1. Le matériau de base : la silice
Le verre est utilisé par l'homme depuis plusieurs millénaires. C'est un matériau dont les propriétés ont pu être considérablement améliorées au cours du temps en jouant d'abord sur la composition, la microstructure et la maîtrise de la surface, puis, plus récemment.
Un des paramètres importants qu'il faut considérer dans le choix d'un matériau pour réaliser une fibre optique, c'est son niveau de pertes en transmission à la longueur d'onde de travail. Ces pertes doivent être les plus faibles possibles. Ce matériau doit résister à de nombreuses contraintes : il doit notamment avoir une bonne résistance chimique, thermique et conserver ses propriétés au fil du temps, c'est-à-dire résister au vieillissement.
Quelques exemples de matériaux candidats à la «transparence» :
La silice dopée avec divers ions métalliques alcalins et simultanément du fluor
Germanates, verre d'oxydes de germanium
Jusqu'à aujourd'hui, pour les transmissions à longue distance, seule la silice vitreuse est utilisée.
Le verre de silice a été le premier matériau à permettre la fabrication de fibres présentant de faibles pertes. Le problème qui apparaît est qu'il est très peu compatible avec les terres-rares, c'est à dire les produits dopants.
Il existe plusieurs méthodes de fabrication des fibres en verre de silice: les méthodes en phase vapeur (PCVD, VAD, MCVD). Toutes ces techniques permettent de synthétiser un verre de silice très pur.
Au LPMC, nous avons utilisé le procédé MCVD.
2. Caractéristiques de la fibre optique
a)Structure
La partie optique de la fibre est constituée d'un coeur, d'indice de réfraction nc(r), centré sur l'axe de la fibre et entourée d'une gaine annulaire, d'indice de réfraction ng(r) inférieur à nc (r).
Schématiquement, en partant de l'extérieur on rencontre successivement (figure 1) :
-une couche de protection mécanique en matière plastique. En effet, la fibre de silice est protégée par un revêtement de quelques dizaines de micrometres, qui l'isole des agents corrosifs du milieu extérieur et lui confère sa trés grande flexibilité. Les matériaux le plus souvent utilisés pour ce revêtement protecteur sont des polyméres (polyuréthane...)
-une gaine optique, zone où ng(r) reste constant.
-un coeur au voisinage de l'axe où nc(r) présente un maximum (le signal lumineux est propagé dans et à proximité du coeur)
figure 1: schéma d'une fibre optique
Le diamètre externe d'une fibre de silice peut varier entre quelques dizaines et plusieurs centaines de micromètres (typiquement de 125 µm). Le diamètre du coeur, constant sur la longueur de la fibre, varie de quelques micromètres pour les fibres unimodales jusqu'à plusieurs centaines de micromètres pour les fibres multimodales.
b) Profil d'indice et paramètres optogéométriques
Le graphe n(r) s'appelle le profil d'indice de la fibre (figure 2) :
Il est généralement de symétrie circulaire et n'est donc fonction que de la distance radiale r à l'axe de la fibre.
Remarque : Dans un matériau transparent, l'indice de réfraction mesure la vitesse de la lumière par rapport à sa vitesse dans le vide:
v=c/n
figure 2 : profil d'indice
Lorsque n(r) est constant dans le coeur, on parle de fibre à saut d'indice.
L'expression générale de l'indice en fonction du rayon est donnée par la relation suivante :
-Cas où la variation d'indice entre les régions de coeur et de gaine est progressive (fibre multimode à gradient d'indice) :
-Cas où la variation d'indice entre les régions de coeur et de gaine est abrupte (fibre multimode à saut d'indice):
n(r)=nc pour 0 < r < a
n(r)=ng pour r > a
avec :
a = rayon de coeur
∆ = diminution relative de l'indice entre l'axe et la gaine
∆ = (nc-ng)/2
g = paramètre arbitraire positif caractéristique du profil
nc=indice de réfraction(maximal) du coeur
ng=indice de réfraction de la gaine
En pratique, les variations d'indice entre le coeur et la gaine sont très faibles (moins de 1%), l'indice lui-même restant au voisinage de 1,46 pour des verres de silice.
Il est commode de caractériser le profil d'indice par la quantité :
que l'on appelle fréquence normalisée.
Ce paramétre V est de l'ordre de 1 à 2,405 pour les fibres monomodes et de l'ordre de 100 ou plus pour les fibres multimodes. L'angle d'acceptance de la fibre est determinée par son ouverture numérique définie par la relation suivante:
O.N=√(nc² - ng²)
L'ouverture numérique des fibres de silice destinée aux télécommunications optiques est de l'ordre de 0,15.
La différence d'indice relative Δ devra être d'autant plus importante que l'on voudra conserver un bon confinement de l'énergie dans le coeur de la fibre malgré des conditions de propagations contraignantes (courbures, etc..) ou que l'on voudra une ouverture numérique importante.
L'énergie transportée par la fibre est essentiellement confinée dans le coeur mais une partie non négligeable pénètre dans la gaine optique.
Ainsi le matériau constituant la gaine optique doit présenter des propriétés de pureté comparable à celui constituant le coeur.
c) Fibre monomode
Une fibre optique est dite monomode lorsqu' est sélectionné qu'un seul mode de propagation (se propageant au voisinage de l'axe). Le développement de la théorie électromagnétique dans les fibres optiques permet de montrer que le caractère monomode de propagation est conditionnée par la vérification de la relation suivante:
où V s'appelle la fréquence spatiale normalisée de la fibre
avec :
a = le rayon du coeur
n1 et n2 : respectivement les indices du centre du coeur et de la gaine
figure 3 : La fibre monomode
Les fibres optiques monomodes sont utilisées sur des distances comprises entre 2km et plusieurs centaines de km.
d) Fibre multimode
Dans une fibre multimode, le rayon lumineux a plusieurs manières de se propager dans le coeur de la fibre, chaque mode ayant une vitesse de propagation propre (vitesse suivant l'axe de propagation).
On peut évaluer le nombre de modes N en connaissant la fréquence spatiale normalisée V de la fibre dans le cas de la distribution d'indice classique dans le coeur et dans la gaine donnée par la relation :
(approximation valable pour un grand nombre de modes)
où :
V est le paramétre de fréquence normalisé
g est le paramétre arbitraire positif du profil d'indice
Il convient de remarquer qu 'il existe plusieurs types de fibres multimodes :
-les fibres à saut d'indice : l'indice de réfraction dans le coeur est constant
figure 4 : La fibre à saut d'indice
-les fibres à gradient d'indice : l'indice du coeur diminue suivant une loi parabolique depuis l'axe jusqu' à l'interface coeur-gaine. La diminution de l'indice fait que la lumière se propage plus vite.
figure 5 : La fibre à gradient d'indice
Les fibres multimodes utilisées en communication sont généralement employées sur des faibles distances (inférieures à quelques kilomètres), principalement pour des liaisons entre les ordinateurs et les réseaux locaux.
e) Fibre monomode/multimode
La fibre multimode a été la première utilisée.
Elle est facile à utiliser (gros coeur, tolérances élevées mais a une limitation intrinsèque de bande passante) .
Ce type de fibre est réservée aux courtes distances (comme pour les réseaux informatiques).
La fibre monomode a une bande passante pratiquement infinie (en théorie) mais requiert des composants chers et des tolérances faibles. Elle est devenue la solution universelle des systèmes de communications.
f) Longueur d'onde de coupure
La longueur d'onde de coupure est celle au-dessus de laquelle la fibre devient monomode :
avec
O.N: l'ouverture numérique
a: le rayon du coeur
V: fréquence de coupure
si V < 2,405 la fibre est monomode
si V > 2,405 la fibre est multimode
Il est préférable de travailler avec une fibre monomode car il est important de n'avoir qu'un faisceau monomode dans la fibre, pour conserver l'énergie dans sa totalité. En effet, si plusieurs modes sont guidés (fibre multimode), certains modes peuvent s'atténuer et par conséquent perdre de l'information.