Mines Physique 2 PC 2011 — Énoncé 1/6
´
ECOLE DES PONTS PARISTECH
SUPAERO(ISAE),ENSTAPARISTECH,
TELECOMPARISTECH,MINES PARISTECH,
MINESDESAINT´
ETIENNE,MINESDENANCY,
T´
EL ´
ECOMBRETAGNE,ENSAEPARISTECH (FILI`
ERE MP)
´
ECOLE POLYTECHNIQUE(FILI`
ERE TSI)
CONCOURS DADMISSION 2011
SECONDE´
EPREUVEDEPHYSIQUE
Fili`
ere PC
(Dur´
ee del´
epreuve:4heures)
Lusagedelacalculatrice estautoris´
e
Sujetmis `
adisposition desconcours:Cycle international, ENSTIM,TELECOMINT,TPEEIVP
Lescandidats sontpri´
esdementionnerdefac¸on apparentesurla premi`
erepagedelacopie:
PHYSIQUEII PC.
L´
enonc´
ede cette´
epreuve comporte6 pages.
Si, aucoursdel’´
epreuve,un candidatrep`
ere ce quiluisemble ˆ
etreune erreurd´
enonc´
e,il estinvit´
e`
ale
signalersursa copie et`
apoursuivresa compositionenexpliquantlesraisonsdesinitiativesquil aura´
et´
e
amen´
e`
aprendre.
Ilnefaudrapash´
esiter`
aformulerlescommentaires(incluantdesconsid´
erationsnum´
eriques)quivous
semblerontpertinents,mˆ
eme lorsquel’´
enonc´
enele demandepasexplicitement. Lebar`
eme tiendra compte
de cesinitiativesainsiquedesqualit´
esder´
edaction dela copie.
FIBREOPTIQUE`
ASAUTDINDICE
L´
epreuve estconstitu´
ee detroispartiesind´
ependantes.Lapremi`
erepartie concernel´
etudedela
propagation delalumi`
eredansunebreoptiquedansle cadredeloptiqueg´
eom´
etrique.Ladeuxi`
eme
partie compl`
etelapremi`
ere en´
etudiant lastructuretransverseduneonde´
electromagn´
etiquedansla
bre,et lesconditionsdobtention dunebremonomode.Enn,laderni`
erepartietraitedeseffets
non lin´
eairesdanslabre,notammentdeleffetKerr optique.Apr`
esunemod´
elisation microscopique
de ce dernier,on sint´
eresse au ph´
enom`
enedauto-modulation dephase et`
alexistence possiblede
solitonsoptiques.Lesapplicationsnum´
eriques serontdonn´
eesavec 3chiffres signicatifs.
Unebreoptique`
asautdindice,repr´
esent´
ee surlagure1estform´
ee dun cœurcylindrique en
verredaxe(Ox),dediam`
etre2aetdindice nentour´
edunegaineoptiquedindice n1l´
eg`
erement
inf´
erieur`
an.Lesdeux milieux sontsuppos´
eshomog`
enes,isotropes,transparentsetnon charg´
es.Un
rayon situ´
edansleplan(Oxy)entredanslabre au pointOavec un angledincidence
θ
.An dene
pasconfondrelangleidincidence surlagaine avec lenombre complexeimaginairepurdemodule
1,on notera ce dernierjtelquej2=1.Quelquesconstantes sontdonn´
eesenn d´
epreuve.Les
vecteurs sontsurmont´
esdun chapeau,b
ux,sils sontunitairesou dune`
eche,~
E,dansle casg´
en´
eral.
I.Approcheg´
eom´
etriquedelapropagation
Danscettepartie,lesrayonslumineux sontsuppos´
esissusduneradiation monochromatiquede
fr´
equence f,depulsation
ω
etdelongueurdonde
λ
danslemilieuconstituant le cœur.
1Lesdiff´
erentsanglesutiles sontrepr´
esent´
es surlagure1.`
Aquelle condition suri,angle
dincidence `
alinterface cœur/gaine,lerayon reste-t-il conn´
e`
alint´
erieurdu cœur?On notei
langledincidence limite.
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Mines Physique 2 PC 2011 — Énoncé 2/6
x
gaine d’indice (milieu 1)n1
gaine d’indice (milieu 3)n1
ur d’indice (milieu 2)n
y
+a
-a
O
air
indice 1,000
i
r
µ
FIG.1 – Fibreoptique encoupe
2Montrerquela condition pr´
ec´
edente estv´
eri´
ee si langledincidence
θ
est inf´
erieur`
aun
anglelimite
θ
donton exprimeralesinusenfonction deneti.En d´
eduirelexpression delouverture
num´
eriqueON=sin
θ
delabre enfonction denetn1uniquement.
3Donnerlavaleurnum´
eriquedeONpourn=1,50 etn1=1,47.
Onconsid`
ereunebreoptiquedelongueurL.Lerayon entredanslabre avec un angledincidence
θ
variable comprisentre0et
θ
.On noteclavitessedelalumi`
eredanslevide.
4Pourquellevaleurdelangle
θ
,letempsdeparcoursdelalumi`
eredanslabre est-il minimal?
maximal?Exprimeralorslintervalledetemps
δ
tentreletempsdeparcoursminimaletmaximalen
fonction deL,c,netn1.
5On pose2=1(n1/n)2.Onadmetquepourlesbresoptiques1.Donnerdansce cas
lexpression approch´
ee de
δ
tenfonction deL,c,net.Onconservera cette expression de
δ
tpourla
suitedu probl`
eme.
Oninjecte`
alentr´
ee delabreuneimpulsion lumineuse
dunedur´
ee caract´
eristiquet0=t2t1form´
ee parun fais-
ceau derayonsayantun angledincidence comprisentre0
et
θ
.Lagure2ci-contrerepr´
esentelalluredelamplitude
Adu signal lumineux enfonction du tempst.
6Reproduirelagure2enajoutant`
alasuitelal-
luredu signal lumineux `
alasortiedelabre.Quelle est la
dur´
ee caract´
eristiquet
0delimpulsion lumineuse ensortie
debre ?
Le codagebinairedelinformation consiste`
a envoyerdes
impulsionslumineuses(appel´
ees«bits»)p´
eriodiquement
avec unefr´
equence d´
emission F.
t
A
t0
t1t2
FIG.2 – Impulsion lumineuse
7Ensupposantt0n´
egligeabledevant
δ
t,quelle condition portantsurlafr´
equence d´
emission
Fexprimelenon-recouvrementdesimpulsions`
alasortiedelabreoptique ?
Pourunefr´
equence Fdonn´
ee,on d´
enit lalongueurmaximaleLmaxdelabreoptiquepermettant
d´
eviterleph´
enom`
enederecouvrementdesimpulsions.Onappellebandepassantedelabrele
produit B=Lmax·F.
8ExprimerlabandepassanteBenfonction dec,net.
9Calculerlavaleurnum´
eriquedeetdelabandepassanteB(exprim´
ee enMHz·km)avec les
valeursdenetn1donn´
eesdanslaquestion 3.Pourun d´
ebit dinformation deF=100 Mbits.s1=
100 MHz,quellelongueurmaximaledebreoptiquepeut-on utiliserpourtransmettrelesignal?
CommenterlavaleurdeLmaxobtenue.
FIN DELA PARTIEI
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Mines Physique 2 PC 2011 — Énoncé 3/6
II.Approcheondulatoire delapropagation
10 `
Aquelle condition sur
λ
etal´
etudeg´
eom´
etriquedelabremen´
ee danslapartiepr´
ec´
edente
cesse-t-elledˆ
etrevalable ? Dansce cas,une approcheondulatoiredelapropagation estn´
ecessaire.
II.A.´
Etudedelastructure transversedelonde
Enlumi`
eremonochromatique,seulescertainesformesdondes,appel´
ees«modes»,peuventsepro-
pagerdanslabre.Chaquemodesepropage`
aunevitessediff´
erente,ce quiengendrel´
etalementdes
impulsionslumineusesetdoncr´
eduit labandepassante.Pouram´
eliorerlesperformances,lesfabri-
cantsdebresoptiquesont´
et´
e amen´
es`
a´
elaborerdesbres`
asautdindice dites«monomodes»:un
seulmodepeutsy propager,ce quiapoureffetdediminuerconsid´
erablement l´
etalementdesim-
pulsions.Labandepassantedesbresmonomodesestainsibeaucoup plus´
elev´
ee que celle calcul´
ee
`
alaquestion 9.Cettepartieseproposed´
etudierlesconditionsdobtention dunebreoptique`
asaut
dindice monomode.
On´
etudiedonclapropagation dun champ´
electromagn´
etiquedepulsation
ω
dansladirection des
xpositifs.Poursimplier,on selimite aux solutionspourlesquelles~
Eestpolaris´
esuivantb
uz,avec
(b
ux,b
uy,b
uz)tri`
edredirect.On note
~
E1le champ´
electriquedanslemilieu 1 y<adindice n1
~
E2le champ´
electriquedanslemilieu 2 a<y<adindice n
~
E3le champ´
electriquedanslemilieu 3 y>adindice n1
En notation complexe,etensimpliant lag´
eom´
etriedu syst`
eme,leschamps sontrecherch´
es sousla
forme:
~
Es=es(y)ej(
ω
tkx,sx)b
uzavec kx,sr´
eelets=1,2 ou 3
11 En utilisant lesrelationsdepassage`
alatravers´
ee dun dioptre entredeux milieux di´
electriques
non charg´
es,montrerquekx,1=kx,2=kx,3=kx.
12 En utilisant l´
equation depropagation du champ~
Edansun milieu di´
electriquedindice n,
montrerquelesfonctionses(y)sontsolutionsdel´
equation diff´
erentielle
d2es
dy2
µ
ses=0 pours=1,2et3
On donneralexpression de
µ
spourchacunedestroisr´
egionsenfonction dekx,
ω
,cetnou n1.
An quelabreoptiquesoit effectivementun guidedonde,on doit xerlesparam`
etres
µ
sde cette
´
equation detellemani`
erequeses solutions soientdesondes stationnaires suivant(Oy)dansle cœur,
et´
evanescentes suivant(Oy)danslagaine.Danslestroisr´
egionsconsid´
er´
ees,lesfonctionses(y)
s´
ecrirontdoncsouslaforme
e1(y)=Ae
α
y
e2(y)=Bej
β
y+
ε
ej
β
y
e3(y)=
ε
Ae
α
y
o`
u
α
et
β
sontdeux r´
eelspositifs.LescoefcientsAetBsontx´
esgrˆ
ace aux conditionsaux limitesdu
probl`
eme et leparam`
etre
ε
=±1 permetdobtenirlesdeux famillesdesolutions.On poserak=n
ω
/c
etkx=kcosro`
ulangler[0,
π
/2]correspond `
alangleder´
eexion repr´
esent´
esurlagure1.
13 Exprimer
β
enfonction deketr,puis
α
enfonction dek,r,netn1.
14 Pournetn1donn´
es,quelle est lavaleurmaximalerder?En d´
eduirelavaleurminimalei
deietcommenterler´
esultatobtenu.
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15 `
Apartirdes´
equationsdeMaxwell,d´
eterminerlexpression delarepr´
esentation complexe
du champmagn´
etiquedanschacun destroismilieux.
16 On pose
δ
=e
α
aet
γ
=ej
β
a.En utilisant lesrelationsde continuit´
edeschampseny=a,
obtenirdeux ´
equationsliantA,B,
ε
,
α
,
β
,
γ
et
δ
.
17 En d´
eduire,danschacun descas
ε
= +1 ou
ε
=1,larelation quedoiventv´
erier
α
,
β
eta.Montrerquelar´
eunion desdeux cas ser´
esume enla condition
β
a+arctan(
β
/
α
)=p
π
/2avec
pZ.Onrappellequesi
ϑ
>0,alorsarctan(
ϑ
)=
π
/2arctan(
ϑ
1).
Comme
β
et
α
sontdesfonctionsder,on pose
β
a+arctan(
β
/
α
)=f(r).Pouradonn´
e,on admetque
lafonction r7−f(r)eststrictementcroissantesur[0,r].Quand elle existe,lasolution del´
equation
f(r)=p
π
/2estdoncunique.
Onsouhaiter´
ealiserunebremonomode,cest-`
a-direunebredanslaquellelanglernepuisse
prendrequuneseulevaleurpourlaradiation delongueurdonde
λ
=2
π
/kutilis´
ee.Pourlesappli-
cationsnum´
eriques,on prendra
λ
=709 nm.
18 D´
eterminerlavaleurmaximalefmaxdef(r)surlintervalle[0,r].Montrerquesip=1,
labre estmonomodequellesquesoient lesvaleursdeaet
λ
.Montrerquesip2,l´
equation
f(r)=p
π
/2 nadesolution quesia>ao`
uaestun rayon minimalquelon exprimera enfonction
dep,
λ
,netn1.
19 Danslapratique,an der´
ealiserunebremonomode,on prendraun rayon a<aetseul le
mode associ´
e`
ap=1sepropageradanslabre.Calculerlavaleurdeapourp=2etcommenterle
r´
esultatobtenu.
II.B.Dispersion intramodale
Mˆ
emedansunebremonomode,un autreph´
enom`
eneprovoquel´
etalementdesimpulsionslumi-
neuses.Eneffet,le cœurdesilice estun milieu dispersif,cest-`
a-direqueson indice optiqued´
epend
delafr´
equence du rayonnement.Aux fr´
equencesoptiques,lesbresoptiques sontg´
en´
eralement le
si`
egedunedispersion dite«anomale»,pourlaquellelescomposanteshautefr´
equence sepropagent
plusvitequelescomposantesbassefr´
equence.
Or,ladur´
ee niedespaquetsdonde´
emisparles sources
impliquequelondequisepropagedanslabrenest
jamais strictementmonochromatique.Touteslescompo-
santesfr´
equentiellesdu paquetdondenesepropageantpas
`
alamˆ
emevitessedanslabre,un ´
elargissement tempo-
reldelimpulsion apparaˆ
ıt aucoursdelapropagation.Ce
ph´
enom`
ene estappel´
e«dispersion intramodale»ou «dis-
persion chromatique».
20 Lagure3repr´
esenteleprol temporeldu
champ´
electriquescalaireE(0,t)dun paquetdonde
«gaussien»inject´
e`
alentr´
ee x=0 delabre.Lorigine
destempsestchoisietellequele centredu paquetdonde
passe enx=0`
at=0.
Repr´
esenterlalluredu prol temporeldu champ´
electrique
scalaireE(xx´
e,t)du paquetdonde apr`
espropagation dans
labre.
E(0,t)
t
FIG.3 – Paquetgaussien
FIN DELA PARTIEII
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III.Ph´
enom`
eneoptiquenonlin´
eaire :effetKerr
Quand lamplitudedu champ´
electriquedelondesepropageantdansle cœurdelabrenestplus
n´
egligeable(i.e.1%)devant le champ´
electriqueintra-atomique assurant la coh´
esion delatome,
desph´
enom`
enesoptiquesnon lin´
eairespeuventapparaˆ
ıtre.
21 Onrappellequelapuissance parunit´
edesurface transport´
ee dansun milieu dindice npar
uneondeplaneprogressivedamplitudeE0,aussiappel´
ee intensit´
elumineuse,s´
ecrit I=n
ε
0cE2
0/2.
D´
eterminerlordredegrandeurdelintensit´
elumineuse au del`
adelaquellelapropagation peutdon-
nerlieu`
adesph´
enom`
enesoptiquesnon lin´
eaires?Quelleinvention du XXesi`
ecle a-t-ellepermis
datteindredetellespuissances surfaciques?
III.A.Mod´
elisation microscopique
Danscettepartie,on proposeunemod´
elisation microscopiquedesinteractionslumi`
ere/mati`
ereper-
mettantdexpliquerleffetKerr optique,cest-`
a-direlapparition dunevariation dindice dansle
milieu proportionnelle`
alintensit´
edu faisceaulumineux quisy propage.Lemod`
elemicroscopique
del´
electron li´
esuft ici`
arendre comptedespropri´
et´
esessentiellesquelon cherche`
amettre en
´
evidence.On notez(t)l´
ecart`
alaposition d´
equilibredun ´
electron demassemetde chargee.
Souslaction delaforce exerc´
ee parun champ´
electrique~
E=E0cos(
ω
tkx)b
uzdefortepuissance
polaris´
esuivantOz,on supposequel´
electron est,par r´
eaction,soumis`
auneforce derappelcompor-
tantun termeharmonique etun termede correction anharmonique:
~
F=m
ω
2
0z+
κ
m2
ω
3
0
¯
hz3b
uz
o`
u
ω
0est lapulsation der´
esonance delatome et¯
h=h
2
π
la constantedePlanckr´
eduite.Danstoute
cettepartie,on supposequelapulsation delondeincidente estdiff´
erentedelapulsation der´
esonance
du syst`
ememais sufsamentprochede celle-cisoit
ω
6=
ω
0mais
ω
ω
0.On note´
egalement :
Nlenombredatomesparunit´
edevolume
χ
L=2
ω
2
0
ω
2lasusceptibilit´
elin´
eaire,avec 2=Ne2
ε
0m
nL=1+
χ
Llindice du milieu«lin´
eaire»
ξ
=
κω
3
0
(
ω
2
0
ω
2)3
(eE0)2
m¯
h
22 Quelle est ladimension du coefcient
κ
traduisant limportance du ph´
enom`
enenon lin´
eaire ?
23 ´
Etablirl´
equation v´
eri´
ee parlafonction z(t).
Pour r´
esoudre cette´
equation,on utiliseun d´
eveloppementperturbatifaux diff´
erentespuissancesde
κ
.On pose alorsz(t)=z0(t)+
κ
z1(t)avec z0(t)solution del´
equation diff´
erentiellelin´
eaireobtenue
pour
κ
=0,etz1(t)perturbation obtenue en ne conservantdansl´
equation diff´
erentiellequelestermes
du premierordre en
κ
.
24 D´
eterminerlexpression dez0(t).
25 D´
eterminerl´
equation diff´
erentiellev´
eri´
ee parz1(t).Onadmettraquesi
ω
estsufsament
prochede
ω
0lasolution de cette´
equation s´
ecrit
z1(t)≃ −
ξ
4
κ
eE0
m3
ω
2
0
ω
2cos(
ω
tkx)+1
ω
2
09
ω
2cos[3(
ω
tkx)]
Quelle est loriginemath´
ematiquedu terme encos(3(
ω
tkx)) contenu danscettesolution ?
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