Fibre optique : comprendre les bases

Rien n’a autant changé le monde des communications que le développement et la mise en œuvre de la fibre optique. Cet article fournit les principes de base nécessaires pour travailler avec cette technologie.
 

Personnel d'ingénierie et de marketing

Les fibres optiques sont en verre ou en plastique. La plupart ont à peu près le diamètre d’un cheveu humain et peuvent mesurer plusieurs kilomètres de long. La lumière est transmise le long du centre de la fibre d'une extrémité à l'autre et un signal peut être imposé. Les systèmes à fibres optiques sont supérieurs aux conducteurs métalliques dans de nombreuses applications. Leur plus grand avantage est la bande passante. En raison de la longueur d'onde de la lumière, il est possible de transmettre un signal contenant beaucoup plus d'informations qu'avec un conducteur métallique, même un conducteur coaxial. D'autres avantages incluent :

• Isolation électrique – Les fibres optiques n'ont pas besoin d'une connexion à la terre. L'émetteur et le récepteur sont isolés l'un de l'autre et sont donc exempts de problèmes de boucle de masse. De plus, il n’y a aucun risque d’étincelles ou de choc électrique.

• Absence d'interférences EMI – Les fibres optiques sont insensibles aux interférences électromagnétiques (EMI) et n'émettent aucun rayonnement susceptible de provoquer d'autres interférences.

• Faible perte de puissance – Cela permet des câbles plus longs et moins d'amplificateurs répéteurs.

• Plus léger et plus petit – La fibre pèse moins et nécessite moins d'espace que les conducteurs métalliques avec une capacité de transport de signal équivalente.

Le fil de cuivre est environ 13 fois plus lourd. La fibre est également plus facile à installer et nécessite moins d’espace dans les conduits.

Applications

Certains des principaux domaines d'application des fibres optiques sont :

• Communications – La transmission de la voix, des données et de la vidéo sont les utilisations les plus courantes de la fibre optique, notamment :

– Télécommunications
– Réseaux locaux (LAN)
– Systèmes de contrôle industriels
– Systèmes avioniques
– Systèmes militaires de commandement, de contrôle et de communication

• Détection – La fibre optique peut être utilisée pour transmettre la lumière d'une source distante à un détecteur afin d'obtenir des informations sur la pression, la température ou le spectre. La fibre peut également être utilisée directement comme transducteur pour mesurer un certain nombre d’effets environnementaux, tels que la déformation, la pression, la résistance électrique et le pH. Les changements environnementaux affectent l'intensité lumineuse, la phase et/ou la polarisation d'une manière qui peut être détectée à l'autre extrémité de la fibre.

• Délivrance de puissance – Les fibres optiques peuvent fournir des niveaux de puissance remarquablement élevés pour des tâches telles que la découpe laser, le soudage, le marquage et le perçage.

• Éclairage - Un faisceau de fibres rassemblées avec une source de lumière à une extrémité peut éclairer des zones difficiles à atteindre - par exemple, à l'intérieur du corps humain, en conjonction avec un endoscope. En outre, ils peuvent être utilisés comme panneau d’affichage ou simplement comme éclairage décoratif.

 

Graphique 1. Une fibre optique se compose d'un noyau, d'une gaine et d'un revêtement.

 

Construction

Une fibre optique se compose de trois éléments concentriques de base : le cœur, la gaine et le revêtement externe (Figure 1).

Le noyau est généralement en verre ou en plastique, bien que d'autres matériaux soient parfois utilisés, en fonction du spectre de transmission souhaité.

Le cœur est la partie de la fibre qui transmet la lumière. La gaine est généralement constituée du même matériau que le noyau, mais avec un indice de réfraction légèrement inférieur (généralement environ 1 % inférieur). Cette différence d'indice provoque une réflexion interne totale à la limite d'indice sur toute la longueur de la fibre, de sorte que la lumière est transmise le long de la fibre et ne s'échappe pas à travers les parois latérales.

 

 

Graphique 2.Un faisceau de lumière passant d'un matériau à un autre d'indice de réfraction différent est courbé ou réfracté au niveau de l'interface.

Le revêtement comprend généralement une ou plusieurs couches d'un matériau plastique pour protéger la fibre de l'environnement physique. Parfois, des gaines métalliques sont ajoutées au revêtement pour une protection physique supplémentaire.

Les fibres optiques sont généralement spécifiées par leur taille, exprimée en diamètre extérieur du cœur, de la gaine et du revêtement. Par exemple, un 62,5/125/250 ferait référence à une fibre avec un cœur de 62,5-µm de diamètre, une gaine de 125-µm de diamètre et un 0,{{8} Revêtement extérieur de }mm de diamètre.

 

 

Il existe 81 fournisseurs de fibres à fibres optiques sur le marché de la photonique

 

Principes

Les matériaux optiques sont caractérisés par leur indice de réfraction, noté n. L'indice de réfraction d'un matériau est le rapport entre la vitesse de la lumière dans le vide et la vitesse de la lumière dans le matériau. Lorsqu'un faisceau de lumière passe d'un matériau à un autre avec un indice de réfraction différent, le faisceau est courbé (ou réfracté) au niveau de l'interface (Figure 2).

La réfraction est décrite par la loi de Snell :

oùn_Ietn_Rsont les indices de réfraction des matériaux à travers lesquels le faisceau est réfracté etIetRsont les angles d'incidence et de réfraction du faisceau. Si l'angle d'incidence est supérieur à l'angle critique de l'interface (généralement environ 82 degrés pour les fibres optiques), la lumière est réfléchie dans le milieu incident sans perte par un processus appelé réflexion interne totale (Figure 3).

Graphique 3.La réflexion interne totale permet à la lumière de rester à l'intérieur du cœur de la fibre.

 

Regardez une définition vidéo de la réflexion interne totale.

Modes

Lorsque la lumière est guidée vers une fibre (comme les micro-ondes sont guidées vers un guide d’ondes), des déphasages se produisent à chaque limite réfléchissante. Il existe un nombre fini et discret de chemins dans la fibre optique (appelés modes) qui produisent des déphasages constructifs (en phase et donc additifs) qui renforcent la transmission. Étant donné que chaque mode se produit sous un angle différent par rapport à l'axe de la fibre lorsque le faisceau se déplace sur la longueur, chacun parcourt une longueur différente à travers la fibre, de l'entrée à la sortie. Un seul mode, le mode d'ordre zéro, parcourt la longueur de la fibre sans réflexion sur les parois latérales. C'est ce qu'on appelle une fibre monomode. Le nombre réel de modes pouvant se propager dans une fibre optique donnée est déterminé par la longueur d’onde de la lumière ainsi que par le diamètre et l’indice de réfraction du cœur de la fibre.
 

Il existe plusieurs causes d’atténuation dans une fibre optique :

 

• Diffusion de Rayleigh – Des variations à l'échelle microscopique de l'indice de réfraction du matériau central peuvent provoquer une diffusion considérable dans le faisceau, entraînant des pertes substantielles de puissance optique. La diffusion Rayleigh dépend de la longueur d’onde et est moins significative aux longueurs d’onde plus longues. Il s’agit du mécanisme de perte le plus important dans les fibres optiques modernes, représentant généralement jusqu’à 90 % de toute perte subie.

 

• Absorption – Les méthodes de fabrication actuelles ont réduit l'absorption causée par les impuretés (notamment l'eau présente dans la fibre) à des niveaux très faibles. Dans la bande passante de transmission de la fibre, les pertes d’absorption sont insignifiantes.

• Cintrage – Les méthodes de fabrication peuvent produire des courbures infimes dans la géométrie de la fibre. Parfois, ces courbures seront suffisamment importantes pour que la lumière à l'intérieur du noyau frappe l'interface noyau/gaine à un angle inférieur à l'angle critique, de sorte que la lumière soit perdue dans le matériau de gaine. Cela peut également se produire lorsque la fibre est courbée dans un rayon serré (moins de quelques centimètres, par exemple). La sensibilité aux courbures est généralement exprimée en termes de perte dB/km pour un rayon de courbure et une longueur d'onde particuliers.

 

 

Graphique 4.L'ouverture numérique dépend de l'angle sous lequel les rayons pénètrent dans la fibre et du diamètre du cœur de la fibre.

 

Types de fibres

Il existe essentiellement trois types de fibres optiques : monomode, multimode à indice gradué et multimode à indice échelonné. Ils sont caractérisés par la manière dont la lumière traverse la fibre et dépendent à la fois de la longueur d'onde de la lumière et de la géométrie mécanique de la fibre. Des exemples de la façon dont ils propagent la lumière sont présentés à la figure 5.

 

 

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