La fibre optique
Une fibre optique, qu’est ce que c’est ? C’est un fil de verre très fin qui a la propriété de conduire la lumière. Le signal lumineux qu’elle transporte est capable de transmettre une grande quantité d’informations, à très haut débit.
La fibre optique est composée de trois éléments : le cœur dans lequel se propage le signal lumineux, la gaine protectrice réfléchissante qui enferme le signal dans le cœur et lui permet de se propager et un revêtement de protection mécanique de la fibre. La fibre, ou brin, sera ensuite regroupée avec d’autres au sein d’un câble.
Explication de la technologie.
Un peu d’histoire
Dès l’époque de la Grêce antique, le phénomène du transport de la lumière dans des tubes de verre est connu, bien qu’il ne soit utilisé que pour des effets décoratifs. C’est en 1854 que le physicien irlandais JohnTyndall démontre le principe de la réflexion totale interne. A l’époque, il est établi que la lumière voyage en ligne. Or John Tyndall, en injectant la lumière dans un jet d’eau courbe, prouve qu’elle peut être déviée de sa trajectoire rectiligne.
La première expérience de transmission de donnée par la lumière est tentée par Alexander Graham Bell, l’inventeur du téléphone. Dans les années 1880, il met au point le photophone. Cet appareil permet de transmettre la lumière sur une distance de 200m. La voix, amplifiée par un micro, fait vibrer un miroir qui réfléchit la lumière du soleil. Quelques mètres plus loin, un second miroir capte la lumière et active un cristal de sélénium pour reproduire le son voulu. Cette invention sera très peu utilisée, les conditions climatiques étant de puissants obstacles à la transmission de la lumière entre les deux miroirs.
Dans la première moitié du XXeme siecle, de nombreux scientifiques essaient d’exploiter la possibilité de transporter la lumière. Dans les années 50, Van Heel et Hopkins inventent le fibroscope qui permet de transmettre une image le long de fibres en verre. Mais la mauvaise qualité des fibres ne permet pas de transmission sur de longues distances.
Il faut attendre l’invention du laser pour gagner en puissance et donc en distance de transmission. En 1966, Charles Kao et Georges Hockman parviennent à transporter l’information sur une longue distance en associant laser et fibre optique, bien que les pertes soient trop importantes pour que la fibre optique fasse concurrence au fil de cuivre.
C’est en 1970 que Robert Mauer, Peter Schultz et Donald Keck produisent une fibre optique avec des pertes suffisamment faibles pour être utilisée dans les réseaux de télécommunications. 7 ans plus tard, le premier système de communication téléphonique est installé à Chicago.
Aujourd’hui, après s’est limitée à l’interconnexion de centraux téléphoniques, la baisse de son coût de production permet à la fibre optique de se lancer à la conquête d’un marché plus large qui mène aux portes du particulier.
Fabrication de la fibre optique
3 étapes sont nécessaires pour fabriquer une fibre optique: la réalisation de la préforme, le rétreint et le tirage.
La préforme est un cylindre court et large constitué par un substrat (aussi appelé tube ébauche) de silice pure. Monté horizontalement sur un tour à verre, ce tube subit un dépôt chimique en phase vapeur, pendant sa rotation autour de son axe de symétrie, qui assure son uniformité. Une deuxième couche de silice est ensuite déposée pour former la gaine. Une torche se déplaçant le long du substrat provoque alors une réaction chimique qui vitrifie le tube et produit ainsi une couche de silice pure qui a un fort indice de réfraction. Le coeur quant à lui doit avoir un indice de réfraction plus élevé que la gaine, on ajoute donc au silice injecté dans l’espace restant, une substance, le dopant.
L’étape suivante est le rétreint: la préforme est chauffée pour amollir la silice et refermer le tube.
La dernière étape est le tirage, également appelé fibrage. La préforme terminée, elle est placée verticalement dans la tour de fibrage. La haute température (environ 2000°) appliquée sur la préforme fait fondre la silice. Un brin de fibre est alors tiré du bout de la préforme à une vitesse de l’ordre du kilomètre par minute. Cette fibre est ensuite enduite d’un polymère sous forme liquide (couche protectrice). Quand elle est finalement enroulée sur un tambour, elle mesure plusieurs centaines de kilomètres. (une préforme de 10cm de diamètre et d’un mètre de long donnera une fibre optique de 150kilomètres de long et quelques micromètres d’épaisseur).
Principe
Le principe de la réflexion totale interne est à la base de la propagation d’un rayon lumineux. Qu’est ce que la réflexion totale interne? D’après ce principe, quand un rayon lumineux passe d’un milieu à un autre, il peut subir une réflexion et une réfraction. Lorsqu’il n’y a pas de rayon réfracté, on dit qu’il subit une réflexion totale.
La réflexion totale dépend de deux facteurs:
- les indices de réfraction des deux milieux (l’indice de réfraction étant le rapport entre la vitesse de la lumière dans le vide et sa vitesse dans le matériau)
- l’angle critique démontré par la loi de Snell-Descartes (il existe un angle limite à partir duquel la réfraction est impossible).
La lumière voyage donc plus rapidement dans un matériau qui a un indice de réfraction plus petit (le minimum étant l’indice de réfraction du vide et de l’air qui sont à 1).
Le coeur de la fibre a ainsi un indice de réfraction plus élevé que celui de la gaine, afin de confiner la lumière qui est alors réfléchie de multiples fois entre les deux matériaux.
Le signal optique
La lumière est constituée d’ondes électromagnétiques, caractérisées en général par une longueur d’onde et une phase, où la longueur d’onde correspond à la couleur de la lumière. Un signal lumineux constitué d’ondes de la même longueur d’onde est dit monochromatique. Quand le signal est composé simultanément d’ondes de même longueur d’onde et de même phase, on obtient un rayon laser.
Plusieurs paramètres influent sur la qualité du signal lumineux:
> Dispersion chromatique: L’indice de réfraction du verre n’est pas le même pour les différentes couleurs qui constituent le rayon lumineux: c’est le phénomène de dispersion. Si l’on introduit une lumière qui n’est pas monochromatique, les longueurs d’onde différentes des couleurs constituant le signal lumineux rendront difficile la reconstitution du signal.
> Atténuation: C’est le phénomène d’affaiblissement du signal au cours de sa propagation. Cette perte de puissance est due :
- à la diffusion Rayleigh: mode de diffusion élastique par les molécules qui se fait sans variation de la longueur d’onde
- aux effets de la liaison OH oxygène hydrogène, qui présentent un pic de forte atténuation
Bien que les nouvelles technologies permettent limiter la perte de puissance, il est impossible de supprimer totalement les paramètres créant l’atténuation. Ainsi, le signal doit être ré-amplifié régulièrement en utilisant des dopants.
> Dispersion modale: Selon l’angle d’émission du signal lumineux, le chemin ne parcoure pas la même distance pour tous les rayons, en fonction du nombre de réfractions subies. Une impulsion brève sera alors reçue sur un temps plus long: c’est l’étalement temporel du signal lumineux.
> Non linéarité: Lorsque que la relation entre l’entrée et la sortie d’un signal lumineux dépend du signal d’entrée, la fibre est dite non linéaire.
Les principales sources de non linéarité sont les effets Kerr (la lumière interagit avec le champ électrique du milieu dans lequel elle se propage, le rayon lumineux est alors séparé en deux), Raman (la lumière interagit avec le milieu dans lequel elle se propage avec pour conséquence une modification de sa longueur d’onde), et Brillouin (la lumière interagit avec le milieu dans lequel elle se propage ce qui dévie son trajet)
> Longueur d’onde de coupure: C’est la longueur d’onde en dessous de laquelle la fibre ne sera plus monomode.
> Dispersion de polarisation: La polarisation est une propriété de l’onde lumineuse, elle même définie par un champ électrique et un champ magnétique. Aucune fibre n’étant parfaite, les courbures et autres défauts peuvent provoquer des indices différents selon la direction ou encore une biréfringence (le rayon est séparé en deux rayons polarisés).
Afin de corriger ces défauts, des fibres à maintien de polarisation ont été crées: fibres à coeur elliptique ou fibres Panda ou Tiger.
Les différents types de fibre optique
> les fibres multimodes
Les modes sont les différents chemins optiques que peut suivre le signal lumineux dans la fibre.
- la fibre à saut d’indice: l’indice de réfraction change brutalement entre le coeur et la gaine. C’est la fibre la plus ordinaire. L’importante section du coeur provoque une dispersion importante du signal lumineux, à la sortie de la fibre celui ci est donc déformé.
- la fibre à gradient d’indice: l’indice de réfraction change progressivement grâce aux couches de verre successives qui ont des indices de réfraction différents. Le signal lumineux se propage de façon plus égale (telle une onde sinusoïdale) et l’on réduit ainsi la dispersion modale. La section du coeur étant moins importante, le signal lumineux se disperse moins et est donc moins déformé à la sortie.
>la fibre monomode
Grâce au diamètre très réduit de cette fibre, le transport du signal lumineux est imposé. La dispersion modale est donc quasi nulle et le signal n’est pas déformé. Il existe expérimentalement des fibres optiques monomodes à cristal photonique. (le cristal photonique possède des propriétés optiques étonnantes permettant de transmettre un signal sans perte)
> La fibre active:
La fibre active participe activement à la propagation du signal dans son coeur. Il y a interaction entre la lumière et le matériau constituant la fibre.
Un exemple de fibre active est la fibre amplificatrice. Lorsque le signal passe dans ce type de fibre, la lumière est amplifiée grâce à l’introduction de dopants dans la silice.
