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La fibre optique










La fibre optique, aussi mince qu’un cheveu et plus résistante que l’acier, demeure l’une des plus grandes avancées technologiques en matière de câblage puisqu’elle perd tous les désavantages des câbles électriques (la puissance, l’impédance, etc.….). Elle a pour but de transporter de la lumière dont la source pouvant être soit un laser, ou soit une diode électroluminescente (DEL). Elle offre donc une vitesse de transmission très élevé, un mode de transmission faiblement atténué ainsi qu’une très grande bande passante et un multiplexage de plusieurs signaux (Fibres multi modes); Tout en ayant un faible poids, une petite taille ainsi qu’une grande souplesse.
La fibre optique est un guide d'onde qui exploite les propriétés réfractrices de la lumière. Elle est habituellement constituée d'un cœur entouré d'une gaine optique (figure 1). Le cœur de la fibre a un indice de réfraction légèrement plus élevé (différence de quelques millièmes) que la gaine afin de guider la lumière. L’ensemble est généralement recouvert d’une gaine plastique de protection.









figure 1 :Structure d'une fibre optique



Les domaines scientifiques concernés par les fibres optiques sont nombreux : l'électromagnétisme et l'optique qui décrivent la propagation des ondes (guides d'onde), la physique de la matière condensée et des verres qui constituent le milieu de propagation de la lumière dans les fibres optiques, la physique quantique qui permet de comprendre le fonctionnement des atomes et de leurs niveaux énergétiques.
De nos jours, la fibre optique trouve de plus en plus de domaines d’application. Grâce à la qualité de sa transmission des signaux, la fibre optique est utilisée dans le domaine de la médecine, dans les appareils de détection, l’éclairage et en télécommunications. Ces applications sont développées plus bas.



Les types de fibres optiques



1) fibre multimode

Seuls certains angles conduisent à des modes. Il est évident que la vitesse d’un mode dépend de l’angle. Le terme « multimode » signifie que plusieurs modes peuvent être guidés. Un nombre typique pour une fibre à saut d’indice est de 1000 modes (un mode correspond à un faisceau).




a) A saut d’indice.








figure 4 : fibre à saut d'indice




C’est le type de fibre le plus simple, directement issue des applications optiques traditionnelles.La fibre à saut d’indice n’est presque plus utilisée de nos jours (son débit est limité à 50 Mb/s). En effet, elle disperse le signal. Dans cette fibre, le cœur est homogène et d’indice n1. Il est entouré d’une gaine optique d’indice n2 inférieur à n1. Ces indices sont peut différent et doivent être de l’ordre de 1,5. Quant à la gaine optique, elle joue un rôle actif dans la propagation, et ne doit pas être confondue avec le revêtement de protection déposés sur la fibre. Le rayon est guidé par la réflexion totale au niveau de l’interface cœur-gaine, sinon il est réfracté dans la gaine. Examinons comment est appliquée la loi de Descartes dans ce type de fibres.
Pour le cas du premier faisceau lumineux (le noir), son faisceau réfracté sera dans le prolongement de la gaine et de la fibre. Donc ce dernier ne sera pas perdu puisqu’il est dans le prolongement du cœur.
Le faisceau réfléchi, lui, se propagera dans le cœur.
Pour le second, le rouge, du fait que son angle de départ est différent de celui du premier, son faisceau réfracté ne sera plus dans le prolongement de la fibre, par conséquent il va entrer dans la gaine, c’est ici quelle intervient, elle va permettre pour certain faisceau de « récupérer » leurs faisceaux réfractés.
La capacité de transmission de ce type de fibre est d’environ 100 Mbits/s. Cette valeur correspond également à la bande passante. On peut également exprimer la bande passante en Mhz*km. Ici pour la fibre à saut d’indice elle est de 22 Mhz*km. Cette capacité est assez faible car chaque rayon doit parcourir une distance différente. Par conséquent il faut à l’extrémité « attendre » que tous les faisceaux soient arrivés.


b) A gradient d’indice

figure 5 :fibre à gradiant d'indice

Leur cœur, contrairement aux fibres à saut d’indice, n’est pas homogène. Leur cœur est en fait constituer de plusieurs couches de verres dont l’indice de réfraction est différent à chaque couche et l’indice de réfraction diminue de l’axe jusqu’à la gaine. Le guidage est cette fois dû à l’effet du gradient d’indice. Les rayons suivent une trajectoire d’allure sinusoïdale. La gaine n’intervient pas directement, mais élimine les rayons trop inclinés. L’avantage avec ce type de fibre est de minimiser la dispersion du temps de propagation entre les rayons.


La bande passante de ce mode de fonctionnement est de 500 Mbits/s ou de 1 Ghz*km. Cette capacité est plus élevée que celle du saut d’indice car la distance à parcourir des rayons est plus faible, donc il est possible d’augmenter en fréquence.






2)Fibre monomode.

figure 6 : fibre monomode




Le but recherché dans cette fibre est que le chemin que doit parcourir le faisceau soit le plus direct possible. Pour cela on réduit fortement le diamètre du cœur qui est dans la plupart des cas inférieur à 10μm. La dispersion modale est quasi nulle. Comme on ne casse pas le faisceau lumineux la bande passante est donc augmentée, environ 100 Ghz*km ou de 1000 Mbits/s. La fibre monomode classique est à saut d’indice. Son diamètre permet la propagation d’un seul mode, le fondamental ; comme un seul mode se propage il n’y a pas de différence de vitesse contrairement aux fibres multimodes. Du fait de ces précieux avantages, elle a pris une ampleur considérable dans les transmissions sur de grandes distances.





Guidage de la lumière


Principe physique :


Le principe physique majeur qui a inspiré la technologie des fibres optiques est ce que l’on appelle « la réflexion totale interne ». Ceci découle de la loi de la réfraction voulant qu’une onde traversant une frontière entre deux milieux de densité différente soir déviée. Pourtant, si jamais l’onde tente de passer d’un milieu de densité relativement haute à un milieu moins dense, il existe un angle minimum entre la direction de l’onde et la normale de la frontière pour lequel l’onde ne sera pas déviée, mais réfléchie. Il est donc possible pour une onde lumineuse de se propager indéfiniment dans un cylindre de verre.












Applications de la fibre optique



1) Les télécommunications

En télécommunications, la fibre optique est utilisée pour la transmission d'information, que ce soit des conversations téléphoniques, des images ou des données. C’est probablement l’un des domaines où l’utilisation de la fibre optique est le plus important et a le plus d’avenir. Un fil de cuivre ne peut supporter que quelques communications, contre 300000 pour la fibre optique. Les fibres sont alors utilisées en particulier pour les réseaux à haut débit. Leurs capacités de transmission atteignent des débits de l’ordre du gigabit par seconde (câbles transatlantiques) avec une atténuation très faible et grâce aux multiplexages, on atteint la centaine de Gbits/s









figure 8 : Une seule paire de fibre optiques transporte un débit



10 foix plus fort que 250 paires de fils de cuivre.




2) La médecine

La première utilisation d'envergure de la fibre optique fut en médecine, domaine où elle est toujours grandement utilisée aujourd'hui. La fibre optique est utilisée en médecine tant pour diagnostiquer des problèmes de santé que pour traiter certaines maladies.

Pour le diagnostic, un câble de fibres optiques transporte de la lumière à l'intérieur du corps. Cette lumière est réfléchie par les organes internes et est captée par un autre câble de fibres optiques qui achemine cette lumière vers un système d'imagerie vidéo. Il est donc possible d'avoir un aperçu de grande qualité de ce qui se passe dans le corps, et ce, en temps réel. Un exemple de cette utilisation est l'endoscope, particulièrement utilisé en gastro-entérologie.







figure 9 : Un endoscope.



Pour un traitement, la fibre optique sert à transporter la lumière intense d'un laser à l'intérieur du corps humain où elle interagira par effet thermique avec les tissus : en chirurgie associée à un faisceau laser qui permet de : pulvériser un calcul rénal, découper une tumeur, réparer une rétine...







figure 10 : Chirugie




La fibre optique facilite donc le travail des professionnels de la santé ainsi que la vie de leurs patients. Les interventions sont moins complexes, moins dangereuses et moins invasives que la chirurgie traditionnelle. De plus, puisqu'elles ne nécessitent le plus souvent qu'une anesthésie locale, le patient peut subir l'intervention et retourner chez lui la même journée. L'application de ces techniques de diagnostic et de traitement a donc eu une incidence importante sur le plan économique




3) les capteurs (température, pression, etc.

Un domaine où la fibre optique a trouvé une application plus récemment est celui de la mesure. La fibre optique, comme tout objet, subit les influences de différents paramètres. Elle sera, entre autres, légèrement déformée lorsqu'elle est soumise à une pression, une force, une contrainte ou une variation de température. La déformation subit par la fibre optique aura une influence sur la façon dont la lumière s'y propage. Il est possible de mesurer ces modifications et de convertir cette mesure en unités de pression, de température ou de force, selon ce qu'on désire mesurer. Ces capteurs ont l'avantage d'être très petits, très précis et insensibles aux perturbations électromagnétiques.








figure 11 : Capteur pour mesurer la pression dans les vaisseaux sanguins




4) l'éclairage

Dans le domaine de l’éclairage, les fibres optiques sont aussi très utilisées, en muséographie, architecture, et aménagement d’espaces d’agrément public et domestique.

Enfin, dans le balisage, la décoration, la signalétique d’orientation ou encore en signalisation routière, les fibres optiques sont des outils couramment utilisés.

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généralités sur la fibre optique