La fibre optique ou comment guider la lumière ?

La fibre optique ou comment guider la lumière ?
Faculté des Sciences – Département de Physique
Ibrahim Khaled et Christophe Servranckx
Comment transmettre de l’information par la lumière ?
Comment la lumière voyage t'elle dans les fibres ?
Quels sont les mécanismes qui entrent en jeux ?
C'est précisément sur ces mécanismes physiques que nous allons tenter de faire la lumière !
Principe du guide d’ondes lumineuses ?
Le fonctionnement d'une fibre optique repose sur trois principes intimement liés: La réflexion totale interne,
la loi de Snell-Descarte et l'indice de réfraction. Voyons donc comment ceux-ci sont reliés les uns aux
autres.
La lumière peut se déplacer plus lentement dans un milieu, par exemple de l'eau, que dans un autre,
disons l'air. En traversant la frontière entre les deux milieux, sa vitesse augmente et sa trajectoire est déviée,
c'est le phénomène de réfraction.
Si l'angle atteint une valeur particulière, le rayon lumineux est réfléchi par la surface de l'eau et n'est plus
ou en partie, réfracté par cette dernière. Lorsque plus aucune réfraction n'est observée la réflexion est dite
totale. L'eau sert ainsi de "guide d'onde lumineuse" de par les réflexions successives qui s'opèrent en son sein
(on parlera de réflexion interne).
Plus concrètement, la manière dont la lumière va se comporter dans un milieu est caractérisée par l'indice
de réfraction n de ce dernier. Cet indice est donc propre à chaque milieu et est déterminé par le rapport
entre la vitesse de la lumière dans le vide (c) et la vitesse de la lumière dans le milieu (v). Nous avons donc
𝐜𝐜
𝐧𝐧 =
𝐯𝐯
Dès lors nous pouvons relier l'indice de réfraction, les angles d'incidence (𝜽𝜽𝟏𝟏 ) et de réfraction (𝜽𝜽𝟐𝟐 ) et la
vitesse des deux milieux par une loi d'optique connue depuis longtemps, la loi de Snell-Descarte :
𝒏𝒏𝟏𝟏 𝐬𝐬𝐬𝐬𝐬𝐬(𝜽𝜽𝟏𝟏 ) = 𝒏𝒏𝟐𝟐 𝐬𝐬𝐬𝐬𝐬𝐬(𝜽𝜽𝟐𝟐 ).
On peut encore l'exprimer en termes de vitesses si l'on admet donc que l'indice de réfraction d'un milieu
est lié à la vitesse de propagation de la lumière dans le milieu :
𝒏𝒏𝒊𝒊 ∝
𝟏𝟏 𝐬𝐬𝐬𝐬𝐬𝐬(𝜽𝜽𝟏𝟏 ) 𝐯𝐯𝟏𝟏
→
=
𝐯𝐯𝐢𝐢 𝐬𝐬𝐬𝐬𝐬𝐬(𝜽𝜽𝟐𝟐 ) 𝐯𝐯𝟐𝟐
On voit que si 𝜽𝜽𝟏𝟏 = 𝜽𝜽𝟐𝟐 , ce qui correspond au phénomène de réflexion et non plus de réfraction, alors 𝒏𝒏𝟏𝟏 =
𝒏𝒏𝟐𝟐 (milieux 1 = milieux 2) et la réflexion est dite interne. Notons qu'une ultime condition s'impose pour qu'on
puisse parler de guide d'onde: l'indice de réfraction (𝒏𝒏𝒄𝒄 )du milieux dans lequel se propage l'onde, appelé le
"cœur", doit-être supérieur à celui (𝒏𝒏𝒈𝒈 )du second milieux appelé "gaine" →
comprendre ce qui se passe avec une fibre optique.
𝒏𝒏𝒄𝒄 > 𝒏𝒏𝒈𝒈 . Nous voilà armé pour
On injecte un faisceau laser dans un premier bout qui voyage ainsi tout le long de la fibre par de
multiples réflexions jusqu‘à atteindre l'autre bout. La fibre optique possède un paramètre qui détermine un
cône d'acceptation, on l’appel ouverture numérique. On note qu’il y a très peu de pertes (qui dépendent
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de la longueur d'onde) et ce malgré les grandes distances que doit parcourir le signal. Enfin, plusieurs
signaux peuvent parcourir simultanément une fibre à des longueurs d'onde et donc des fréquences
différentes. C'est ce qu'on appelle le multiplexage.
Nos expériences
Les 2 expériences qui vous ont été montrées illustrent parfaitement les
principes qui ont été expliqués ci-dessus. De plus, ils montrent clairement l'utilité
des fibres optique dans l'utilisation qu'on en fait de nos jours. Voyons ceci en
détail.
 La fontaine lumineuse
Cette expérience illustre bien le phénomène de réflexion interne totale.
Un laser, notre faisceau lumineux, est pointé vers un miroir incliné à l'intérieur
d'un aquarium contenant de l'eau. La réflexion est telle que le faisceau est réfléchi dans un trou sur l'un des
côtés de l'aquarium. Par ce trou s'échappe de l'eau de manière continue et sans (trop de) perturbations.
On remarque qu'au lieu de poursuivre une trajectoire rectiligne, le faisceau est guidé par l'eau et ce par le
phénomène de réflexion interne totale. Quelques réflexions sont même visibles à l'œil nu ! L'eau qui a un
indice de réfraction ≈ 1,33, joue ainsi le rôle de "cœur" (ce qui correspond à la silice (= verre) dans les fibres
optiques) tandis que l'air dont l'indice de réfraction vaut ≈ 1,00, joue le rôle de gaine.
Notons que nous pouvons pointer le laser directement vers le trou en nous plaçant à l'opposé de celui-ci
mais le miroir nous procure une plus grande liberté quant à l'injection du faisceau dans le jet d'eau.
Enfin, nous pouvons également utiliser de la fluorescéine couplée à un laser de couleur vert afin de voir les
multiples réflexions à la lumière du jour.
 Le guidage d'onde par fibre optique
De par cette deuxième expérience nous voyons l'utilité des fibres optiques lorsqu'il
s'agit de franchir des obstacles.
Un faisceau laser modulé à une certaine fréquence est envoyé directement vers
un récepteur. Celui-ci converti le signal lumineux en impulsions électriques
transmises à un baffle. Aucun problème ne se fait ressentir et une musique se fait
entendre. Si nous insérons maintenant un obstacle entre le laser et le récepteur la
musique s'arrête directement.
Mais si nous plaçons une des deux extrémités d'une fibre optique en face du
laser et la seconde de ses extrémités en face du récepteur la musique nous parvient à nouveau pour notre
plus grand bonheur.
 Quelques mesures possibles en labos.
Quelques mesures autour de la fibre optique sont
réalisables avec peu de matériel. Nous pouvons ainsi
calculer l'ouverture numérique ou encore le coefficient
d'atténuation d'une fibre optique.
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