Ludovic Grossard. Chapitre V Les bres optiques. Chapitre V. Département Mesures Physiques, IUT du Limousin Université de Limoges

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1 Chapitre V Les bres optiques Ludovic Grossard Département Mesures Physiques, IUT du Limousin Université de Limoges

2 1 Structure d'une bre 2 Prol d'indice 3 Principe de guidage 4 Caractéristiques d'une bre optique 5 Les raccordements 6 Bibliographie

3 1 Structure d'une bre 2 Prol d'indice 3 Principe de guidage 4 Caractéristiques d'une bre optique 5 Les raccordements 6 Bibliographie

4 I.Structure d'une bre Structure d'une bre Une bre optique est constituée de deux cylindres concentriques de matériaux diélectriques (silice, plastique) d'indices de réfraction diérents. protection mécanique gaine c ur Le c ur d'indice n 1 est placé au centre d'une gaine optique d'indice n 2 (n 2 < n 1 ).

5 1 Structure d'une bre 2 Prol d'indice 3 Principe de guidage 4 Caractéristiques d'une bre optique 5 Les raccordements 6 Bibliographie

6 II. Prol d'indice Prol d'indice Variation de l'indice de réfraction suivant une coupe transversale de la partie optique de la bre prols couramment utilisés : saut d'indice et gradient d'indice (loi parabolique). n n x x saut d'indice gradient d'indice

7 II. Prol d'indice Quelques grandeurs bre silice : n 1, 45 Écart entre les indices : n = n c ur max n gaine n gaine 1% Dimension du c ur : 5 à 50 µm Dimension de la gaine : 125 à 500 µm

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9 III. Principe de guidage 1) Approche géométrique Guidage expliqué simplement avec les lois de la réfraction et de la réexion de Descartes : n 1. sin i 1 = n 2. sin i 2 n n i2 n2 n2 n1 n1 i1 i1 i1 réfraction réexion totale

10 III. Principe de guidage 1) Approche géométrique Si n 1 > n 2, guidage de la lumière par réexion totale. angle de réexion i 1 (par rapport à la normale au dioptre) toujours supérieur à l'angle limite i lim : n 1 n 2 sin i lim = 1

11 III. Principe de guidage 1) Approche géométrique pour une valeur inférieure : réfraction. a priori, une innité de rayons lumineux peut se propager dans le c ur de la bre en respectant cette condition les trajets peuvent alors être complexes. gaine c ur n2 n1 θ max gaine

12 III. Principe de guidage 2) Modes de propagation La lumière est une onde électromagnétique. Mode de propagation Prol d'éclairement stable qui se propage dans un guide sans déformation

13 III. Principe de guidage 2) Modes de propagation Modes appelés LP ij (Linear Polarization) ordre i (azimutal) : moitié du nombre de période suivant une circonférence (2i maxima) ordre j (ordre radial) : nombre de maxima sur un rayon LP01 LP11 LP21 LP02 À un prol d'indice donné correspond une famille de modes.

14 III. Principe de guidage 2) Approche d'optique cohérent LP LP 28 5

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16 IV. Caractéristiques d'une bre optique 1) Calcul de l'ouverture numérique Ouverture numérique Sinus de l'angle limite β avec lequel la lumière est encore guidée dans la bre : ON = sin β n B i2 n2 A θ i1 n1 β n2

17 IV. Caractéristiques d'une bre optique 1) Calcul de l'ouverture numérique β n A θ B i1 i2 n2 n1 On applique la loi de Snell-Descartes aux points A et B : sin β = n 1 sin θ n2 n 1 sin i 1 = n 2 or cos θ = sin i 1 et sin θ = 1 cos 2 θ. On a donc : ( ON = sin β = n 1 1 sin 2 i 1 = n n n 1 ) 2 soit nalement : ON = n 2 1 n2 2 (5.1)

18 IV. Caractéristiques d'une bre optique 1) Calcul de l'ouverture numérique L'ouverture numérique ne dépend que des indices de réfraction du c ur et de la gaine, elle ne dépend ni du diamètre du c ur, ni de la courbure de la bre.

19 IV. Caractéristiques d'une bre optique 2) Atténuation lors de la propagation On considère une tranche de bre optique d'épaisseur dz à la position z. φ(0) dz Φ(L) 0 z L Puissance lumineuse élémentaire d φ perdue dans cette tranche : k est le coecient d'absorption. dφ = kφdz

20 IV. Caractéristiques d'une bre optique 2) Atténuation lors de la propagation On a alors : dφ φ = kdz soit dφ φ = k Or φ(z = 0) = φ 0 soit K = ln φ 0. dz ln φ = kz + K On a nalement : φ = φ 0 exp ( kz) (5.2) Coecient de transmission d'un tronçon de bre de longueur L : T = φ φ 0 = exp ( kl)

21 IV. Caractéristiques d'une bre optique 2) Atténuation lors de la propagation Les pertes correspondantes s'expriment sous la forme : P = 10 log ( ) 1 T (5.3) donc soit P = 10 log [exp (kl)] or log (exp x) = x ln 10 P = 10k ln 10 L

22 IV. Caractéristiques d'une bre optique 2) Atténuation lors de la propagation Les pertes s'écrivent donc nalement : P = k L (5.4) Les pertes sont proportionnelles à la longueur de bre k est le coecient d'atténuation linéique (db/km). On a également : φ = φ 0 10 k L/10 (5.5)

23 IV. Caractéristiques d'une bre optique 2) Atténuation lors de la propagation origine des pertes absorption des IR attnuation (db/km) absorption des ions OH - diusion Rayleigh (λ 4 ) Pertes minimales pour : λ 1 = 1, 30 µm λ 2 = 1, 55 µm absorption des UV λ (µm)

24 IV. Caractéristiques d'une bre optique 3) Bande passante et dispersion chromatique a) Dans une bre multimode plusieurs trajets possibles lors de la propagation de la lumière dans la bre. À chaque trajet correspond un temps de propagation donné plus ou moins important. Φ bre optique multimode n2 Φ τ 2 τ 1 τ 1 n1 t t

25 IV. Caractéristiques d'une bre optique 3) Bande passante et dispersion chromatique si on injecte une série d'impulsions brèves, on a un étalement temporel de chaque impulsion. risque de recouvrement des impulsions à la sortie de la bre. Le débit de la transmission doit être limité pour éviter ce phénomène de recouvrement.

26 IV. Caractéristiques d'une bre optique 3) Bande passante et dispersion chromatique b) Dans une bre monomode Étalement de l'impulsion dans une bre monomode dû à la dispersion chromatique les vitesses de propagation dans la bre sont fonction de la longueur d'onde. pour les bres silices, cette dispersion est minimale à 1, 3 µm, l'eet peut être limité en utilisant une source à spectre étroit.

27 1 Structure d'une bre 2 Prol d'indice 3 Principe de guidage 4 Caractéristiques d'une bre optique 5 Les raccordements 6 Bibliographie

28 V. Les raccordements 1) Les connecteurs Objectif : 1 constituer des lignes de très grandes longueurs 2 connecter les bres aux émetteurs et récepteurs 3 ou d'autres composants d'un réseau bré (coupleurs, multiplexeurs...). Il existe deux types de raccordements : 1 les raccordements dénitifs (soudures) délicats à réaliser mais orant de faibles pertes, 2 les connecteurs (assemblages et des démontages successifs)

29 V. Les raccordements 1) Les connecteurs Soudure Connecteurs ST

30 V. Les raccordements 1) Les connecteurs principal défaut des connecteurs : les pertes introduites. 1 défauts d'excentrement transversaux 2 d'alignement 3 d'écartement des deux extrémités de bre 4 réexions sur les extrémités des bres pouvant être fortement perturbatrices (sources, montages interférométriques...). x ϕ 0 Pertes en db défaut d'excentrement x/ϕ 0

31 V. Les raccordements 2) Les coupleurs Objectif : 1 réaliser des bifurcations d'un faisceau se propageant dans une bre, 2 mélanger des faisceaux lumineux provenant de plusieurs bres. Pertes : pertes intrinsèques : dues au fonctionnement même du coupleur, Un coupleur 50/50 a un coecient de transmission de 1/2, soit des pertes intrinsèques P i = 10 log(1/(1/2)) = 3 db pertes en excès : provenant d'un mauvais couplage entre les bres, pertes par réexion : pouvant également perturber la source lumineuse.

32 V. Les raccordements 2) Les coupleurs Coupleur parfait φ 0 c1 φ 0 c2 φ 0 c1 + c2 = 1 Coupleur réel φ 0 c1 α 1 φ 0 c2 α 2 φ 0 c1 + c2 = 1, α 1 < 1 et α 2 < 1 c 1 et c 2 sont les coecients de partage du coupleur.

33 1 Structure d'une bre 2 Prol d'indice 3 Principe de guidage 4 Caractéristiques d'une bre optique 5 Les raccordements 6 Bibliographie

34 Bibliographie Optique moderne, Florence Weil, Technosup, ISBN (BU IUT) chapitre 9 : Propagation de la lumière dans les bres chapitre 10 : L'atténuation et sa mesure dans une bre optique