La Fibre Optique : Principes, Atténuation et Jonction

Description et Fonctionnement de la Fibre Optique

La fibre optique est une tige de lumière qui transporte le signal (le cœur) entourée d'un revêtement (la gaine).

C'est une ligne très fine d'un matériau transparent, en verre ou en matières plastiques, à travers laquelle sont envoyées des impulsions de lumière qui représentent des données à transmettre.

L'Indice de Réfraction et son Calcul

Si la lumière passe à travers un milieu transparent mais plus dense, il est logique qu'elle se déplace à une vitesse plus lente que la vitesse de la lumière dans le vide.

La vitesse de la lumière dans le vide peut être approchée par :

1. c = 300 000 km/s (vitesse de la lumière dans le vide).
2. Pour la nouvelle vitesse de la lumière à l'intérieur du milieu, on peut utiliser l'équation :
3. Vitesse de la lumière dans le milieu = (Vitesse de la lumière dans le vide) / (Indice de réfraction)

Chaque brin est constitué d'un cœur en plastique ou en verre (oxyde de silicium et de germanium) avec un indice de réfraction élevé, entouré par une gaine d'un matériau similaire avec un indice de réfraction légèrement inférieur. Lorsque la lumière frappe une surface délimitée par un indice de réfraction plus faible, elle est en grande partie réfléchie. Plus la différence entre les indices est grande et plus l'angle d'incidence est élevé, plus ce phénomène est prononcé. C'est ce qu'on appelle la réflexion interne totale.

Le fonctionnement de la fibre optique est basé sur la transmission d'un faisceau de lumière dans le cœur de la fibre, de telle sorte qu'il ne passe pas à travers la gaine, mais qu'il se réfléchisse et se propage à l'intérieur. Ce résultat est obtenu si l'indice de réfraction du cœur est supérieur à celui de la gaine, et si l'angle d'incidence dépasse l'angle limite.

Angle d'Incidence, Réfraction et Réflexion Totale

Un cas particulier de la réfraction se produit lorsque le rayon réfracté se déplace le long de la frontière entre les deux milieux, étant perpendiculaire à la normale.

Ceci est connu comme l'angle critique de réfraction et est calculé comme suit :

• L'angle critique de réfraction permet de classer les faisceaux de lumière selon qu'ils sont inférieurs ou supérieurs à cet angle.
• Pour les angles d'incidence inférieurs à l'angle critique, le faisceau de lumière est réfracté et s'échappe du milieu le plus dense vers le milieu moins dense.
• Pour les angles d'incidence supérieurs à l'angle critique, la lumière est réfléchie à l'intérieur du milieu le plus dense.
• Ceci est connu comme la réflexion interne totale, et c'est le principe de fonctionnement de toutes les fibres optiques.

L'Atténuation dans la Fibre Optique

Atténuation : Perte de puissance du signal lumineux qui se propage dans le milieu de transmission. Son coefficient est lié à la distance.

La Diffusion de Rayleigh

• Produite par la diffusion de la lumière due à la présence d'irrégularités, de discontinuités et de dis-homogénéités de la matière, lorsque les imperfections sont de taille inférieure ou égale à la longueur d'onde (λ).
• C'est un phénomène inhérent à tous les matériaux transparents.
• Elle est proportionnelle à 1/λ⁴.

L'Absorption Matérielle

• Elle est produite par le mécanisme d'interaction lumière-matière.
• L'absorption intrinsèque est causée par la résonance mécanique des molécules du verre (absorbant l'énergie infrarouge) et par les transitions des bandes électroniques (absorbant l'énergie ultraviolette).

L'Absorption Extrinsèque

• L'absorption extrinsèque est produite par des impuretés telles que des ions de métaux de transition.

L'Atténuation Linéaire Dispersive

• Couplage des modes de distribution différents.
• Également produite par les tensions et les courbures extrêmes.

L'Atténuation par Dispersion Non Linéaire

• Phénomène complexe qui implique l'apparition de modes supérieurs (génération de fréquences différentes, supérieures).
• Appelée émission stimulée de Raman et Brillouin, elle est utilisée dans les amplificateurs optiques.
• Nécessite des puissances relativement importantes.

La Dispersion dans la Fibre Optique

Selon le profil d'indice de réfraction du cœur, on distingue deux types de fibres multimodes :

• Fibre à saut d'indice : Dans ce type de fibre, le cœur a un indice de réfraction constant sur toute sa section cylindrique, ce qui entraîne une dispersion modale élevée.
• Fibre à gradient d'indice (ou à taux progressif) : Dans ce type, l'indice de réfraction n'est pas constant mais diminue progressivement du centre vers la périphérie du cœur. Cela réduit la dispersion modale.

Une perte de puissance à travers le milieu est connue sous le nom d'atténuation. Elle est exprimée en décibels (dB) avec une valeur positive. L'atténuation est causée par diverses raisons, entraînant une diminution de la bande passante du système, de la vitesse et de l'efficacité. Les fibres multimodes ont généralement des pertes plus importantes en raison de la diffusion de la lumière causée par les impuretés. Les principales causes de perte dans le milieu sont :

• Absorption des pertes
• Perte de Rayleigh
• Dispersion chromatique
• Les pertes par rayonnement
• La dispersion modale
• Les pertes de couplage

Types de Fibres Optiques

Les différents chemins que peut prendre un faisceau de lumière à l'intérieur d'une fibre sont appelés modes de propagation. Selon le mode de propagation, on distingue deux types de fibres optiques : monomode et multimode.

Fibre Optique Multimode

C'est celle dans laquelle les faisceaux de lumière peuvent circuler selon plusieurs modes ou chemins. Cela signifie que tous n'arrivent pas au même moment, ce qui peut entraîner une dispersion modale.

Fibre Monomode

Une fibre monomode est une fibre optique dans laquelle un seul mode de propagation de la lumière est permis. Elle est obtenue en réduisant le diamètre du cœur de la fibre à une taille très petite (généralement 8,3 à 10 microns), ce qui ne permet qu'un seul mode de propagation.

Méthodes de Jonction des Fibres Optiques

Épissure par Fusion

Elle consiste en l'union permanente des fibres par fusion.

Épissure par Adhésion

Les fibres sont insérées dans un dispositif d'alignement, puis collées avec de la colle époxy.

Mécanismes d'Alignement

• Rainure en V

  Taillée dans un substrat métallique, en céramique ou en plastique.

• Basé sur trois cylindres

  La jonction est réalisée par l'introduction de la fibre dans l'alignement de trois tubes.

• Tube de base

  La fibre est insérée dans un tube de verre ou un manchon à trous parfaitement circulaires (généralement 3 mm plus large que le diamètre de la fibre).

• Base de type carré

  La fibre est insérée dans un tube de section carrée, à un angle de manière à l'orienter vers le coin.

La colle époxy sert également d'élément de liaison et son indice de réfraction est adapté.

Peut être optimisée par la rotation d'une fibre.

Des pertes d'insertion de 0,1 à 0,5 dB sont généralement atteintes.

Épissure Mécanique

Elle consiste en un tube divisé horizontalement, dont le fond est une base de type V et le haut un sommet plat.

L'espace est rempli d'un gel adaptateur d'indice. Les fibres sont insérées (longueur fixe) puis scellées avec une agrafe de pression pour les maintenir ensemble.

Il existe des versions pour les connexions de fibres multi-planaires.

Épissure par Fusion à l'Arc Électrique

Nettoyage

Il faut retirer toutes les protections de la fibre (mise à nu) au niveau de l'épissure. Des pinces coupantes sont utilisées. Après cela, un solvant (généralement de l'acétone) est utilisé pour nettoyer soigneusement la fibre.

Alignement

L'épissage est effectué sur les faces des deux fibres, en préparation de la fusion. Il peut être réalisé par plusieurs méthodes selon le type de jonction :

Épissure par Fusion à la Flamme

Elle suit le même processus que la méthode par fusion à l'arc, jusqu'à la pré-fusion.

Épissure par Adhésion (Préparation)

Elle nécessite les processus de nettoyage et de coupe.