TP Fibres optiques multimodes et monomodes

TP sur les fibres optiques
TP
Fibres optiques multimodes et monomodes
Projet 1 : MANIPULATION DES FIBRES MULTIMODES. OUVERTURE NUMERIQUE........................... 1
1.1 GEOMETRIE DE LA FIBRE............................................................................................................ 1
1.2 PROPRIETES MECANIQUES DES FIBRES.................................................................................. 1
1.3 MESURE DE L'OUVERTURE NUMERIQUE.................................................................................. 2
1.4 LISTE DES INSTRUCTIONS..........................................................................................................3
Projet 2 : FIBRES MONOMODES................................................................................................................ 5
2.1 LES FIBRES MONOMODES .......................................................................................................... 5
2.2 L'APPROXIMATION GAUSSIENNE............................................................................................... 5
2.3 LE COUPLAGE D’UNE FIBRE MONOMODE ................................................................................ 6
2.4 LISTE DES INSTRUCTIONS..........................................................................................................6
Projet 3 : LES FIBRES MONOMODES II..................................................................................................... 9
3.1 LES FIBRES AVEC V > 2.405 ........................................................................................................ 9
3.2 OBSERVATION DES MODES DE LA FIBRE................................................................................. 9

Fibres optiques multimodes et monomodes
1
Projet 1 : MANIPULATION DES
FIBRES MULTIMODES.
OUVERTURE NUMERIQUE
Dans ce premier projet vous allez apprendre
comment préparer les extrémités des fibres pour leur
usage en laboratoire. Vous pourrez observer la
géométrie d'une fibre et vous mesurerez l'ouverture
numérique (NA) d'une fibre multimode de
télécommunication à gradient d'indice.
La méthode qui est présentée pour la détermination
de la NA d'une fibre illustre bien ce qu'il faut retenir.
Une autre technique de mesure, qui est souvent utilisée
en pratique, sera traitée dans le Projet #3.
1.1 GEOMETRIE DE LA FIBRE
Une fibre optique est illustrée en Fig. 1.1. Elle
consiste en un cœur, d'indice de réfraction ncore, de
section transverse cylindro-circulaire de rayon a et de
diamètre 2a, et une gaine optique d'indice ncl, qui
entoure le cœur et a un diamètre extérieur d. Les
valeurs typiques du diamètre de cœur sont de 4 à 8
microns pour les fibres monomodes et de 50 à 100
microns pour les fibres multimodes utilisées en
télécommunications et de 200 à 1000 microns pour les
fibres à large cœur utilisées dans les applications de
transmission de puissance. Les fibres destinées aux
télécommunications ont une valeur de d entre 125 et
140 microns, avec quelques fibres monomodes à 80
microns. Dans les fibres de télécommunication de
haute qualité, le cœur et la gaine sont en verre de silice
avec de faibles quantités d'impuretés dans le cœur
pour accroître légèrement l'indice de réfraction. On
trouve aussi des fibres de moindre qualité ayant un
cœur de silice entouré d'une gaine plastique, ainsi que
des fibres tout-plastique. Ces dernières ont des
coefficients d'atténuation très élevés et sont utilisées
seulement pour les applications demandant de courtes
longueurs de fibre.
Une jaquette protectrice entoure généralement la
fibre. Cette jaquette peut être faite de plastique et avoir
un diamètre extérieur de 250 à 1000 microns.
Cependant la fibre peut aussi être revêtue d'une très
fine couche de vernis ou acrylate. On travaille
actuellement sur des revêtements non organiques :
métaux ou céramiques.
1.2 PROPRIETES MECANIQUES DES
FIBRES
Avant de mesurer la NA d'une fibre il est nécessaire
de préparer ses extrémités de manière à ce que la
lumière puisse être facilement injectée et extraite. La
fibre est clivée par une technique de cassure après
rayure. Une lame de carbure ou de diamant effectue
une amorce de rupture sur la fibre (Fig. 1.2). Une
contrainte longitudinale, appliquée en tirant, fait se
propager la rupture à travers la fibre et la clive selon
une section transverse plane perpendiculaire à l'axe de
la fibre.
En théorie, la force de rupture d'une fibre peut
être très grande, jusqu'à 50kbar (ou 5GPa). Cependant,
du fait de l'inhomogénéité et des défauts, les fibres ne
présentent pas une résistance à la traction de cet ordre.
Avant d'être enroulée sur une bobine, la fibre est étirée
Figure 1.1 Géométrie d'une fibre optique: cœur (core),
gaine (cladding), jaquette (jacket).
Figure 1.2: Clivage d'une fibre. Une rayure est faite avec un
couteau diamanté. La fibre est ensuite étirée pour propager la
rayure à travers la fibre.

projet #1 : Manipulation des fibres optiques. Ouverture numérique
2
par une paire de poulies qui exercent une traction
constante (traction par unité de longueur). Ce procédé
est appelé élongation test. Les fibres commerciales
usuelles sont testées à environ 3kbar (340 MPa), ce qui
équivaut à une traction d'environ 4N sur une fibre de
125 microns de diamètre extérieur. En présence d'une
amorce de rupture cette valeur est considérablement
réduite. La fracture se produit lorsque la contrainte au
point de rupture est égale à la force théorique de
rupture, même si la contrainte moyenne dans le corps
de la fibre est encore très faible.
L'amorce engendre une séquence de ruptures des
liaisons atomiques à la pointe de la fissure. C'est la
raison pour laquelle une fissure droite va produire une
extrémité de fibre clivée plane.
On exige des fibres une grande résistance mais
aussi la flexibilité. Une fracture se produit généralement
aux endroits de grande déformation lorsque la fibre est
courbée. Dans une fibre de rayon d/2 et de rayon de
courbure R, comme montré en Fig: 1.3, la contrainte de
surface sur la fibre est définie comme l'élongation de la
surface de la fibre, (R + d/2)θ - R θ, divisée par la
longueur de l'arc, Rθ. La déformation est donc d/2R.
Bien que les fibres de silice soient faites de manière à
subir des déformations de plusieurs pourcents, on
considère que la limite supérieure de la déformation qui
garantisse la survie de la fibre dans un câble installé est
d'une fraction de 1%. Si l'on prend une limite de
déformation de 0.5 % comme une valeur de sécurité
raisonnable, une fibre de 125 microns de diamètre
pourra survivre à un rayon de courbure de 1,25 cm.
1.3 MESURE DE L'OUVERTURE
NUMERIQUE
La NA d'une fibre dans l'approximation de faible
guidance vaut:
∆= 2nNA core (1.1)
où ncore est soit l'indice de réfraction du cœur pour une
fibre à saut d'indice, soit l'indice de réfraction au centre
du cœur pour une fibre à gradient d'indice, et ∆ est la
différence d'indice relative,
core
clcore
nnn −
=∆ (1.2)
Par exemple, une fibre multimode de
télécommunications typique a ∆=0.01, ce qui est un cas
où l'approximation de faible guidance, qui suppose
∆ « 1, est bien justifiée. Dans les fibres à base de silice,
ncore sera approximativement 1.46. En utilisant l'Eq. 1.1,
ces valeurs de ∆ et de ncore donnent NA=0.2. Cela
donne à l'angle d'incidence maximum une valeur de
11.5 degrés et un angle total de cône de 23 degrés. Les
valeurs de NA vont d'environ 0.1 pour les fibres
monomodes à 0.2-0.3 pour les fibres multimodes,
jusqu'à 0.5 pour les fibres à large cœur.
La manière dont la lumière est injectée dans la
méthode utilisée ici pour mesurer la NA est illustrée en
Fig. 1.4. La lumière venant du laser représente un front
d'onde se propageant dans la direction z. La dimension
transverse du faisceau laser, environ 1 mm, est
beaucoup plus grande que le diamètre du cœur de la
fibre, 100 microns dans le cas présent. Dans le
voisinage du cœur, le front d'onde du rayonnement
laser prend la même valeur en tout point de même z, ce
qui revient à dire que nous avons une onde plane se
propageant parallèlement à l'axe z. Puisque l'onde
incidente sur l'extrémité de la fibre est plane, on est
certain que tous les rayons introduits dans la fibre ont le
même angle d'incidence θc (Fig. 1.4).
Figure 1.3 : contraintes sur une fibre
courbée.
Figure 1.4 : incidence d'une onde plane sur une
fibre.

Fibres optiques multimodes et monomodes
3
La Fig. 1.5 illustre la lumière acceptée par une fibre
multimode Newport F-MLD en fonction de l'angle
d'acceptance dans la méthode qui vient d'être décrite.
Le point où le rayonnement accepté tombe à 5% de la
valeur crête définit l'angle maximum intervenant dans la
détermination expérimentale de la NA. Cette valeur de
5% est un compromis permettant de réduire les
exigences sur le niveau de puissance devant être
distingué du bruit de fond.
Notons que dans la Fig. 1.5 les niveaux de
rayonnement ont été mesurés avec une rotation de la
fibre dans les deux sens et que la NA a été déterminée
en utilisant la moitié de l'angle total entre les deux
points à 5 % d'intensité relative, ce qui élimine les
petites erreurs résultant de l'alignement imparfait de
l'onde plane du laser en θc = 0. La NA obtenue dans ce
cas est 0.29, ce qui est comparable à la spécification
donnée par le fabricant : 0.30.
1.4 LISTE DES INSTRUCTIONS
1.4.1 PREPARATION DES EXTREMITES DE
FIBRES
1. Enlevez la jaquette sur 3-4 cm d'un segment
de fibre F-MLD de 2m à l’aide d’une pince à dénuder.
2. Utiliser l'outil à cliver pour cliver la partie nue
de la fibre. Lisez bien la notice d’utilisation de la
cliveuse. Si vous respectez les instructions de la notice
étape par étape, vous aurez certainement un bon
clivage de la fibre.
3. Nettoyer délicatement les extrémités de la
fibre avec un kleenex imbibé d’éthanol.
4. Vérifier la qualité du clivage en l'examinant au
fiberscope. L'extrémité devrait apparaître plate et ne
doit pas montrer de défauts, comme en Fig.l.6 a).
Cependant, des copeaux ou des éclats qui
apparaissent près de la périphérie de la fibre peuvent
être acceptés s'ils ne s'étendent pas dans la région
centrale. Quelques fibres mal clivées sont illustrées en
Fig. 1.6 b) et c). Observer la géométrie de la fibre
comme elle a été décrite dans l'introduction. Vous
pourrez voir la lumière se réfléchir sur la partie centrale
de la fibre: c'est le cœur. La région entourant le cœur
est la gaine optique. Vous ne pourrez voir la jaquette
puisque vous l'avez enlevée en extrémité.
1.4.2 MESURE DE L'OUVERTURE
NUMERIQUE
1. Enclenchez le laser He-Ne au moyen de
l'interrupteur à clé sur la face de l'alimentation. Ajustez
la position du laser si nécessaire en dévissant les vis du
support laser.
2. Montez la platine de rotation RSX-2 sur la
plaque de base de manière à ce que le faisceau du
laser HeNe passe au-dessus du centre du trou de la
platine de rotation. Pour faciliter la visualisation de l’axe
de rotation de la platine, vissez une tige au centre de la
platine avec une vis sans tête à son extrémité. La
platine RSX-2 devra être placée à un certain angle par
rapport à la ligne de trous de manière à pouvoir être
vissé en place comme indiqué en Fig. 1.7. Fixez le
support de montant MPH-1 sur la platine de rotation et
placez le montant MSP-1 à l'intérieur comme en Fig.
1.7, 3. Installez le segment de fibre préparée en
section 1.4.1 : Le support de fibre FPH-S est une partie
Figure1.5 : données enregistrées lors de la
mesure de la NA de la fibre Newport F-MLD
Figure 1.6 : Extrémités de fibres clivées. (a), clivage
correct, malgré un éclat en bord de gaine. (b), fibre
fissurée, clivage incorrect. (c), vue de côté d'une lèvre à
l'extrémité de la fibre, clivage incorrect.

projet #1 : Manipulation des fibres optiques. Ouverture numérique
4
du positionneur de fibre FP-1. Introduisez une extrémité
de fibre dans un support de fibre FPH-S. Placez ce
support dans le positionneur de fibre FP-1 qui aura été
monté sur la platine de rotation RSX-2 en utilisant le
support de montant de la série MPH et le montant de la
série MSP.
4. Tirez l'extrémité de la fibre et orientez le
positionneur FP-1 de façon à ce que l'extrémité de la
fibre soit à l’aplomb de l’axe de rotation de la platine.
Ceci est une étape cruciale pour l'obtention d'une
valeur précise de l'ouverture numérique de la fibre.
5. Vérifiez l'alignement de votre système
d'injection, de lumière en vous assurant que le bout de
la fibre reste au centre du faisceau laser lorsque la
platine tourne. Cette disposition réalise l'injection d'une
onde plane à l'ouverture de votre fibre.
6. Montez l'autre extrémité de la fibre dans un
support de fibre FPH-S (pris sur un positionneur de
fibre FP-1) et le positionneur FP-1. Vous pouvez avoir
une rapide mesure approximative de l'ouverture
numérique avec une carte placée à une distance L de
l'extrémité de la fibre, loin du laser dans une pièce
sombre comme montré en Fig. 1.8. Mesurez la largeur
W de la tache lumineuse sur la carte, et la distance
fîbre-carte, L. La NA est environ
NA = ⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛
−L
w
2
tan 1
Ceci est une mesure moins précise que l'on utilise
lorsqu'une estimation rapide de la NA est requise.
7. Montez la tête détectrice de l'instrument de
mesure de puissance Modèle 815 de manière à ce que
le faisceau de sortie de la fibre tombe sur la tête
détectrice, comme illustré en Fig. 1.7. Réalisez un
cache au moyen d'une feuille de canson noir pour
protéger le détecteur de la lumière ambiante diffuse.
Vous constaterez que cela est une précaution utile car
les niveaux de puissance obtenus par excitation avec
une onde plane sont faibles. Interceptez le faisceau
laser et notez la puissance mesurée par l'appareil. Cela
définira le niveau de la lumière diffuse vue par le
détecteur. Vous devrez soustraire cette valeur de vos
résultats de mesure ultérieurs.
8. Mesurez la puissance acceptée par la fibre en
fonction de l'angle d'incidence de l'onde plane du laser.
Utilisez les directions positives et négatives de rotation
pour compenser les erreurs d'alignement restantes.
9. Reportez la puissance reçue par le détecteur
en fonction du sinus de l'angle d'acceptance. On
recommande l'utilisation d'une échelle semi-
logarithmique. Mesurez la largeur totale de la courbe
aux points où la puissance reçue est à 5 % de
l'intensité maximale. La demi-largeur à cette intensité
est l'ouverture numérique de la fibre déterminée
expérimentalement. Comparez ce résultat avec le
résultat du point 6 et celui de la figure 1.5.
Figure 1.8 : mesure approchée de l'ouverture numérique d'une
fibre.
Figure 1.7 : montage expérimental permettant la mesure de
l'ouverture numérique.