Technologie de l`optique guidée

MASTER PRO 2 EN TELECOMMUNICATIONS
TECHNOLOGIE DE L’OPTIQUE GUIDEE
Leçon 1 :PRINCIPE,PROPRIETESETTECHNOLOGIES
DELAFIBREOPTIQUE
Equipe des concepteurs :
- Martin KOM
- Jean EYEBE FOUDA
- Guillaume KOM
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commerciale, Partage des conditions initiales à l'identique)..
REPUBLIQUE DU CAMEROUN
Paix - Travail – Patrie
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UNIVERSITE DE YAOUNDE I
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ECOLE NATIONALE SUPERIEURE
POLYTECHNIQUE
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REPUBLIC OF CAMEROUN
Peace - Work – Fatherland
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UNIVERSITY OF YAOUNDE I
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NATIONAL ADVANCED SCHOOL
OF ENGENEERING
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Séquence 1 : Principe, Propriétés et Technologies de
la fibre optique
Séquence 1 1ère partie
1.1 Principe de fonctionnement de la fibre optique
1.1.1 Bases théoriques du guidage de la lumière
1.1.1.1 la lumière : propriétés fondamentales
La lumière, au sens strict du terme, est constituée par la partie visible du spectre
électromagnétique et les rayonnements de longueurs d’onde voisines : infrarouge et
ultraviolet. Pour rappel, c’est le champ d’application de l’optique. A cette partie du spectre
électromagnétique correspondent les rayons dits rayonnements optiques.
Fig 1.1: Rayonnements optiques: désignations et répartition spectrale
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La lumière présente à la fois un aspect ondulatoire et un aspect corpusculaire.
Considérée sous son aspect ondulatoire, la lumière apparaît constituée d’ondes
électromagnétiques émises lors des transitions électroniques entre niveaux d’énergie des
atomes de la source (filament de tungstène, soleil, lampe tempête, diode led, laser,…). Ces
ondes se propagent dans le vide à la vitesse : c = 299792 km/s et dans la matière à une vitesse
v=c/n (1)
où n est l’indice de réfraction du milieu. La fréquence υ et la longueur d’onde λ sont
liées par la relation : λ=v/ υ (2)
soit dans le vide λ=c/ υ (3)
Une onde lumineuse monochromatique est formée d’un champ électrique et d’un
champ magnétique orthogonaux, perpendiculaires à la direction de propagation et variant
sinusoïdalement en phase. Les différents atomes de la source (hormis le cas du laser),
émettent des ondes dont les phases et les directions des champs sont indépendantes et qui pour
un même atome varient aléatoirement au cours du temps. Ces ondes ne peuvent donc être
monochromatiques. L’utilisation d’un polariseur permet d’obtenir un rayonnement dont les
champs électrique et magnétique ont une direction constante dans l’espace : l’onde est
polarisée.
L’aspect corpusculaire de la lumière ressort lors de son interaction avec la matière : la
lumière, comme d’ailleurs tout rayonnement électromagnétique, est constituée de particules
appelées photons, chacun étant le support d’une énergie élémentaire Wф= hυ, h étant la
constante de Planck, égale à 6,6256*10-34J.S
D’autre part, dans la matière, les électrons sont liés aux atomes et exigent pour devenir
libres, une énergie Wl qui est leur énergie de liaison. L’absorption d’un photon provoquera la
libération d’un électron à condition que
Wф ≥ Wl, soit υ≥ Wl/h ou λ≤hc/ Wl (4)
La longueur d’onde maximale susceptible de provoquer la libération d’un électron
dans un matériau donné est la longueur d’onde seuil λs=hc/ We. (5)
Soit λs (µ m)= 1,237/ We.(ev) (6)
De façon plus générale, le type de charges libérées par le rayonnement dépend de la nature du
matériau éclairé :
- paires électron-trou dans les isolants et les semi-conducteurs très purs. Fig I-3.a.
- électrons dans les semi-conducteurs dopés par les atomes donneurs Fig I-3.b.
- trous dans les semi-conducteurs dopés par les atomes accepteurs. Fig I-3.c.
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Fig 1.2: Influence de la nature du matériau éclairé sur le type de charges libérées par le
rayonnement
La libération des porteurs sous l’influence d’un rayonnement lumineux constitue l’effet
photoélectrique : il se traduit par une modification des propriétés électriques du matériau et
est le principe de base des composants optoélectroniques.
Selon la nature du dispositif éclairé, l’effet photoélectrique se manifeste sous diverses formes
qui sont :
- l’effet photoconducteur
- effet photovoltaique
- effet photoémissif
- effet photoélectromagnétique
l’effet photoconducteur est la base des composants optiques récepteurs de lumière. Alors que
l’effet photoémissif est à l’origine des composants émetteurs de lumière. Le principe de
fonctionnement de ces composants opotoélectroniques sera examiné ultérieurement.
1.1.1.2 Lumière, support d’information
Pour les rayonnements optiques comme pour le courant électrique, on peut distinguer
deux types fondamentaux d’application :
- les applications énergétiques, comme l’éclairement ;
- les applications « informationnelles », dans lesquelles la lumière sert de support à des
informations dont elle assure la transmission. Sur le tableau suivant, on donne
quelques exemples de modifications possibles que l’on peut apporter à un des
paramètres du rayonnement en vue d’assurer une transmission d’information
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Paramètre du rayonnement Caractère de la modification
Direction de propagation déviation
Atténuation
p
ar absor
p
tion Flux
Modulation par tout ou rien
Fréquence Changement de fréquence
(effet Doppler)
Intensité
Longueur d’onde
Répartition spectrale de l’énergie
Phase Déphasage entre deux rayons dû à
une différence de marche
Polarisation Rotation du plan de polarisation par
biréfringence.
Tableau 1.1: Modifications possibles d’un rayonnement optique
Un certain nombre de ces paramètres peut être modifié simultanément (Direction de
propagation, flux, intensité) ; c’est ce qui rend possible l’emploi de la lumière comme support
d’information dans une fibre optique, comme nous allons le montrer par la suite.
1.1.1.3 Rappels : Réfraction et réflexion de la lumière à la surface de séparation de
deux milieux diélectriques d’indices différents.
- 1er cas : n1 < n2
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