Une fibre optique (ou fibre en anglais britannique ) est une fibre souple et transparente fabriquée en étirant du verre ( Silice ) ou du plastique à un diamètre légèrement plus épais que celui d’un cheveu humain . [1] Les fibres optiques sont le plus souvent utilisées comme moyen de transmettre la lumière [a] entre les deux extrémités de la fibre et trouvent une large utilisation dans les communications par fibre optique , où elles permettent la transmission sur de plus longues distances et à des bandes passantes plus élevées (taux de transfert de données ) que les câbles électriques. Les fibres sont utilisées à la place du métal les fils parce que les signaux les parcourent avec moins de perte ; de plus, les fibres sont insensibles aux interférences électromagnétiques , un problème dont souffrent les fils métalliques. [2] Les fibres sont également utilisées pour l’ éclairage et l’imagerie, et sont souvent enveloppées dans des faisceaux afin qu’elles puissent être utilisées pour transporter de la lumière ou des images hors d’espaces confinés, comme dans le cas d’un fibroscope . [3] Des fibres spécialement conçues sont également utilisées pour une variété d’autres applications, dont certaines sont des capteurs à fibre optique et des lasers à fibre . [4]
Les fibres optiques comprennent généralement un noyau entouré d’un matériau de revêtement transparent avec un indice de réfraction inférieur . La lumière est retenue dans le coeur par le phénomène de réflexion interne totale qui fait que la fibre agit comme un guide d’ onde . [5] Les fibres qui prennent en charge de nombreux chemins de propagation ou modes transversaux sont appelées fibres multimodes , tandis que celles qui prennent en charge un seul mode sont appelées fibres monomodes (SMF). [6] Les fibres multimodes ont généralement un diamètre de cœur plus large [7]et sont utilisés pour les liaisons de communication à courte distance et pour les applications où une puissance élevée doit être transmise. [8] Les fibres monomodes sont utilisées pour la plupart des liaisons de communication de plus de 1 000 mètres (3 300 pieds). [ citation nécessaire ]
Pouvoir joindre des fibres optiques à faible perte est important dans la communication par fibre optique. [9] Ceci est plus complexe que l’assemblage de fils ou de câbles électriques et implique un clivage soigneux des fibres, un alignement précis des cœurs de fibres et le couplage de ces cœurs alignés. Pour les applications qui exigent une connexion permanente, une épissure par fusion est courante. Dans cette technique, un arc électrique est utilisé pour faire fondre les extrémités des fibres ensemble. Une autre technique courante est une épissure mécanique , où les extrémités des fibres sont maintenues en contact par une force mécanique. Les connexions temporaires ou semi-permanentes sont réalisées au moyen de connecteurs spécialisés en fibre optique . [dix]
Le domaine des sciences appliquées et de l’ingénierie concerné par la conception et l’application des fibres optiques est connu sous le nom de fibre optique . Le terme a été inventé par le physicien indo-américain Narinder Singh Kapany , largement reconnu comme le père de la fibre optique. [11]
Histoire
Le guidage de la lumière par réfraction, le principe qui rend possible la fibre optique, a été démontré pour la première fois par Daniel Colladon et Jacques Babinet à Paris au début des années 1840. John Tyndall en a inclus une démonstration dans ses conférences publiques à Londres , 12 ans plus tard. [12] Tyndall a également écrit sur la propriété de réflexion interne totale dans un livre d’introduction sur la nature de la lumière en 1870 : [13] [14]
Lorsque la lumière passe de l’air dans l’eau, le rayon réfracté est plié vers la perpendiculaire … Lorsque le rayon passe de l’eau dans l’air, il est plié de la perpendiculaire … Si l’angle que le rayon dans l’eau enferme avec la perpendiculaire à la surface soit supérieure à 48 degrés, le rayon ne quittera pas du tout l’eau : il sera totalement réfléchi à la surface… L’angle qui marque la limite où commence la réflexion totale s’appelle l’angle limite du milieu. Pour l’eau cet angle est de 48°27′, pour le verre silex il est de 38°41′, alors que pour un diamant il est de 23°42′.
À la fin du 19e et au début du 20e siècle, la lumière était guidée à travers des tiges de verre courbées pour éclairer les cavités corporelles. [15] Des applications pratiques telles que l’éclairage interne rapproché pendant la dentisterie sont apparues au début du XXe siècle. La transmission d’images à travers des tubes a été démontrée indépendamment par l’expérimentateur radio Clarence Hansell et le pionnier de la télévision John Logie Baird dans les années 1920. Dans les années 1930, Heinrich Lamm a montré que l’on pouvait transmettre des images à travers un faisceau de fibres optiques non gainées et l’utiliser pour des examens médicaux internes, mais son travail a été largement oublié. [12] [16]
En 1953, le scientifique néerlandais Bram van Heel [ nl ] a démontré pour la première fois la transmission d’images à travers des faisceaux de fibres optiques avec un revêtement transparent. [16] Cette même année, Harold Hopkins et Narinder Singh Kapany de l’Imperial College de Londres ont réussi à fabriquer des faisceaux de transmission d’images avec plus de 10 000 fibres, puis ont réussi à transmettre des images à travers un faisceau de 75 cm de long qui combinait plusieurs milliers de fibres. [16] [17] [18] Le premier Gastroscope semi-flexible à fibre optique pratique a été breveté par Basil Hirschowitz, C. Wilbur Peters et Lawrence E. Curtiss, chercheurs à l’ Université du Michigan , en 1956. Lors du développement du Gastroscope, Curtiss a produit les premières fibres gainées de verre ; les fibres optiques précédentes s’appuyaient sur de l’air ou des huiles et des cires peu pratiques comme matériau de revêtement à faible indice. [16]
Kapany a inventé le terme fibre optique , a écrit un article en 1960 dans Scientific American qui a présenté le sujet à un large public et a écrit le premier livre sur le nouveau domaine. [16] [19]
Le premier système de transmission de données par fibre optique fonctionnel a été démontré par le physicien allemand Manfred Börner au Telefunken Research Labs à Ulm en 1965, qui a été suivi par la première demande de brevet pour cette technologie en 1966. [20] [21] En 1968, la NASA a utilisé fibre optique dans les caméras de télévision envoyées sur la lune. À l’époque, l’utilisation dans les caméras était classée confidentielle et les employés manipulant les caméras devaient être supervisés par une personne disposant d’une habilitation de sécurité appropriée. [22]
Charles K. Kao et George A. Hockham de la société britannique Standard Telephones and Cables (STC) ont été les premiers, en 1965, à promouvoir l’idée que l’ atténuation dans les fibres optiques pouvait être réduite en dessous de 20 décibels par kilomètre (dB/km) , faisant de la fibre un support de communication pratique. [23] Ils ont proposé que l’atténuation des fibres disponibles à l’époque était causée par des impuretés qui pouvaient être éliminées, plutôt que par des effets physiques fondamentaux tels que la diffusion. Ils ont correctement et systématiquement théorisé les propriétés de perte de lumière des fibres optiques et ont indiqué le bon matériau à utiliser pour ces fibres : le Verre de silice de haute pureté. Cette découverte a valu à Kao lePrix Nobel de physique en 2009. [24] La limite d’atténuation cruciale de 20 dB/km a été atteinte pour la première fois en 1970 par les chercheurs Robert D. Maurer , Donald Keck , Peter C. Schultz et Frank Zimar travaillant pour le verrier américain Corning Glass Works . . [25] Ils ont démontré une fibre avec une atténuation de 17 dB/km en dopant du Verre de silice avec du titane . Quelques années plus tard, ils ont produit une fibre avec une atténuation de seulement 4 dB/km en utilisant du dioxyde de germanium comme dopant central. En 1981, General Electric a produit des Lingots de quartz fonduqui pourraient être entraînés en brins de 25 miles (40 km) de long. [26]
Initialement, les fibres optiques de haute qualité ne pouvaient être fabriquées qu’à 2 mètres par seconde. L’ingénieur chimiste Thomas Mensah a rejoint Corning en 1983 et a augmenté la vitesse de fabrication à plus de 50 mètres par seconde, rendant les câbles à fibres optiques moins chers que les câbles en cuivre traditionnels. [27] Ces innovations ont inauguré l’ère des télécommunications par fibre optique.
Le centre de recherche italien CSELT a travaillé avec Corning pour développer des câbles à fibre optique pratiques, ce qui a abouti au déploiement du premier câble à fibre optique métropolitain à Turin en 1977. [28] [29] CSELT a également développé une technique précoce d’épissage des fibres optiques, appelée Springroove. [30]
L’atténuation dans les câbles optiques modernes est bien inférieure à celle des câbles électriques en cuivre, ce qui conduit à des connexions fibre optique longue distance avec des distances de répéteur de 70 à 150 kilomètres (43 à 93 mi). L’ Amplificateur à fibre dopée à l’erbium , qui a réduit le coût des systèmes à fibre longue distance en réduisant ou en éliminant les répéteurs optiques-électriques-optiques, a été développé par deux équipes dirigées par David N. Payne de l’ Université de Southampton [31] [32] et Emmanuel Desurvire aux Bell Labs [33] en 1986 et 1987.
Le domaine émergent des cristaux photoniques a conduit au développement en 1991 de la fibre à cristaux photoniques [ 34] qui guide la lumière par diffraction à partir d’une structure périodique, plutôt que par réflexion interne totale. Les premières fibres à cristaux photoniques sont devenues disponibles dans le commerce en 2000. [35] Les fibres à cristaux photoniques peuvent transporter une puissance plus élevée que les fibres conventionnelles et leurs propriétés dépendantes de la longueur d’onde peuvent être manipulées pour améliorer les performances.
Les usages
Communication
La fibre optique est utilisée comme support pour les télécommunications et les réseaux informatiques car elle est flexible et peut être regroupée sous forme de câbles. Il est particulièrement avantageux pour les communications longue distance, car la Lumière infrarouge se propage à travers la fibre avec une atténuation beaucoup plus faible par rapport à l’électricité dans les câbles électriques. Cela permet de couvrir de longues distances avec peu de répéteurs .
10 ou 40 Gbit/s est typique dans les systèmes déployés. [36] [37]
Grâce à l’utilisation du multiplexage par répartition en longueur d’onde (WDM), chaque fibre peut transporter de nombreux canaux indépendants, chacun utilisant une longueur d’onde de lumière différente. Le débit de données net (débit de données sans octets de surdébit) par fibre est le débit de données par canal réduit par le surdébit FEC, multiplié par le nombre de canaux (généralement jusqu’à 80 dans les systèmes WDM denses commerciaux à partir de 2008 [mettre à jour]).
| Date | Jalon |
|---|---|
| 2006 | 111 Gbit/s par NTT . [38] [39] |
| 2009 | 100 Pbit/s·km (15,5 Tbit/s sur une seule fibre de 7 000 km) par Bell Labs. [40] |
| 2011 | 101 Tbit/s (370 canaux à 273 Gbit/s chacun) sur un seul cœur. [41] |
| janvier 2013 | Transmission à 1,05 Pbit/s via un câble à fibre multiconducteur. [42] |
| Juin 2013 | 400 Gbit/s sur un seul canal utilisant le multiplexage du moment cinétique orbital à 4 modes . [43] |
Pour les applications à courte distance, comme un réseau dans un immeuble de bureaux (voir fibre au bureau ), le câblage à fibre optique peut économiser de l’espace dans les conduits de câbles. En effet, une seule fibre peut transporter beaucoup plus de données que les câbles électriques tels que les câbles standard de catégorie 5 , qui fonctionnent généralement à des vitesses de 100 Mbit/s ou 1 Gbit/s.
Les fibres sont également souvent utilisées pour les connexions à courte distance entre les appareils. Par exemple, la plupart des téléviseurs haute définition offrent une connexion audio numérique optique. Cela permet la diffusion audio sur la lumière, en utilisant le protocole S/PDIF sur une connexion optique TOSLINK .
Capteurs
Les fibres ont de nombreuses utilisations en télédétection. Dans certaines applications, le capteur est lui-même une fibre optique. Les fibres sont utilisées pour canaliser le rayonnement vers un capteur où il est mesuré. Dans d’autres cas, la fibre est utilisée pour connecter un capteur à un système de mesure.
Les fibres optiques peuvent être utilisées comme capteurs pour mesurer la contrainte , la température , la pression et d’autres quantités en modifiant une fibre de sorte que la propriété mesurée module l’ intensité , la phase , la polarisation , la longueur d’onde ou le temps de transit de la lumière dans la fibre. Les capteurs qui font varier l’intensité de la lumière sont les plus simples car seuls une source et un détecteur simples sont nécessaires. Une caractéristique particulièrement utile de ces capteurs à fibre optique est qu’ils peuvent, si nécessaire, fournir une détection distribuée sur des distances allant jusqu’à un mètre. En revanche, des mesures hautement localisées peuvent être fournies en intégrant des éléments de détection miniaturisés à l’extrémité de la fibre.[44] Celles-ci peuvent être mises en œuvre par diverses technologies de micro et Nanofabrication , de sorte qu’elles ne dépassent pas la limite microscopique de la pointe de la fibre, permettant des applications telles que l’insertion dans les vaisseaux sanguins via une aiguille hypodermique.
Les capteurs à fibre optique extrinsèque utilisent un câble à fibre optique , normalement multimode, pour transmettre la lumière modulée à partir d’un capteur non fibre optique ou d’un capteur électronique connecté à un émetteur optique. Un avantage majeur des capteurs extrinsèques est leur capacité à atteindre des endroits autrement inaccessibles. Un exemple est la mesure de la température à l’intérieur des moteurs à réaction en utilisant une fibre pour transmettre le rayonnement dans un pyromètre à l’extérieur du moteur. Les capteurs extrinsèques peuvent être utilisés de la même manière pour mesurer la température interne des transformateurs électriques , où les champs électromagnétiques extrêmesprésentes rendent impossibles d’autres techniques de mesure. Les capteurs extrinsèques mesurent les vibrations, la rotation, le déplacement, la vitesse, l’accélération, le couple et la torsion. Une version à l’état solide du gyroscope, utilisant l’interférence de la lumière, a été développée. Le gyroscope à fibre optique (FOG) n’a pas de pièces mobiles et exploite l’ effet Sagnac pour détecter la rotation mécanique.
Les utilisations courantes des capteurs à fibre optique incluent les systèmes de sécurité avancés de détection d’intrusion. La lumière est transmise le long d’un câble de Capteur à fibre optique placé sur une clôture, un pipeline ou un câblage de communication, et le signal renvoyé est surveillé et analysé pour les perturbations. Ce signal de retour est traité numériquement pour détecter les perturbations et déclencher une alarme en cas d’intrusion.
Les fibres optiques sont largement utilisées comme composants de capteurs chimiques optiques et de biocapteurs optiques . [45]
Puissance de transmission
La fibre optique peut être utilisée pour transmettre de l’énergie à l’aide d’une cellule photovoltaïque pour convertir la lumière en électricité. [46] Bien que cette méthode de transmission de puissance ne soit pas aussi efficace que les méthodes conventionnelles, elle est particulièrement utile dans les situations où il est souhaitable de ne pas avoir de conducteur métallique comme dans le cas d’une utilisation à proximité d’appareils IRM, qui produisent de forts champs magnétiques. [47] D’autres exemples concernent l’alimentation de l’électronique dans les éléments d’antenne à haute puissance et les dispositifs de mesure utilisés dans les équipements de transmission à haute tension.
Autres utilisations
Les fibres optiques sont utilisées comme guides de lumière dans les applications médicales et autres où une lumière vive doit être projetée sur une cible sans ligne de visée claire. De nombreux microscopes utilisent des sources de lumière à fibre optique pour fournir un éclairage intense des échantillons étudiés.
La fibre optique est également utilisée dans l’optique d’imagerie. Un faisceau cohérent de fibres est utilisé, parfois avec des lentilles, pour un dispositif d’imagerie long et mince appelé endoscope , qui est utilisé pour voir des objets à travers un petit trou. Les endoscopes médicaux sont utilisés pour des procédures exploratoires ou chirurgicales peu invasives. Les endoscopes industriels (voir fibroscope ou endoscope ) sont utilisés pour inspecter tout ce qui est difficile à atteindre, comme l’intérieur des moteurs à réaction.
Dans certains bâtiments, les fibres optiques acheminent la lumière du soleil du toit vers d’autres parties du bâtiment (voir optique sans imagerie ). Les lampes à fibre optique sont utilisées pour l’éclairage dans des applications décoratives, y compris les enseignes , l’art , les jouets et les arbres de Noël artificiels . La fibre optique fait partie intégrante du produit de construction en béton qui transmet la lumière LiTraCon .
La fibre optique peut également être utilisée dans la surveillance de l’état des structures . Ce type de capteur est capable de détecter des contraintes pouvant impacter durablement les structures . Il est basé sur le principe de la mesure d’atténuation analogique.
En spectroscopie , les faisceaux de fibres optiques transmettent la lumière d’un spectromètre à une substance qui ne peut pas être placée à l’intérieur du spectromètre lui-même, afin d’analyser sa composition. Un spectromètre analyse les substances en faisant rebondir la lumière sur elles et à travers elles. En utilisant des fibres, un spectromètre peut être utilisé pour étudier des objets à distance. [48] [49] [50]
Une fibre optique dopée avec certains éléments de terres rares comme l’ erbium peut être utilisée comme milieu de gain d’un laser ou d’un amplificateur optique . Des fibres optiques dopées aux terres rares peuvent être utilisées pour fournir une amplification du signal en épissant une courte section de fibre dopée en une ligne de fibre optique régulière (non dopée). La fibre dopée est pompée optiquement avec une deuxième longueur d’onde laser qui est couplée dans la ligne en plus de l’onde de signal. Les deux longueurs d’onde de lumière sont transmises à travers la fibre dopée, qui transfère l’énergie de la deuxième longueur d’onde de pompe à l’onde de signal. Le processus qui provoque l’amplification est l’émission stimulée .
La fibre optique est également largement exploitée comme support non linéaire. Le milieu de verre prend en charge une foule d’interactions optiques non linéaires, et les longues longueurs d’interaction possibles dans la fibre facilitent une variété de phénomènes, qui sont exploités pour des applications et des recherches fondamentales. [51] À l’inverse, la non-linéarité des fibres peut avoir des effets néfastes sur les signaux optiques, et des mesures sont souvent nécessaires pour minimiser ces effets indésirables.
Les fibres optiques dopées avec un décaleur de longueur d’onde collectent la lumière de scintillation dans les expériences de physique .
Les viseurs à fibre optique pour armes de poing, carabines et fusils de chasse utilisent des morceaux de fibre optique pour améliorer la visibilité des marques sur le viseur.
Principe d’opération
Un aperçu des principes de fonctionnement de la fibre optique
Une fibre optique est un guide d’onde diélectrique cylindrique ( guide d’onde non conducteur ) qui transmet la lumière le long de son axe par le processus de réflexion interne totale. La fibre est constituée d’une âme entourée d’une couche de gaine , toutes deux constituées de matériaux diélectriques . [52] Pour confiner le signal optique dans le coeur, l’ indice de réfraction du coeur doit être supérieur à celui de la gaine. La frontière entre le cœur et la gaine peut être soit abrupte, dans le cas d’une fibre à saut d’indice , soit graduelle, dans le cas d’ une fibre à gradient d’indice . La lumière peut être introduite dans des fibres optiques à l’aide de lasers ou de LED.
La fibre est insensible aux interférences électriques ; il n’y a pas de diaphonie entre les signaux dans différents câbles et pas de captation de bruit ambiant. Les informations circulant à l’intérieur de la fibre optique sont même insensibles aux impulsions électromagnétiques générées par les engins nucléaires. [b] [ citation nécessaire ]
Les câbles à fibre ne conduisent pas l’électricité, ce qui rend la fibre utile pour protéger les équipements de communication dans les environnements à haute tension tels que les installations de production d’ électricité ou les applications sujettes aux coups de foudre . L’isolation électrique évite également les problèmes de boucles de masse . Parce qu’il n’y a pas d’électricité dans les câbles optiques qui pourraient potentiellement générer des étincelles, ils peuvent être utilisés dans des environnements où des fumées explosives sont présentes. L’écoute électronique (dans ce cas, l’écoute de la fibre ) est plus difficile que les connexions électriques.
Les câbles à fibres optiques ne sont pas ciblés pour le vol de métaux . En revanche, les systèmes de câbles en cuivre utilisent de grandes quantités de cuivre et sont ciblés depuis le boom des matières premières des années 2000 .
Indice de réfraction
L’ indice de réfraction est un moyen de mesurer la vitesse de la lumière dans un matériau. La lumière voyage plus rapidement dans le vide , comme dans l’espace. La vitesse de la lumière dans le vide est d’environ 300 000 kilomètres (186 000 miles) par seconde. L’indice de réfraction d’un milieu est calculé en divisant la vitesse de la lumière dans le vide par la vitesse de la lumière dans ce milieu. L’indice de réfraction d’un vide est donc de 1, par définition. Une Fibre monomode typique utilisée pour les télécommunications a une gaine en Silice pure, avec un indice de 1,444 à 1500 nm, et un coeur en Silice dopée avec un indice autour de 1,4475. [52]Plus l’indice de réfraction est grand, plus la lumière se propage lentement dans ce milieu. À partir de ces informations, une règle empirique simple est qu’un signal utilisant la fibre optique pour la communication se déplacera à environ 200 000 kilomètres par seconde. Ainsi un appel téléphonique acheminé par fibre entre Sydney et New York, soit une distance de 16 000 kilomètres, signifie qu’il y a un délai minimum de 80 millisecondes (environ 1 12 {displaystyle {tfrac {1}{12}}}
Réflexion interne totale
Lorsque la lumière voyageant dans un milieu optiquement dense atteint une frontière à un angle prononcé (plus grand que l’ angle critique pour la frontière), la lumière est complètement réfléchie. C’est ce qu’on appelle la réflexion interne totale . Cet effet est utilisé dans les fibres optiques pour confiner la lumière dans le noyau. La plupart des fibres optiques modernes sont faiblement guidantes , ce qui signifie que la différence d’indice de réfraction entre le cœur et la gaine est très faible (généralement moins de 1%). [53] La lumière se déplace à travers le cœur de la fibre, rebondissant d’avant en arrière sur la frontière entre le cœur et la gaine.
Étant donné que la lumière doit frapper la frontière avec un angle supérieur à l’angle critique, seule la lumière qui pénètre dans la fibre dans une certaine plage d’angles peut traverser la fibre sans fuir. Cette gamme d’angles est appelée le cône d’acceptation de la fibre. Il existe un angle maximal par rapport à l’axe de la fibre auquel la lumière peut pénétrer dans la fibre de sorte qu’elle se propage ou se déplace dans le cœur de la fibre. Le sinus de cet angle maximum est l’ ouverture numérique (NA) de la fibre. Une fibre avec une NA plus grande nécessite moins de précision pour épisser et travailler que la fibre avec une NA plus petite. La taille de ce cône d’acceptance est fonction de la différence d’indice de réfraction entre le coeur et la gaine de la fibre. La Fibre monomode a une petite NA.
Fibre multimode
Les fibres à cœur de grand diamètre (supérieur à 10 micromètres) peuvent être analysées par optique géométrique . Une telle fibre est appelée Fibre multimode , d’après l’analyse électromagnétique (voir ci-dessous). Dans une Fibre multimode à saut d’indice, les rayons lumineux sont guidés le long du coeur de la fibre par réflexion interne totale. Les rayons qui rencontrent la limite âme-gaine à un angle (mesuré par rapport à une ligne normale à la limite) supérieur à l’ angle critique pour cette limite, sont complètement réfléchis. L’angle critique est déterminé par la différence d’indice de réfraction entre les matériaux du noyau et de la gaine. Les rayons qui rencontrent la limite à un angle faible sont réfractés à partir du noyaudans le revêtement où ils se terminent. L’angle critique détermine l’ angle d’acceptation de la fibre, souvent signalé comme une ouverture numérique . Une ouverture numérique élevée permet à la lumière de se propager le long de la fibre dans des rayons à la fois proches de l’axe et à différents angles, permettant un couplage efficace de la lumière dans la fibre. Cependant, cette ouverture numérique élevée augmente la quantité de dispersion car les rayons à différents angles ont des longueurs de trajet différentes et prennent donc des durées différentes pour traverser la fibre.
Dans une fibre à gradient d’indice, l’indice de réfraction dans le coeur diminue continûment entre l’axe et la gaine. Cela fait que les rayons lumineux se plient doucement à mesure qu’ils s’approchent de la gaine, plutôt que de se refléter brusquement à partir de la limite noyau-gaine. Les trajets incurvés résultants réduisent la dispersion multi-trajets car les rayons à angle élevé traversent davantage la périphérie à indice inférieur du noyau, plutôt que le centre à indice élevé. Le profil d’indice est choisi pour minimiser la différence des vitesses de propagation axiale des différents rayons dans la fibre. Ce profil d’indice idéal est très proche d’une relation parabolique entre l’indice et la distance à l’axe. [ citation nécessaire ]
Fibre monomode
1. Noyau : 8 μm de diamètre
2. Gaine : 125 μm de diamètre.
3. Tampon : 250 μm de diamètre.
4. Gaine : 400 μm de diamètre.
Une fibre dont le diamètre du cœur est inférieur à environ dix fois la longueur d’ onde de la lumière qui se propage ne peut pas être modélisée à l’aide de l’optique géométrique. Au lieu de cela, il doit être analysé comme une structure de guide d’ondes électromagnétiques, selon les équations de Maxwell réduites à l’ équation des ondes électromagnétiques . [d] En tant que guide d’onde optique, la fibre supporte un ou plusieurs modes transversaux confinés par lesquels la lumière peut se propager le long de la fibre. La fibre ne supportant qu’un seul mode est appelée monomode . [e]L’analyse du guide d’onde montre que l’énergie lumineuse dans la fibre n’est pas complètement confinée dans le coeur. Au lieu de cela, en particulier dans les fibres monomodes, une fraction importante de l’énergie en mode lié se déplace dans la gaine sous forme d’onde évanescente . Le type le plus courant de Fibre monomode a un diamètre de noyau de 8 à 10 micromètres et est conçu pour une utilisation dans le proche infrarouge . La Fibre multimode, en comparaison, est fabriquée avec des diamètres de noyau aussi petits que 50 micromètres et aussi grands que des centaines de micromètres.
Fibre spéciale
Certaines fibres optiques à usage spécial sont construites avec un noyau ou une couche de gaine non cylindrique, généralement avec une section transversale elliptique ou rectangulaire. Il s’agit notamment de la fibre à maintien de polarisation utilisée dans les capteurs à fibre optique et de la fibre conçue pour supprimer la propagation en mode galerie chuchotant .
La fibre à cristal photonique est fabriquée avec un motif régulier de variation d’indice (souvent sous la forme de trous cylindriques qui s’étendent sur la longueur de la fibre). Une telle fibre utilise des effets de diffraction au lieu ou en plus de la réflexion interne totale, pour confiner la lumière au cœur de la fibre. Les propriétés de la fibre peuvent être adaptées à une grande variété d’applications.
Mécanismes d’atténuation
L’atténuation dans la fibre optique, également connue sous le nom de perte de transmission, est la réduction de l’intensité du signal lumineux lorsqu’il se déplace à travers le support de transmission. Les coefficients d’atténuation dans les fibres optiques sont généralement exprimés en unités de dB/km. Le support est généralement une fibre de Verre de silice [f]qui confine le faisceau lumineux incident à l’intérieur. L’atténuation est un facteur important limitant la transmission d’un signal numérique sur de grandes distances. Ainsi, de nombreuses recherches ont porté à la fois sur la limitation de l’atténuation et sur la maximisation de l’amplification du signal optique. En fait, la réduction de quatre ordres de grandeur de l’atténuation des fibres optiques en Silice sur quatre décennies était le résultat d’une amélioration constante des procédés de fabrication, de la pureté des matières premières, de la conception des préformes et des fibres, ce qui a permis à ces fibres d’approcher la limite inférieure théorique de atténuation. [54]
Les fibres optiques monomodes peuvent être fabriquées avec des pertes extrêmement faibles. La fibre SMF-28 de Corning, une Fibre monomode standard pour les longueurs d’onde des télécommunications, a une perte de 0,17 dB/km à 1550 nm. [55] Par exemple, une longueur de 8 km de SMF-28 transmet près de 75 % de la lumière à 1 550 nm. Il a été noté que si l’eau de l’océan était aussi claire que la fibre, on pourrait voir jusqu’au fond même de la fosse des Mariannes dans l’océan Pacifique, à une profondeur de 11 000 mètres (36 000 pieds). [56]
Des recherches empiriques ont montré que l’atténuation dans la fibre optique est principalement causée à la fois par la diffusion et l’absorption .
Diffusion de la lumière
La propagation de la lumière à travers le cœur d’une fibre optique est basée sur la réflexion interne totale de l’onde lumineuse. Les surfaces rugueuses et irrégulières, même au niveau moléculaire, peuvent provoquer la réflexion des rayons lumineux dans des directions aléatoires. C’est ce qu’on appelle la réflexion diffuse ou la diffusion , et elle se caractérise généralement par une grande variété d’angles de réflexion.
La diffusion de la lumière dépend de la longueur d’ onde de la lumière diffusée. Ainsi, des limites aux échelles spatiales de visibilité apparaissent, en fonction de la fréquence de l’onde lumineuse incidente et de la dimension physique (ou échelle spatiale) du centre de diffusion, qui se présente généralement sous la forme d’une caractéristique micro-structurelle spécifique. Étant donné que la lumière visible a une longueur d’onde de l’ordre d’un micromètre (un millionième de mètre), les centres de diffusion auront des dimensions sur une échelle spatiale similaire.
Ainsi, l’atténuation résulte de la diffusion incohérente de la lumière sur les surfaces internes et les interfaces . Dans les matériaux (poly)cristallins tels que les métaux et les céramiques, en plus des pores, la plupart des surfaces ou interfaces internes se présentent sous la forme de joints de grains qui séparent de minuscules régions d’ordre cristallin. Il a récemment été montré que lorsque la taille du centre de diffusion (ou joint de grain) est réduite en dessous de la taille de la longueur d’onde de la lumière diffusée, la diffusion ne se produit plus de manière significative. Ce phénomène a donné naissance à la production de matériaux céramiques transparents .
De même, la diffusion de la lumière dans la fibre de verre de qualité optique est causée par des irrégularités au niveau moléculaire (fluctuations de composition) dans la structure du verre. En effet, une école de pensée émergente est qu’un verre est simplement le cas limite d’un solide polycristallin. Dans ce cadre, les “domaines” présentant divers degrés d’ordre à courte portée deviennent les éléments constitutifs des métaux et des alliages, ainsi que des verres et des céramiques. Répartis à la fois entre et dans ces domaines se trouvent des défauts microstructuraux qui fournissent les emplacements les plus idéaux pour la diffusion de la lumière. Ce même phénomène est considéré comme l’un des facteurs limitant la transparence des dômes de missiles IR. [57]
À des puissances optiques élevées, la diffusion peut également être causée par des processus optiques non linéaires dans la fibre. [58] [59]
Absorption UV-Vis-IR
En plus de la diffusion de la lumière, une atténuation ou une perte de signal peut également se produire en raison de l’absorption sélective de longueurs d’onde spécifiques, d’une manière similaire à celle responsable de l’apparition de la couleur. Les considérations matérielles primaires incluent à la fois les électrons et les molécules comme suit :
- Au niveau électronique, cela dépend si les orbitales des électrons sont espacées (ou “quantifiées”) de telle sorte qu’elles puissent absorber un quantum de lumière (ou photon) d’une longueur d’onde ou d’une fréquence spécifique dans les gammes ultraviolette (UV) ou visible. C’est ce qui donne naissance à la couleur.
- Au niveau atomique ou moléculaire, cela dépend des fréquences des vibrations atomiques ou moléculaires ou des liaisons chimiques, de la proximité de ses atomes ou molécules et du fait que les atomes ou molécules présentent ou non un ordre à longue portée. Ces facteurs détermineront la capacité du matériau à transmettre des longueurs d’onde plus longues dans l’infrarouge (IR), l’IR lointain, la radio et les micro-ondes.
La conception de tout dispositif optiquement transparent nécessite la sélection de matériaux sur la base de la connaissance de ses propriétés et de ses limites. Les caractéristiques d’absorption du réseau observées dans les régions de fréquence inférieure (gamme de longueurs d’onde de l’IR moyen à l’infrarouge lointain) définissent la limite de transparence à grande longueur d’onde du matériau. Ils sont le résultat du couplage interactif entre les mouvements de vibrations induites thermiquement des atomes et molécules constitutifs du réseau solide et le rayonnement incident des ondes lumineuses. Par conséquent, tous les matériaux sont délimités par des régions limites d’absorption causées par les vibrations atomiques et moléculaires (bond-stretching) dans l’infrarouge lointain (>10 μm).
Ainsi, l’absorption multi-phonons se produit lorsque deux phonons ou plus interagissent simultanément pour produire des moments dipolaires électriques avec lesquels le rayonnement incident peut se coupler. Ces dipôles peuvent absorber l’énergie du rayonnement incident, atteignant un couplage maximal avec le rayonnement lorsque la fréquence est égale au mode vibratoire fondamental du dipôle moléculaire (par exemple la liaison Si-O) dans l’infrarouge lointain, ou à l’une de ses harmoniques.
L’absorption sélective de la Lumière infrarouge (IR) par un matériau particulier se produit parce que la fréquence sélectionnée de l’onde lumineuse correspond à la fréquence (ou à un multiple entier de la fréquence) à laquelle les particules de ce matériau vibrent. Étant donné que différents atomes et molécules ont différentes fréquences naturelles de vibration, ils absorberont sélectivement différentes fréquences (ou parties du spectre) de la Lumière infrarouge (IR).
La réflexion et la transmission des ondes lumineuses se produisent parce que les fréquences des ondes lumineuses ne correspondent pas aux fréquences de résonance naturelles des vibrations des objets. Lorsque la Lumière infrarouge de ces fréquences frappe un objet, l’énergie est soit réfléchie, soit transmise.
Budget des pertes
L’atténuation sur un câble est considérablement augmentée par l’inclusion de connecteurs et d’épissures. Lors du calcul de l’atténuation acceptable (budget de perte) entre un émetteur et un récepteur, on inclut :
- perte de dB due au type et à la longueur du câble à fibre optique,
- perte de dB introduite par les connecteurs, et
- Perte de dB introduite par les épissures.
Les connecteurs introduisent généralement 0,3 dB par connecteur sur des connecteurs bien polis. Les épissures introduisent généralement moins de 0,3 dB par épissure.
La perte totale peut être calculée par :
Perte = perte en dB par connecteur × nombre de connecteurs + perte en dB par épissure × nombre d’épissures + perte en dB par kilomètre × kilomètres de fibre,
où la perte en dB par kilomètre est fonction du type de fibre et peut être trouvée dans les spécifications du fabricant. Par exemple, une Fibre monomode typique de 1550 nm a une perte de 0,4 dB par kilomètre.
Le budget de perte calculé est utilisé lors des tests pour confirmer que la perte mesurée se situe dans les paramètres de fonctionnement normaux.
Fabrication
Matériaux
Les fibres optiques en verre sont presque toujours fabriquées à partir de Silice , mais certains autres matériaux, tels que les verres de fluorozirconate , de fluoroaluminate et de chalcogénure ainsi que des matériaux cristallins comme le saphir , sont utilisés pour l’infrarouge à plus grande longueur d’onde ou d’autres applications spécialisées. Les verres de Silice et de fluorure ont généralement des indices de réfraction d’environ 1,5, mais certains matériaux tels que les chalcogénures peuvent avoir des indices aussi élevés que 3. Généralement, la différence d’indice entre le cœur et la gaine est inférieure à 1 %.
Les fibres optiques en plastique (POF) sont généralement des fibres multimodes à saut d’indice avec un diamètre de noyau de 0,5 millimètre ou plus. Les POF ont généralement des coefficients d’atténuation plus élevés que les fibres de verre, 1 dB/m ou plus, et cette atténuation élevée limite la gamme des systèmes basés sur les POF.
La Silice présente une assez bonne transmission optique sur une large gamme de longueurs d’onde. Dans la partie proche infrarouge (proche IR) du spectre, en particulier autour de 1,5 μm, la Silice peut avoir des pertes d’absorption et de diffusion extrêmement faibles de l’ordre de 0,2 dB/km. Ces pertes remarquablement faibles dépendent de l’utilisation de Silice ultra-pure. Une transparence élevée dans la région de 1,4 μm est obtenue en maintenant une faible concentration de groupes hydroxyle (OH). Alternativement, une concentration élevée en OH est meilleure pour la transmission dans la région ultraviolette (UV). [60]
La Silice peut être étirée en fibres à des températures raisonnablement élevées et a une gamme de transformation vitreuse assez large . Un autre avantage est que l’épissage et le clivage par fusion des fibres de Silice sont relativement efficaces. La fibre de Silice a également une résistance mécanique élevée contre la traction et même la flexion, à condition que la fibre ne soit pas trop épaisse et que les surfaces aient été bien préparées pendant le traitement. Même un simple clivage (rupture) des extrémités de la fibre peut fournir des surfaces bien planes avec une qualité optique acceptable. La Silice est également relativement inerte chimiquement . En particulier, il n’est pas hygroscopique (n’absorbe pas l’eau).
Le Verre de silice peut être dopé avec divers matériaux. Un des buts du dopage est d’augmenter l’ indice de réfraction (par exemple avec du dioxyde de germanium (GeO 2 ) ou de l’oxyde d’aluminium (Al 2 O 3 )) ou de l’abaisser (par exemple avec du fluor ou du trioxyde de bore (B 2 O 3 )). Le dopage est également possible avec des ions actifs laser (par exemple, des fibres dopées aux terres rares) afin d’obtenir des fibres actives à utiliser, par exemple, dans des amplificateurs à fibre ou laserapplications. Le cœur et la gaine de la fibre sont généralement dopés, de sorte que l’ensemble complet (cœur et gaine) est effectivement le même composé (par exemple un verre d’ aluminosilicate , de germanosilicate, de phosphosilicate ou de borosilicate ).
En particulier pour les fibres actives, la Silice pure n’est généralement pas un verre hôte très approprié, car elle présente une faible solubilité pour les ions de terres rares. Cela peut conduire à des effets d’extinction dus au regroupement d’ions dopants. Les aluminosilicates sont beaucoup plus efficaces à cet égard.
La fibre de Silice présente également un seuil élevé pour les dommages optiques. Cette propriété garantit une faible tendance au claquage induit par le laser. Ceci est important pour les amplificateurs à fibre lorsqu’ils sont utilisés pour l’amplification d’impulsions courtes.
En raison de ces propriétés, les fibres de Silice sont le matériau de choix dans de nombreuses applications optiques, telles que les communications (sauf pour les très courtes distances avec la fibre optique plastique), les lasers à fibre, les amplificateurs à fibre et les capteurs à fibre optique. De grands efforts déployés dans le développement de divers types de fibres de Silice ont encore augmenté les performances de ces fibres par rapport à d’autres matériaux. [61] [62] [63] [64] [65] [66] [67] [68]
Verre fluoré
Le verre fluoré est une classe de verres de qualité optique sans oxyde composés de fluorures de divers métaux . En raison de leur faible viscosité , il est très difficile d’éviter complètement la cristallisation lors de son traitement par la transition vitreuse (ou de l’étirage de la fibre à partir de la masse fondue). Ainsi, bien que les verres fluorés de métaux lourds (HMFG) présentent une très faible atténuation optique, ils sont non seulement difficiles à fabriquer, mais sont assez fragiles et ont une faible résistance à l’humidité et aux autres agressions environnementales. Leur meilleur attribut est qu’ils n’ont pas la bande d’absorption associée au groupe hydroxyle (OH) (3 200–3 600 cm −1; c’est-à-dire 2 777–3 125 nm ou 2,78–3,13 μm), qui est présent dans presque tous les verres à base d’oxyde.
Un exemple de verre au fluorure de métal lourd est le groupe de verres ZBLAN , composé de fluorures de zirconium , de baryum , de lanthane , d’aluminium et de sodium . Leur principale application technologique est celle des guides d’ondes optiques sous forme plane et sous forme de fibre. Ils sont particulièrement avantageux dans le domaine de l’ infrarouge moyen (2 000 à 5 000 nm).
Les HMFG étaient initialement prévus pour les applications de fibre optique, car les pertes intrinsèques d’une fibre IR moyen pourraient en principe être inférieures à celles des fibres de Silice, qui ne sont transparentes que jusqu’à environ 2 μm. Cependant, des pertes aussi faibles n’ont jamais été réalisées dans la pratique, et la fragilité et le coût élevé des fibres de fluorure les ont rendues moins qu’idéales en tant que candidats primaires. Plus tard, l’utilité des fibres de fluorure pour diverses autres applications a été découverte. Il s’agit notamment de la spectroscopie IR moyen , des capteurs à fibre optique , de la thermométrie et de l’imagerie . En outre, les fibres de fluorure peuvent être utilisées pour la transmission guidée des ondes lumineuses dans des médias tels que les lasers YAG ( yttrium aluminium garnet )à 2,9 μm, comme requis pour les applications médicales (par exemple , ophtalmologie et dentisterie ). [69] [70]
Verre phosphaté
Le verre phosphaté constitue une classe de verres optiques composés de métaphosphates de divers métaux. Au lieu des tétraèdres de SiO 4 observés dans les verres de silicate, l’élément constitutif de ce formateur de verre est le pentoxyde de phosphore (P 2 O 5 ), qui cristallise sous au moins quatre formes différentes. Le polymorphe le plus connu (voir figure) comprend des molécules de P 4 O 10 .
Les verres de phosphate peuvent être avantageux par rapport aux verres de Silice pour les fibres optiques à forte concentration en ions de terres rares dopants. Un mélange de verre fluoré et de verre phosphate est le verre fluorophosphate. [71] [72]
Verre chalcogénure
Les chalcogènes – les éléments du groupe 16 du tableau périodique – en particulier le soufre (S), le sélénium (Se) et le tellure (Te) – réagissent avec des éléments plus électropositifs , tels que l’argent , pour former des chalcogénures . Ce sont des composés extrêmement polyvalents, en ce sens qu’ils peuvent être cristallins ou amorphes, métalliques ou semi-conducteurs, et conducteurs d’ ions ou d’électrons . Le verre contenant des chalcogénures peut être utilisé pour fabriquer des fibres pour la transmission dans l’infrarouge lointain. [ citation nécessaire ]
Processus
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Préforme
Les fibres optiques standard sont fabriquées en construisant d’abord une “préforme” de grand diamètre avec un profil d’indice de réfraction soigneusement contrôlé, puis en “tirant” la préforme pour former la fibre optique longue et fine. La préforme est généralement fabriquée par trois méthodes de dépôt chimique en phase vapeur : dépôt en phase vapeur à l’intérieur, dépôt en phase vapeur à l’extérieur et dépôt axial en phase vapeur . [73]
Avec le dépôt en phase vapeur à l’intérieur , la préforme commence par un tube de verre creux d’environ 40 centimètres (16 pouces) de long, qui est placé horizontalement et tourné lentement sur un tour . Des gaz tels que le tétrachlorure de silicium (SiCl 4 ) ou le tétrachlorure de germanium (GeCl 4 ) sont injectés avec de l’oxygène à l’extrémité du tube. Les gaz sont ensuite chauffés au moyen d’un brûleur à hydrogène externe, portant la température du gaz jusqu’à 1900 K (1600 ° C, 3000 ° F), où les tétrachlorures réagissent avec l’oxygène pour produire de la Silice ou du germaniaparticules (dioxyde de germanium). Lorsque les conditions de réaction sont choisies pour permettre à cette réaction de se produire en phase gazeuse dans tout le volume du tube, contrairement aux techniques antérieures où la réaction se produisait uniquement sur la surface du verre, cette technique est appelée dépôt chimique en phase vapeur modifié (MCVD) .
Les particules d’oxyde s’agglomèrent alors pour former de grandes chaînes de particules, qui se déposent ensuite sur les parois du tube sous forme de suie. Le dépôt est dû à la grande différence de température entre le noyau de gaz et la paroi, ce qui fait que le gaz pousse les particules vers l’extérieur (c’est ce qu’on appelle la thermophorèse ). La torche est ensuite parcourue de haut en bas sur la longueur du tube pour déposer le matériau de manière uniforme. Une fois que la torche a atteint l’extrémité du tube, elle est ensuite ramenée au début du tube et les particules déposées sont alors fondues pour former une couche solide. Ce processus est répété jusqu’à ce qu’une quantité suffisante de matériau ait été déposée. Pour chaque couche, la composition peut être modifiée en faisant varier la composition du gaz, ce qui permet un contrôle précis des propriétés optiques de la fibre finie.
Dans le dépôt extérieur en phase vapeur ou dépôt axial en phase vapeur, le verre est formé par hydrolyse à la flamme , une réaction dans laquelle le tétrachlorure de silicium et le tétrachlorure de germanium sont oxydés par réaction avec de l’eau (H 2 O) dans une flamme oxhydrique . Dans le dépôt en phase vapeur à l’extérieur, le verre est déposé sur une tige solide, qui est retirée avant un traitement ultérieur. Dans le dépôt axial en phase vapeur, on utilise une tige germe courte et une préforme poreuse, dont la longueur n’est pas limitée par la taille de la tige source, est construite à son extrémité. La préforme poreuse est consolidée en une préforme solide transparente par chauffage à environ 1 800 K (1 500 ° C, 2 800 ° F).
La fibre de communication typique utilise une préforme circulaire. Pour certaines applications telles que les fibres à double gaine, une autre forme est préférée. [74] Dans les lasers à fibre basés sur une fibre à double gaine, une forme asymétrique améliore le facteur de remplissage pour le pompage laser .
En raison de la tension superficielle, la forme est lissée pendant le processus d’étirage et la forme de la fibre résultante ne reproduit pas les arêtes vives de la préforme. Néanmoins, un polissage soigneux de la préforme est important, car tout défaut de la surface de la préforme affecte les propriétés optiques et mécaniques de la fibre résultante. En particulier, la préforme de la fibre de test illustrée sur la figure n’a pas été bien polie et des fissures sont observées au microscope optique confocal .
Dessin
La préforme, quelle que soit sa construction, est placée dans un dispositif connu sous le nom de tour d’étirage , où la pointe de la préforme est chauffée et la fibre optique est tirée comme une ficelle. En mesurant la largeur de fibre résultante, la tension sur la fibre peut être contrôlée pour maintenir l’épaisseur de la fibre.
Revêtements
La lumière est guidée vers le cœur de la fibre par une gaine optique avec un indice de réfraction inférieur qui emprisonne la lumière dans le cœur par réflexion interne totale.
Le revêtement est recouvert d’un tampon qui le protège de l’humidité et des dommages physiques. [62] Le revêtement tampon est ce qui est retiré de la fibre pour la terminaison ou l’épissage. Ces revêtements sont des matériaux composites acrylate d’uréthane durcis aux UV ou des matériaux polyimides appliqués à l’extérieur de la fibre pendant le processus d’étirage. Les revêtements protègent les brins très délicats de fibre de verre – de la taille d’un cheveu humain – et lui permettent de survivre aux rigueurs de la fabrication, des tests d’épreuve, du câblage et de l’installation.
Les processus d’étirage de fibres optiques en verre d’aujourd’hui utilisent une approche de revêtement à double couche. Un revêtement primaire interne est conçu pour agir comme un amortisseur afin de minimiser l’atténuation causée par les microcourbures. Un revêtement secondaire externe protège le revêtement primaire contre les dommages mécaniques et agit comme une barrière contre les forces latérales, et peut être coloré pour différencier les brins dans les constructions de câbles en faisceau.
Ces couches de revêtement de fibre optique sont appliquées pendant le tirage de la fibre, à des vitesses approchant les 100 kilomètres par heure (60 mph). Les revêtements de fibres optiques sont appliqués à l’aide de l’une des deux méthodes suivantes : humide sur sec et humide sur humide . En humide sur sec, la fibre passe par une application de revêtement primaire, qui est ensuite durcie aux UV, puis par l’application de revêtement secondaire, qui est ensuite durcie. En humide sur humide, la fibre passe par les applications de revêtement primaire et secondaire, puis passe au durcissement UV.
Les revêtements de fibre optique sont appliqués en couches concentriques pour éviter d’endommager la fibre pendant l’application d’étirage et pour maximiser la résistance de la fibre et la résistance aux microcourbures. Une fibre à revêtement irrégulier subira des forces non uniformes lorsque le revêtement se dilate ou se contracte, et est susceptible d’une plus grande atténuation du signal. Dans le cadre de processus d’étirage et de revêtement appropriés, les revêtements sont concentriques autour de la fibre, continus sur toute la longueur de l’application et ont une épaisseur constante.
L’épaisseur du revêtement est prise en compte lors du calcul de la contrainte subie par la fibre sous différentes configurations de courbure. [75] Lorsqu’une fibre enduite est enroulée autour d’un mandrin, la contrainte subie par la fibre est donnée par
σ = E d f d m + d c {displaystyle sigma =E{d_{f} over d_{m}+d_{c}}}
où E est le module d’Young de la fibre , d m est le diamètre du mandrin, d f est le diamètre de la gaine et d c est le diamètre du revêtement.
Dans une configuration de courbure en deux points, une fibre revêtue est pliée en forme de U et placée entre les rainures de deux plaques frontales, qui sont rapprochées jusqu’à la rupture de la fibre. La contrainte dans la fibre dans cette configuration est donnée par
σ = 1.198 E d f d − d c {displaystyle sigma =1.198E{d_{f} over d-d_{c}}}
où d est la distance entre les faces avant. Le coefficient 1,198 est une constante géométrique associée à cette configuration.
Les revêtements de fibre optique protègent les fibres de verre des rayures qui pourraient entraîner une dégradation de la résistance. La combinaison de l’humidité et des rayures accélère le vieillissement et la détérioration de la résistance des fibres. Lorsque la fibre est soumise à de faibles contraintes sur une longue période, une fatigue de la fibre peut se produire. Au fil du temps ou dans des conditions extrêmes, ces facteurs se combinent pour provoquer la propagation de défauts microscopiques dans la fibre de verre, ce qui peut finalement entraîner une défaillance de la fibre.
Trois caractéristiques clés des guides d’ondes à fibre optique peuvent être affectées par les conditions environnementales : la résistance, l’atténuation et la résistance aux pertes causées par les microcourbures. Les gaines de câbles à fibres optiques externes et les tubes tampons protègent la fibre optique en verre des conditions environnementales qui peuvent affecter les performances et la durabilité à long terme de la fibre. A l’intérieur, des revêtements garantissent la fiabilité du signal transporté et contribuent à minimiser l’atténuation due aux microcourbures.
Structure du câble
Dans les fibres pratiques, la gaine est généralement recouverte d’un revêtement de résine résistant et d’une couche tampon supplémentaire , qui peut être en outre entourée d’une couche de gaine , généralement en plastique. Ces couches ajoutent de la résistance à la fibre mais ne contribuent pas à ses propriétés de guide d’onde optique. Les assemblages de fibres rigides placent parfois du verre absorbant la lumière (“foncé”) entre les fibres, pour empêcher la lumière qui s’échappe d’une fibre d’entrer dans une autre. Cela réduit la diaphonie entre les fibres ou réduit l’ évasement dans les applications d’imagerie de faisceaux de fibres. [76] [77]
Les câbles modernes sont disponibles dans une grande variété de gaines et d’armures, conçues pour des applications telles que l’enfouissement direct dans des tranchées, l’isolation haute tension, la double utilisation comme lignes électriques, [78] [ échec de la vérification ] l’installation dans un conduit, l’arrimage aux poteaux téléphoniques aériens, sous-marin installation et insertion dans les rues pavées. Les câbles multifibres utilisent généralement des revêtements colorés et/ou des tampons pour identifier chaque brin. Le coût des câbles montés sur poteau à petit nombre de fibres a considérablement diminué en raison de la forte demande d’installations de fibre jusqu’au domicile (FTTH) au Japon et en Corée du Sud.
Certaines versions de câbles à fibres optiques sont renforcées avec des fils d’ aramide ou des fils de verre comme élément de résistance intermédiaire . En termes commerciaux, l’utilisation des fils de verre est plus rentable sans perte de durabilité mécanique du câble. Les fils de verre protègent également l’âme du câble contre les rongeurs et les termites.
Questions pratiques
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Installation
Le câble à fibre peut être très flexible, mais la perte de la fibre traditionnelle augmente considérablement si la fibre est pliée avec un rayon inférieur à environ 30 mm. Cela crée un problème lorsque le câble est plié dans les coins ou enroulé autour d’une bobine, ce qui complique les installations FTTX . Les “fibres pliables”, destinées à faciliter l’installation dans les environnements domestiques, ont été normalisées en tant que ITU-T G.657 . Ce type de fibre peut être plié avec un rayon aussi faible que 7,5 mm sans impact négatif. Des fibres encore plus flexibles ont été développées. [79] La fibre pliable peut également être résistante au piratage de la fibre, dans lequel le signal dans une fibre est surveillé subrepticement en pliant la fibre et en détectant la fuite. [80]
Une autre caractéristique importante du câble est sa capacité à résister à une force appliquée horizontalement. Il s’agit techniquement de la résistance à la traction maximale qui définit la force pouvant être appliquée au câble pendant la période d’installation.
Terminaison et épissure
Les fibres optiques sont connectées aux équipements terminaux par des connecteurs de fibres optiques . Ces connecteurs sont généralement de type standard tels que FC , SC , ST , LC , MTRJ , MPO ou SMA . Les fibres optiques peuvent être connectées les unes aux autres par des connecteurs, ou de manière permanente par épissure , c’est-à-dire en joignant deux fibres ensemble pour former un guide d’onde optique continu. La méthode d’épissure généralement acceptée est l’épissure par fusion à l’arc , qui fait fondre les extrémités des fibres avec un arc électrique . Pour des travaux de fixation plus rapides, une « épissure mécanique » est utilisée.
L’épissage par fusion se fait avec un instrument spécialisé. Les extrémités des fibres sont d’abord dépouillées de leur revêtement protecteur en polymère (ainsi que de la gaine extérieure plus robuste, le cas échéant). Les extrémités sont clivées (coupées) avec un couperet de précision pour les rendre perpendiculaires, et sont placées dans des supports spéciaux dans l’épisseur de fusion. L’épissure est généralement inspectée via un écran de visualisation agrandi pour vérifier les clivages avant et après l’épissure. La colleuse utilise de petits moteurs pour aligner les faces d’extrémité ensemble et émet une petite étincelle entre les électrodes au niveau de l’espace pour brûler la poussière et l’humidité. Ensuite, la colleuse génère une étincelle plus grande qui élève la température au-dessus du point de fusiondu verre, fusionnant les extrémités ensemble de façon permanente. L’emplacement et l’énergie de l’étincelle sont soigneusement contrôlés afin que le noyau en fusion et la gaine ne se mélangent pas, ce qui minimise la perte optique. Une estimation de la perte d’épissure est mesurée par la colleuse, en dirigeant la lumière à travers la gaine d’un côté et en mesurant la lumière qui fuit de la gaine de l’autre côté. Une perte d’épissure inférieure à 0,1 dB est typique. La complexité de ce processus rend l’épissage des fibres beaucoup plus difficile que l’épissage du fil de cuivre.
Les épissures de fibres mécaniques sont conçues pour être plus rapides et plus faciles à installer, mais il reste nécessaire de procéder à un dénudage, un nettoyage soigneux et un clivage de précision. Les extrémités des fibres sont alignées et maintenues ensemble par un manchon de précision, souvent à l’aide d’un gel transparent d’adaptation d’indice qui améliore la transmission de la lumière à travers l’articulation. Ces joints ont généralement une perte optique plus élevée et sont moins robustes que les épissures par fusion, en particulier si le gel est utilisé. Toutes les techniques d’épissure impliquent l’installation d’une enceinte qui protège l’épissure.
Les fibres se terminent par des connecteurs qui maintiennent l’extrémité de la fibre avec précision et en toute sécurité. Un connecteur de fibre optique est essentiellement un barillet cylindrique rigide entouré d’un manchon qui maintient le barillet dans sa prise d’accouplement. Le mécanisme d’accouplement peut être pousser et cliquer , tourner et verrouiller ( montage à baïonnette ) ou visser ( fileté ). Le cylindre est généralement libre de se déplacer à l’intérieur du manchon et peut avoir une clavette qui empêche le cylindre et la fibre de tourner lorsque les connecteurs sont accouplés.
Un connecteur typique est installé en préparant l’extrémité de la fibre et en l’insérant à l’arrière du corps du connecteur. Un adhésif à prise rapide est généralement utilisé pour maintenir la fibre en toute sécurité, et un serre -câble est fixé à l’arrière. Une fois que l’adhésif a pris, l’extrémité de la fibre est polie pour obtenir une finition miroir. Différents profils de polissage sont utilisés, selon le type de fibre et l’application. Pour les fibres monomodes, les extrémités des fibres sont généralement polies avec une légère courbure qui fait que les connecteurs accouplés ne se touchent qu’au niveau de leurs noyaux. C’est ce qu’on appelle un polissage par contact physique (PC). La surface incurvée peut être polie à un angle, pour établir un contact physique angulaire (APC)lien. De telles connexions ont une perte plus élevée que les connexions PC, mais une rétro-réflexion considérablement réduite, car la lumière réfléchie par la surface inclinée s’échappe du cœur de la fibre. La perte d’intensité du signal qui en résulte est appelée perte d’écart . Les extrémités des fibres APC ont une faible réflexion arrière même lorsqu’elles sont déconnectées.
Dans les années 1990, la terminaison des câbles à fibres optiques demandait beaucoup de main-d’œuvre. Le nombre de pièces par connecteur, le polissage des fibres et la nécessité de cuire au four l’époxy dans chaque connecteur ont rendu difficile la terminaison des câbles à fibres optiques. Aujourd’hui, de nombreux types de connecteurs sont sur le marché qui offrent des moyens plus simples et moins laborieux de terminer les câbles. Certains des connecteurs les plus populaires sont pré-polis en usine et incluent un gel à l’intérieur du connecteur. Ces deux étapes permettent d’économiser de l’argent sur la main-d’œuvre, en particulier sur les grands projets. Un clivage est fait à une longueur requise, pour se rapprocher le plus possible de la pièce polie déjà à l’intérieur du connecteur. Le gel entoure le point où les deux pièces se rencontrent à l’intérieur du connecteur pour très peu de perte de lumière. [ citation nécessaire ]Les performances à long terme du gel sont une considération de conception, donc pour les installations les plus exigeantes, des pigtails pré-polis en usine d’une longueur suffisante pour atteindre la première enceinte d’épissure par fusion sont normalement l’approche la plus sûre qui minimise le travail sur site.
Couplage en espace libre
Il est souvent nécessaire d’aligner une fibre optique avec une autre fibre optique, ou avec un dispositif optoélectronique tel qu’une diode électroluminescente , une diode laser , ou un modulateur . Cela peut impliquer soit d’aligner soigneusement la fibre et de la placer en contact avec le dispositif, soit d’utiliser une lentille pour permettre le couplage sur un entrefer. Typiquement, la taille du mode fibre est beaucoup plus grande que la taille du mode dans une diode laser ou une puce optique au silicium . Dans ce cas, une fibre conique ou lentilleest utilisé pour faire correspondre la distribution de champ en mode fibre à celle de l’autre élément. La lentille à l’extrémité de la fibre peut être formée par polissage, découpe laser [81] ou épissage par fusion.
Dans un environnement de laboratoire, une extrémité de fibre nue est couplée à l’aide d’un système de lancement de fibre, qui utilise une lentille d’objectif de microscope pour focaliser la lumière jusqu’à un point fin. Une platine de translation de précision (table de micro-positionnement) permet de déplacer la lentille, la fibre ou le dispositif pour permettre d’optimiser l’efficacité du couplage. Les fibres avec un connecteur à l’extrémité rendent ce processus beaucoup plus simple : le connecteur est simplement branché sur un collimateur de fibre optique pré-aligné, qui contient une lentille qui est soit positionnée avec précision par rapport à la fibre, soit réglable. Pour obtenir la meilleure efficacité d’injection dans la Fibre monomode, la direction, la position, la taille et la divergence du faisceau doivent toutes être optimisées. Avec de bons faisceaux, une efficacité de couplage de 70 à 90 % peut être atteinte.
Avec des fibres monomodes correctement polies, le faisceau émis a une forme gaussienne presque parfaite – même dans le champ lointain – si une bonne lentille est utilisée. La lentille doit être suffisamment grande pour supporter l’ouverture numérique complète de la fibre et ne doit pas introduire d’ aberrations dans le faisceau. Des lentilles asphériques sont généralement utilisées.
Fusible fibre
À des intensités optiques élevées, supérieures à 2 mégawatts par centimètre carré, lorsqu’une fibre est soumise à un choc ou est soudainement endommagée, un fusible de fibre peut se produire. La réflexion des dommages vaporise la fibre immédiatement avant la rupture, et ce nouveau défaut reste réfléchissant de sorte que les dommages se propagent vers l’émetteur à 1–3 mètres par seconde (4–11 km/h, 2–8 mph). [82] [83] Le système de contrôle à fibre ouverte , qui assure la sécurité des yeux du laser en cas de rupture de fibre, peut également arrêter efficacement la propagation du fusible de la fibre. [84]Dans des situations, telles que les câbles sous-marins, où des niveaux de puissance élevés peuvent être utilisés sans avoir besoin d’un contrôle de fibre ouverte, un dispositif de protection «fusible à fibre» au niveau de l’émetteur peut couper le circuit pour minimiser les dommages.
Dispersion chromatique
L’indice de réfraction des fibres varie légèrement avec la fréquence de la lumière et les sources lumineuses ne sont pas parfaitement monochromatiques. La modulation de la source lumineuse pour transmettre un signal élargit également légèrement la bande de fréquence de la lumière transmise. Cela a pour effet que, sur de longues distances et à des vitesses de modulation élevées, les différentes fréquences de lumière peuvent prendre des temps différents pour arriver au récepteur, rendant finalement le signal impossible à discerner et nécessitant des répéteurs supplémentaires. [85] Ce problème peut être surmonté de plusieurs façons, y compris l’utilisation d’une longueur de fibre relativement courte qui a le gradient d’indice de réfraction opposé.
Voir également
-
Portail électronique
- Endoscope
- Passe-câbles
- Câble de données
- Détection acoustique distribuée
- Endoscopie
- Amplificateur à fibre
- Réseau de Bragg en fibre
- Laser à fibre
- Système de gestion des fibres
- L’association de la fibre optique
- Queue de cochon en fibre
- Fibroscope
- Fibre Channel
- Optique à gradient d’indice
- Goulot d’étranglement d’interconnexion
- Mode fuite
- Li-Fi
- Pic de lumière
- Bande passante modale
- Amplificateur optique
- Communications optiques
- Réseau maillé optique
- Compteur de puissance optique
- Réflectomètre optique dans le domaine temporel
- Optoélectronique
- Interface optique parallèle
- Fibre à cristaux photoniques
- Perte de retour
- Émetteur-récepteur enfichable à petit facteur de forme
- Soliton , Soliton vectoriel
- Câbles de communication sous-marins
- Fibre optique de diamètre inférieur à la longueur d’onde
- Immunoessai sur fibre optique surround (SOFIA)
- XENPAK
Remarques
- ^ La Lumière infrarouge est utilisée dans la communication par fibre optique en raison de sa faible atténuation
- ^ Cette caractéristique est compensée par la sensibilité de la fibre au rayonnement gamma de l’arme. Le rayonnement gamma provoque une augmentation considérable de l’atténuation optique pendant la salve de rayons gamma en raison de l’assombrissement du matériau, suivi par l’émission par la fibre elle-même d’un flash de lumière vive lors du recuit. La durée du recuit et le niveau d’atténuation résiduelle dépendent du matériau fibreux et de sa température.
- ^ La fibre, dans ce cas, parcourra probablement un itinéraire plus long, et il y aura des retards supplémentaires dus à la commutation des équipements de communication et au processus de codage et de décodage de la voix sur la fibre.
- ^ L’analyse électromagnétique peut également être nécessaire pour comprendre les comportements tels que le chatoiement qui se produisent lorsque la lumière cohérente se propage dans la Fibre multimode.
- ^ Le comportement d’une Fibre multimode à cœur plus large peut également être modélisé à l’aide de l’équation d’onde, qui montre qu’une telle fibre prend en charge plus d’un mode de propagation (d’où son nom). Les résultats d’une telle modélisation de la Fibre multimode concordent approximativement avec les prédictions de l’optique géométrique, si le cœur de la fibre est suffisamment grand pour supporter plus de quelques modes.
- ^ Pour les applications nécessitant des longueurs d’onde spectrales, en particulier dans les longueurs d’onde de l’infrarouge moyen (~ 2–7 μm), une meilleure alternative est représentée par les verres fluorés tels que ZBLAN et I nF 3 .
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Liens externes
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- Conférence vidéo du MIT : Comprendre les lasers et la fibre optique
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