une somme de puissances de 2 (1, 2, 4, 8, 16, 32, 64...).

        Exemple :     0111 se lit  ->  1x(2^0) + 1x(2^1) + 1x(2^2) + 0x(2^3) = 7

                           Donc 0111 correspond en binaire à la valeur décimale 7

                           de même, 1001 correspond à 9

 

 

 

        Ensuite, ce code binaire est utilisé avec la fibre optique pour transmettre l'information en prenant un bref signal lumineux pour le 1 optique (représenté par ci-dessous) et une absence de signal pour le 0 optique (représenté par ci-dessous).

 

La valeur numérique 9 est donc codé en binaire optique par :  

 

de même,        correspond à la valeur numérique 7

 

                                            

 

 

       Les questions que l'on peut se poser sont : d'où provient la lumière transmise dans la fibre optique et quels traitements doit subir le signal électrique afin d'être transformé en signal lumineux pour être enfin détecté et reconverti en signal électrique ?
 
 
  •  Émission : 
Les émetteurs utilisés sont en fait des diodes de différentes sortes :
 
- Les LED (Light Emitting Diode) ou DEL (Diode ElectroLuminescente) émettant une lumière visible, le plus souvent rouge (longueur d'onde 620 - 780 nm), à la limite de l'infrarouge, ce qui permet une forte émission et, par conséquent, une perte moins importante durant le trajet du signal.
 
- Les  diodes infrarouges (longueur d'onde 1300 nm) qui sont très performantes et d'une grande précision.
 
-  Les diodes laser (1550 nm) uniquement utilisées pour les fibres monomodes car elles permettent une émission de rais lumineux parfaitement rectiligne dans le coeur très mince de la fibre.

Se rajouteront ensuite au dispositif une lentille pour diriger et amplifier le signal lumineux dans la fibre et un circuit électrique complexe qui traitera le signal électrique. L'ensemble nous donne un émetteur plutôt volumineux lorsque nous le réalisons en laboratoire mais a il a été miniaturisé pour la commercialisation et l'on obtient alors des émetteurs de taille infime (voir ci-dessous, l'allumette donne une échelle sur la photographie).

 

  •  Réception :

Les capteurs ou récepteurs couramment utilisés sont :

- la photodiode, qui module le courant électrique en fonction de l'information lumineuse reçue. Dans ce cas un amplificateur du signal électrique est associé au détecteur afin de rendre cette information électrique utilisable et analysable par un processeur ou autre périphérique électronique.
 
- le phototransistor, qui fonctionne sur le même principe mais ne nécessite aucun amplificateur, ce qui simplifie grandement la miniaturisation du dispositif de réception.
 
Ces capteurs fonctionnent sur le principe de la variation de l'intensité du courant électrique en fonction de celle de l'intensité lumineuse. Graphiquement, nous obtenons une courbe de l'intensité électrique en fonction du temps d'une forme sinusoïdale, un "creux" correspondant au 0 optique (absence de signal lumineux, donc intensité électrique faible) et un "pic" correspondant au 1 optique (présence de signal lumineux, donc intensité électrique relativement élevée).
 
Sur le plan matériel, ces récepteurs sont extrêmement petits mais restent tout autant performants, et, lorsqu'ils sont miniaturisés pour la commercialisation, on peut parler de microrécepteurs (ou microcapteurs).
 
 
 
 
 
Photodiode
 
 
 
        La fibre optique n'est donc pas utilisable toute seule, elle nécessite un dispositif au départ du signal lumineux et un autre à l'arrivée pour son traitement et sa conversion en signal électrique.
 

 

                                                                                                                                          

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