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Hit-Parade version initiale 2000
AVERTISSEMENT dernière mise à jour
18 mars 2013

Quelques notions sur les propriétés
générales des fibres optiques

généralités principe, fabrication et propriétés élémentaires
atténuation/connectique les causes d'atténuation et problèmes de connectique
couplage l'exploitation du couplage en optronique
vers applications ...  

généralités

ce chapitre n'est pas un cours sur les fibres optiques mais simplement une introduction destinée à familiariser le lecteur avec les principales propriétés des fibres optiques en vue de comprendre comment on peut les employer dans des capteurs. Pour une approche plus spécifiquement télécoms nous renvoyons le lecteur vers des cours beaucoup plus adaptés cités en bibliographie.

Une fibre optique est un guide d'onde optique constitué de deux ou plusieurs couches de matériaux diélectriques transparents (verre ou plastique) d'indices de réfraction différents assurant le confinement de la lumière au voisinage du centre.


Du fait de la symétrie circulaire de la fibre optique, on utilise un système de coordonnées cylindriques où z est l'axe de la fibre et les coordonnées r et sont dans le plan de section droite de la fibre.


fabrication

En pratique divers profils d'indice sont utilisés selon le type d'application. La figure ci-dessous donne quelques exemples. Le plus employé est le profil à saut d'indice dans lequel la fibre est constituée de deux zones concentriques homogènes avec un saut brutal d'indice à l'interface, la zone centrale est le coeur et la couche périphérique est appelée gaine optique. Le plus souvent une enveloppe protectrice assure une protection à la fois mécanique et surtout optique vis à vis de la lumière extérieure.


Dans une fibre optique la lumière est confinée dans la zone centrale et guidée grâce à la gaine optique. Le plus souvent le coeur est en silice ou en verre spécial tandis que la gaine de protection est plus généralement en plastique. Pour obtenir des indices de réfraction différents entre les deux couches on procédera le plus souvent à un dopage. Notons que ces indices diffèrent seulement de quelques millièmes.

Nous présentons ci-dessous quelques procédés classiques de fabrication:

On peut les classer en deux groupes

Ensuite la préforme est étirée par gravité, sous température et en atmosphère contrôlée (afin d'obtenir une viscosité précise du matériau qui coule). L'étirage est alors complété par une action mécanique. La fibre est ensuite entourée d'un revêtement plastique constitué d'une résine polymérisable dont on contrôle aussi la qualité car elle doit être imperméable, stable dans le temps, ne pas provoquer de microcourbures, adhérer à la fibre et être cependant facile à enlever pour les opérations de connexion.

Les fibres plastiques qui sont des polymères styréniques ou méthylméthacryliques (PMMA) sont obtenues par des procédés classiques en chimie organique puis extrudée ou étirées à partir d'une préforme


transmission

La dimension du coeur joue un rôle très important : en effet s'il est de quelque microns la lumière va s'y propager selon un seul mode, on parle alors de fibre unimodale; si par contre il est de l'ordre de plusieurs dizaines de microns on parlera de fibre multimodale dans laquelle la propagation de la lumière sera plus complexe avec des phénomènes de dispersion plus importants. C'est pourquoi la fibre unimodale est préférée en télécommunications à longue distance.

Pour mettre en équation le processus de guidage on utilisera la théorie de la propagation géométrique valable pour des coeurs de grande dimension (vis à vis de la longueur d'onde de la lumière considérée), mais aussi la théorie ondulatoire et les équations de Maxwell plus appropriées pour les faibles diamètres de coeur.

Considérons dans un premier temps une approche géométrique


Le choix d'un profil à saut d'indice, tel celui figuré ci-dessus, entraine les conséquences suivantes:
  • pour qu'un rayon soit effectivement guidé dans la fibre il faut que sa direction à l'entrée se situe dans un cône dit d'acceptance
  • un rayon guidé va subir une réflexion totale à l'interface des deux couches optiques.
  • un rayon hors du cône d'acceptance sera simplement réfracté à l'entrée dans la fibre puis à l'interface des deux couches, il passera alors dans la gaine et sera perdu.
  • l'angle d'acceptance permet de définir ce qu'on appelle l'ouverture numérique de la fibre, ouverture qui dépend bien évidemment des indices respectifs des deux couches optiques.
  • pour exploiter une fibre optique il faut donc faire converger la lumière à l'entrée à l'intérieur du cône avec une image qui soit inférieure au diamètre du coeur ce qui est relativement aisé à obtenir avec une source laser mais bien plus difficile avec une source classique.
  • Si l'on examine les rayons lumineux en fonction de leur direction d'entrée dans la fibre on va constater que certains vont avoir une trajectoire "hélicoïdale" c'est à dire ne coupant jamais l'axe de la fibre, tandis que d'autres au contraire seront de type "méridionaux" ce qu'illustre la figure ci-dessous représentant une projection en coupe des trajectoires dans le coeur de la fibre.


    Les fibres sont des guides d'ondes lumineuses qui, confinant celles-ci dans une cavité résonante, voient apparaitre des modes résonants stationnaires. La propagation est ainsi monomode ou multimode selon les caractéristiques de la fibre.

    Comme nous considérons le cas le plus courant d'une fibre à saut d'indice, l'approche ondulatoire destinée à expliciter les modes sera relativement simplifiée. La fibre est un guide d'onde caractérisé par son profil d'indice n(r) invariant le long de l'axe de propagation z. L'expression du champ électromagnétique obéit aux équations de Maxwell

    est la fréquence et la constante de propagation du mode considéré

    mais dans ce cas on peut négliger les composantes longitudinales du champ électromagnétique et le système devient scalaire.

    La constante de propagation est liée à la vitesse de phase Vp par et l'on peut définir un indice effectif du mode neff= /k qui dans une fibre à saut d'indice va avoir une valeur intermédiaire entre les deux indices des deux couches, mais évidemment spécifique du mode. Notons que l'énergie lumineuse transportée est la somme de celle transportée par chaque mode dans le cas d'une fibre multimodale. Mais en pratique il faut prendre en compte la réalité de l'atténuation.

    fibres multimodes à gradient d'indice

    Les fibres à gradient d'indice ont été spécialement conçues pour les télécommunications. Leur coeur n'est plus homogène, l'indice de réfraction décroit depuis l'axe jusqu'à l'interface suivant la loi :

    avec r distance à l'axe, = n1-n2<<n1, exposant de profil d'indice voisin de 2


    L'atténuation

    Dans une fibre optique réelle on constate que toute l'énergie lumineuse entrante n'est pas récupérée en sortie. Il y a des phénomènes de dispersion, causes de cette perte (ou atténuation) qui, dans une fibre de télécommunication, pour une longueur d'onde optimale de 1550nm, atteint environ 0.17dB/km contre 2.5dB/km à 850nm et 0.3dB/km pour 1300nm.


    fig. courbe d'atténuation d'une fibre QSF A 200 (doc. Quartz et Silice)

    Les causes des pertes dans les fibres sont multiples. On distingue généralement :
  • l'absorption par les impuretés: En effet une fibre de silice, quoique très purifiée, n'est pas parfaite et les atomes d'impuretés vont avoir plusieurs effets perturbateurs dont l'absorption purement et simplement du photon par un électron de l'atome, avec transformation finale de l'énergie lumineuse du photon en chaleur
  • la diffusion par les impuretés ou par les défauts d'interface coeur-gaine et la diffusion Rayleigh qui est la diffusion de la lumière sur les molécules du matériau (la silice), due à des variations locales de l'indice de réfraction créées par des changements de densité ou de composition apparus au moment de la solidification du matériau
  • la dispersion chromatique due aux vitesses différentes de signaux lumineux de longueurs d'onde différentes
  • la dispersion intermodale résultant des temps de propagation différents selon les modes
  • les courbures et les micro-courbures de la fibre, la fibre ne peut pas dans une application réelle être, sauf exeption, exempte de courbures et dans ces zones le risque pour un rayon lumineux de ne plus satisfaire la condition de réflexion totale est inévitable ce qui se traduit par une perte dans la gaine par simple réfraction.
  • la diffusion et la réflexion aux épissures,

  • Nous nous intéresserons plus particulièrement à ce problème de connectique. C'est actuellement l'une des sources les plus importantes des pertes d'une ligne de fibre optique unimodale. En effet lors d'une connexion bout à bout on peut avoir :

    La connexion entre deux fibres semblables s'effectue de deux manières : Dans une première technique on réalise une épissure à l'aide d'une machine spécialisée (une épisseuse) réalisant une véritable soudure entre les deux fibres mises bout à bout par fusion au microchalumeau ou plus fréquemment à l'aide d'un arc électrique. Le positionnement relatif des deux fibres est réalisé grâce à des micromanipulateurs et contrôlé optiquement. Typiquement en envoyant un faisceau intense dans l'une des fibres et en mesurant la quantité de lumière transmise dans l'autre. Le positionnement idéal coincide évidemment avec une maximum de lumière transmise. Notons que réaliser une épissure en laboratoire est relativement aisé, mais le gros problème est de réaliser une épissure sur site. Pour résoudre ce problème de nombreux constructeurs ont réalisé de véritables connecteurs tels ceux figurés ci-dessous.


    couplage

    L'un des dispositifs clés en télécommunication optique est le coupleur, c'est à dire le dispositif qui va permettre la transmission d'un signal d'une fibre à une autre.

    Il est réalisé le plus souvent par mise en parallèle de deux fibres identiques puis fusion tangentielle et étirage à chaud. On obtient alors dans chaque fibre une structure conique telle celle figurée ci dessous


    Le comportement du coupleur va dépendre essentiellement de la conicité de la zone étirée. On imagine aisément que la condition de réflexion totale va être singulièrement modifiée dans cette zone et donc que des rayons lumineux vont pouvoir passer dans la gaine optique commune aux deux fibres accolées par fusion et de cette gaine optique dans la seconde fibre. Le processus est complexe car la fibre unimodale à saut d'indice se transforme dans cette zone conique en une fibre multimodale. En pratique le process de fabrication d'un coupleur va être lui aussi supervisé en contrôlant la puissance transmise d'une fibre à l'autre et l'allongement sera interrompu dès qu'on aura obtenu le résultat escompté lequel dépend de l'application envisagée (100%, 50/50 voire parfois 90/10). Le type de verre de silice (différemment dopé) joue évidemment aussi un rôle important dans le résultat.

    La figure ci-dessous donne un exemple de réalisation industrielle de commutateur optique.


    L'une des applications de l'étirement d'une fibre est le problème de la connexion entre l'extrémité d'une fibre et la source laser. Typiquement les composants optroniques (diodes laser) ont effectivement des dimensions de l'ordre du micron tandis que la fibre optique est beaucoup plus grande en diamètre, aussi étirer l'extrémité d'une fibre afin d'optimiser le fonctionnement de la liaison diode laser-fibre optique est un des moyens envisagés pour obtenir des possibilités d'emploi des fibres optiques dans le domaine des très hautes vitesses de transmission (en dizaines de gigabits/s/km) car il est alors possible d'exploiter pleinement l'émission laser sur la tranche de la diode.


    fibres optiques pour capteurs

    Les fibres pour télécommunications sont parfois utilisées pour des réalisations de capteurs à fibres optiques en raison de leur disponibililté et de leur faible coût. En revanche elles sont souvent mal adaptées à ce domaine qui demande des caractéristiques spécifiques et dans ce cas on adopte parfois des compromis conduisant à une efficacité réduite. C'est pourquoi on a développé des technologies afin d'obtenir des fibres conservant leurs propriétés de polarisation circulaire de la lumière sur toute leur longueur.

    Ces fibres sont de trois types:

    P. Nicole, interconnexions électriques et optiques pour matériels aéronautiques, L'onde Electrique, (1990), Vol 70, (6) p32.

    Y Suematsu, K-I Iga, Transmission sur fibres optiques, Masson ed, (Paris),

    S. Ungar, fibres optiques: théorie et applications, Dunod (Paris)

    A. Cozannet & al., Optique et télécommunications, Eyrolles (Paris),

    S. Lacroix, cours sur les fibres optiques, Polytechnique (Montréal). le cours le plus complet sur le web.

    consultez aussi notre rubrique de liens tous sans exception vous apporteront bien plus que vous ne l'imaginez



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