Ce site présente la fibre optique, notamment son fonctionnement et ses applications.
Il a été réalisé pour un projet d'Optique Ondulatoire à Polytech Nantes.
Les textes ont été écrits par Antoine BOURSIN et Florentine GARREAU.
Introduction
La fibre optique est une fibre composée d'un matériau capable de conduire la lumière, cette lumière passant dans le matériau peut être transportée le long d'un câble infiniment grand. Ce système permettant de faire passer de la lumière d'un bout à l'autre peut servir à éclairer des endroits assez étroits, ou encore faire passer une information à l'aide d'un signal émis puis ensuite retransmis après une transformation du signal (transfert de données). Avant de développer plus sur le fonctionnement et l'application de ce type de système, il est nécessaire d'expliquer depuis quand cela a été découvert ; ainsi que depuis quand est-ce exploité et de quelle manière.
C'est à l'époque de la Grèce antique que la conduction de la lumière dans un matériau est découverte. Cette propriété a en effet été exploitée très légèrement à l'époque par les artisans, l'utilisant pour la décoration de leurs fabrications. En outre ce n'est que lors de la moitié du 20ème siècle que cette technologie est développée puis utilisée comme nous le faisons maintenant, puisqu'avant, l'on croyait que la lumière se propageait uniquement de manière rectiligne.
C'est donc en 1854 que des expériences ont prouvé que la lumière pouvait être dérivée à l'aide de miroirs, en effet des chercheurs ont projeté une lumière en ligne droite dans un jet d'eau puis ont observé que celle-ci était déviée vers le bas, ils ont ensuite appelé ceci « la fontaine lumineuse ». On peut aussi se rendre compte de la dérivation de la lumière aujourd'hui à l'aide de miroirs, prismes ou autres outils de dérivation. La découverte du fait que la lumière peut être déviée à l'aide d'un matériau spécifique la conduisant a été relativement importante dans l'élaboration d'une fibre optique puisqu'elle est le principe fondamental de son fonctionnement. Quelques années plus tard, d'autres inventions telles que celle du photophone, pouvoir « téléphoner » à courte distance grâce au transport de lumière (plus d'informations ici) ont permis de développer le système pour aboutir à la fibre optique que nous utilisons aujourd'hui.
Un petit peu de théorie
La réflexion totale
Le phénomène physique utilisé dans la fibre optique est la réflexion d'un faisceau lumineux. La réflexion est un phénomène physique qui se produit lors du changement de milieu d'un faisceau incident.
On considère un rayon lumineux qui se propage dans un milieu transparent d'indice n1. Lorsqu'il arrive à la surface de contact (appelée dioptre) entre ce milieu et un autre milieu d'indice n2, le rayon incident est séparé en deux rayons. Une partie est réfléchie dans le premier milieu et une deuxième partie est réfractée dans le second milieu.
On appelle angle d'incidence l'angle entre le rayon incident et la normale au dioptre, angle de réflexion celui entre la normale au dioptre et le rayon réfléchi et angle de réfraction l'angle entre la normale au dioptre et le rayon réfracté.
Ces trois angles sont liés par la loi de Snell-Descartes :
- L'angle d'incidence est égal à l'angle de réflexion
n1 × sin(i1) = n2 × sin(i2)avec i1 l'angle d'incidence et i2 l'angle de réfraction
Dans la fibre optique, on cherche à annuler le rayon réfracté pour avoir une réflexion maximale et ainsi éviter de diminuer l'intensité du rayon. Cela peut être réalisé en choisissant n1 > n2 et un angle de réfraction supérieur à 90°. Dans ce cas, le rayon réfracté disparaît car le rayon incident est totalement réfléchi. On parle alors de réflexion totale.
Composition d'une fibre optique
Une fibre optique est composée généralement d'un cœur en silice, la lumière émise ne passe que dans cette partie, cette lumière suit le rayon orange sur le schéma. Ensuite, ce cœur est entouré par une gaine d'une matière similaire avec un indice de réfraction plus faible pour que la lumière ne passe pas dedans et soit reflétée à la frontière de ces deux parties. Le cœur de la fibre est donc une première fois protégé. C'est ensuite une gaine, généralement en PVC qui entoure le tout, son indice de réfraction étant encore plus faible, il peut même être diminué par l'ajout d'un produit pour permettre qu'aucune lumière ne puisse sortir de cette fibre. La gaine extérieure a donc deux utilités puisque qu'elle sert aussi à protéger l'ensemble, notamment des chocs.
Différents types de fibre optique
Dans une fibre optique, on est confronté à des problèmes d'interférences. En effet, les différents rayons émis à l'entrée proviennent d'une même source de lumière et peuvent donc créer des interférences destructives, empêchant ainsi la lumière de se propager jusqu'au bout même si les conditions sur les angles d'incidence que nous verrons plus tard sont respectées. Il faut donc qu'on ait des interférences constructives pour pouvoir propager la lumière d'un bout à l'autre d'une fibre optique.
Ainsi, seules certaines directions associées chacune à un angle peuvent permettre à la lumière de traverser la fibre optique. Ces différentes directions possibles sont appelées modes.
Fibres multimodes
À saut d'indice
Dans ce type de fibre optique, l'indice n1 du matériau à l'intérieur de la fibre (dans le cœur) est constant. L'indice n2 du matériau à l'extérieur (dans la gaine) est également constant et légèrement inférieur à n1.
Les rayons se propagent donc en "rebondissant" sur les parois en ligne droite. Comme les rayons sont réfléchis de nombreuses fois sur la surface entre les deux gaines, le signal entrant est fortement dispersé et le signal reçu est déformé.
On définit l'angle d'acceptante d'une fibre optique l'angle d'incidence maximum θmax qui permet à la lumière de se propager jusqu'au bout de la fibre. Si on envoie un rayon avec un angle supérieur à θmax, il est transmis dans la gaîne et n'arrive donc pas au bout.
On peut montrer mathématiquement que pour que la lumière arrive au bout de la fibre optique, l'angle d'incidence doit vérifier la relation suivante : sin(θmax) = √(n12 - n22). Cette valeur particulière dépendant des indices des deux matériaux s'appelle l'ouverture numérique (O.N).
À gradient d'indice
Contrairement à la fibre à saut d'indice, l'indice du cœur de la fibre optique diminue progressivement en allant vers la gaine extérieure. Dans ce type de fibre, il y a une succession de réfractions sur les surfaces possédant toutes un indice de réfraction différent. Le rayon incident ne se déplace donc plus en ligne droite mais plutôt en demi-ellipse.
Comme le cœur est plus petit que la fibre précédente, le signal est moins atténué et cette fibre optique est donc plus efficace.
Dans ce type de fibre optique, l'ouverture numérique dépend de la distance (notée r) au centre de la fibre puisque les indices ne sont pas constants. On a donc une formule similaire à celle pour la fibre à saut d'indice : O.N(r) = √(n(r)2 - n22).
Fibre monomode
Dans cette configuration de fibre optique, on essaie que le faisceau soit direct de la source jusqu'à la réception. Pour cela, on prend un cœur de diamètre très petit (~10µm) de façon à annuler au maximum les réflexions. Le signal arrive donc quasiment intact à la sortie. Cependant, il est nécessaire que la source de lumière ait une grande puissance d'émission pour produire un rayon assez intense pour aller en ligne droite.
Cette fois-ci, l'ouverture numérique est identique à celle de la fibre multimode, en fonction de la composition du cœur. On retrouve donc la forme générale de l'ouverture numérique : O.N = √(n12 - n22)
Quelques applications pratiques
Aujourd'hui, la fibre optique est un système très largement utilisé, dans de très nombreux domaines. En effet, cette technologie assez simple d'utilisation est très pratique puisque qu'elle présente de nombreux avantages. Ces différents avantages seront décrits dans la suite, puisque les différentes applications utilisent les diverses caractéristiques de ce système. De plus son domaine d'application ne cesse d'augmenter puisque avec la recherche, notamment pour l'élaboration des nouvelles technologies, de nouveaux avantages sont découverts, donc de nouveaux systèmes apparaissent utilisant la fibre optique.
Domaine des télécoms
Il s'agit de l'une des applications de la technologie de la fibre optique dont on entend le plus parler en ce moment. En effet les grandes villes et autres agglomérations s'équipent petit à petit de ce que l'on appelle « la fibre ». C'est à dire que l'on fait passer sous terre, des câbles contenant une fibre optique, lorsque la lumière passe dans ces câbles, les données internet par exemple sont transmises car le signal lumineux est au bout du câble transformé (en signal électrique par exemple) pour permettre au réseau de fonctionner. Ce câble composé d'un cœur en silice est entouré d'un autre matériau en silice mais avec un indice de réfraction inférieur qui permet d'isoler ce cœur. Cet ensemble et par la suite entouré d'une gaine généralement en PVC et avec un indice de réfraction très faible. Cet indice de réfraction sur le PVC peut parfois même être diminué par l'ajout de produit.
Cette « fibre » est installée pour remplacer les anciens câbles de cuivre présents sous terre depuis le début du 20ème siècle pour certains. Ce remplacement a été fait puisque les câbles utilisant le système de fibre optique présentent de meilleurs caractéristiques là où les performances du cuivre sont plus restreintes. En effet, la vitesse de propagation de l'électricité dans le cuivre est surpassée par la vitesse de la lumière dans la silice. Les nouveaux câbles de fibre optique n'émettent pas non plus de champ magnétique comme le faisait les anciens câble en cuivre coaxiaux.
Ces nouveaux câbles présentant un très bon débit sont aujourd'hui installés à plusieurs niveau, c'est-à-dire que pour permettre un débit maximal ils doivent être installés le plus près de notre domicile voire de notre appareil. Effectivement, les câbles installés dans les rues sont le plus souvent raccordés par des câbles « classiques » vers chez nous, mais ce débit n'étant meilleur que lorsque que ce type de câble en bout de chaîne « classique » est le plus court possible. C'est pour cela que les câbles sont non-seulement installés dans le plus grand nombre de rues mais qu'ensuite certains peuvent raccorder ce réseau jusqu'à leur maison en remplaçant leurs anciens câbles en cuivre par des câbles dotés de fibre optique.
Il s'agit donc d'une application très actuelle, au moment où de nouvelles technologies, nécessitant d'être connectés à un réseau avec un bon débit, évoluent et qu'il est maintenant assez rare de ne pas bénéficier d'internet dans le monde. De plus cette application est aussi importante pour des utilisations domestiques (chez soi) ainsi que des utilisations à grandes échelle (installations le long des rues, sous des océans).
Les capteurs à fibres optiques
Toujours dans le domaine des nouvelles technologies, beaucoup de nouveaux appareils (et mêmes certains datant d'un demi-siècle) utilisent des capteurs divers et variés. Le capteur à fibre optique en est un type.
Ce type de capteur possède un grand nombre d'avantages puisqu'il ne perturbe pas l'environnement lorsqu'il est en fonctionnement (pas d'émission de chaleur et ne la conduit pas ni de champ magnétique), il est très léger et peut s'installer dans de petits endroits puisqu'il est très compact. Il possède aussi une large sensibilité, donc très précis, ce qui peut lui permettre détecter le moindre mouvement. Néanmoins son utilisation ne peut pas dépasser les 85°C.
L'utilisation de ce capteur est faite dans un grand nombre de domaines, notamment dans l'aéronautique, le domaine militaire, l'énergie, ou encore la télécommunication mais aussi le transport. Pour constater des dommages, évaluer des températures, des distances, une intensité, une fréquence. Son fonctionnement et ses branchements sont assez complexe, mais il est plus simple d'utilisation puisqu'il peut s'adresser aussi bien à des professionnels qu'a des particuliers.
Autres applications
Il s'agit d'une application plus ciblée puisqu'elle concerne la télévision, en effet certaines télévisions peuvent être regardées en 3D et maintenant toutes les chaînes de la TNT avec la Haute Définition nécessitent de la fibre optique pour fonctionner, notamment lors de l'émission de l'image et aussi lors la réception puisque ces images étant plus lourdes car les détails sont plus importants, un bon débit et une vitesse minimum de transmission est requise au sein même de l'appareil afin de retransmettre une image plus fluide, et donc plus confortable pour l'utilisateur.
Il est possible d'utiliser une fibre optique dans laquelle de la lumière sera émise d'un côté et ressortira de l'autre côté, entourée d'une gaine opaque pour éclairer un endroit relativement étroit ; En effet éclairer l'intérieur des tuyaux de gaz, de plomberie, ou encore les tuyaux étroit du domaine automobile à l'aide d'une fibre optique permet de détecter plus rapidement les fuites, ainsi que les défauts si l'on ajoute une caméra au bout puisqu'une fibre optique est tellement fine qu'elle peut s'insérer facilement dans de petit diamètre de tuyau ou canalisation.
Dans le même contexte la fibre optique est utilisée dans le domaine médical, c'est en effet pour des examens par exemple, qu'elle peut être utilisée pour éclairer les endroits où l'on accède peu facilement en examinent avec une caméra et permettant ainsi un meilleur confort du patient. Ce système est particulièrement utilisé pour une coloscopie (examen du colon) ou pour examiner l'œsophage ainsi que les poumons.
En dernier exemple d'application, les fibres optiques peuvent encore être aussi utilisées pour le transport d'informations dans le domaine routier, en effet, elle peut permettre de faire fonctionner les panneaux de signalisation à distance, ou transmettre des informations aux péages.
Il existe aussi des feux de circulation éclairés pas les bouts de fibres optiques comme on peut le voir sur la photo ci-dessous. Vous pouvez trouver plus d'informations sur ce système sur le lien suivant : ineltec.fr.
En conclusion, les applications des fibres optiques sont très variées allant du domaine médical au domaine des télécoms en passant par le domaine de la mécanique. Le transfert de données utilisant le vitesse de la lumière dans un solide avec un bon indice de réfraction est beaucoup plus efficace que les technologie utilisés précédemment. L'expansion des diverses technologies utilisant la fibre optique n'est pas terminée et de nouvelles applications devraient être créées grâce à cette technologie.
Conclusion
En conclusion, le mode de fonctionnement de la fibre optique est basé sur un principe fondamental de l'optique et de lois de propagation de la lumière. En effet, nous avons pu expliquer son fonctionnement tout d'abord grâce à la loi de Snell-Descartes, donc avec l'utilisation de la réflexion et le guidage de la lumière à l'intérieur d'une fibre optique qui sont expliqués notamment par le principe de réflexion totale.
Notre développement sur la composition d'une fibre optique et la taille ainsi que la composition de chaque élément présent dans celle-ci, a pu permettre de mieux faire comprendre quel chemin suit la lumière d'un bout à l'autre de la fibre. Nous avons aussi pu décrire tout au long de ce sujet, les différentes types de fibres optiques existantes ; de même aspect à priori mais un guidage des rayons différent. En effet, il existe deux types de fibre optique (multimodes : à saut ou à gradient d'indice, monomodes), et ceux-ci permettent à la lumière de se propager en ayant des propriétés et des performances différentes.
C'est en développant ensuite la partie sur les domaines d'application que nous avons pu voir que l'on se servait de cette technologie sans s'en rendre compte aussi bien à grande échelle qu'à petite échelle, puisque ce système est l'un des éléments à la base de nos communications internet et télécoms, ainsi que du fonctionnement de certains appareils de mesure (exemple : capteurs), ou de certains éclairages publics ou privés.
La fibre optique est donc, pour finir, une technologie assez élaborée dans son fonctionnement et jeune, puisque son élaboration concrète ne date que d'un peu plus d'un siècle. Son utilisation aujourd'hui est néanmoins très présente dans les nouvelles et plus anciennes technologies.