La fibre optique et la technologie WDM

Fibre optique multi-mode

Une fibre multi mode est généralement caractérisé par un cœur de fibre variant de 50 à 62,5um. Cependant, ce diamètre peut varier en fonction des constructeurs. Il n'est pas rare de voir des fibre optique multi mode avec un cœur allant de 10um à 80um.

Dans le cas d'une FO multi-mode, c'est la fenêtre spectrale de longueur d'onde  850nm et 1330nm qui est utilisée.

A saut d'indices

Dans une fibre optique à saut d'indice, l'indice n1 du cœur est constant puis varie brutalement (saut) à l'interface entre le cœur et la gaine pour atteindre une valeur n2 (n2 < n1) constante dans la gaine.

L'indice de réfraction de la gaine étant inférieur à celui du cœur, il va se produire, à condition que les angles mesurés par rapport à l'axe optique soient suffisamment petits, un phénomène de réflexion totale à l'interface cœur-gaine qui va guider et la contraindre la lumière à se propager à l'intérieur du cœur de la fibre. Le guidage se fait donc en dent de scie.

Remarque  : En théorie, la gaine n'est pas indispensable, puisque les rayons seraient aussi bien guidés par une fibre nue (cœur uniquement), l'indice du silice étant supérieur à celui de l'air. En fait la gaine a deux utilités. D'une part, elle renforce la fibre et lui évite de se casser ou d'être endommagée trop facilement. D'autre part, la théorie ondulatoire prévoit que, même en cas de réflexion totale, la lumière pénètre dans le second milieu (la gaine) d'une profondeur égale à une longueur d'onde. La présence de la gaine évite ainsi les fuites de la lumière vers d'autres fibres et donc le couplage entre deux fibres si celles ci étaient proches.

A gradient d'indices

Une fibre à gradient d'indices a la même composition qu'à saut d'indice (cœur + gaine). Par contre, l'indice n1 du cœur varie dans la direction transversale de la fibre. L'indice n1 décroit jusqu'à atteindre la valeur de l'indice de réfraction n2 de la gaine.

Le principe de propagation dans une fibre à gradient d'indice repose sur un effet de focalisation. En effet la lumière ne se propage en ligne droite que dans un milieu homogène. Dans une fibre optique à gradient d'indice, le faisceaux lumineux est continument dévié vers l'axe optique de la fibre par un effet de focalisation.

Les réfractions successives vont avoir tendance à ramener (focaliser) le rayon lumineux vers l'axe optique de la fibre. C'est en subissant ces légères réfraction à l'approche de la gaine que le signal optique forme un signal sinusoïdal.

Remarque : Dans le cas de l'approximation plane, la trajectoire d'un rayon lumineux dans le guide est une sinusoïde. Dans le cas de la fibre optique (guide d'onde spatial), la trajectoire du rayon lumineux n'est plus une sinusoïde mais une hélice

Conditions de guidage : Ouverture Numérique

Le guidage de la lumière dans le cœur ne pourra se faire que si l'indice de réfraction du cœur est supérieur à celui de la gaine. Tous les rayons arrivant sur l'interface cœur-gaine avec un angle d'incidence j plus grand que jc de réflexion totale se propageront dans le cœur par suite de multiples réflexion.

Pour que la lumière soit guidée dans le cœur de la fibre il faut que la condition de réflexion totale interne soit respectée, c'est à dire :

  j > jc = arcsin(n2/n1)

Bien que cette condition de guidage soit suffisante, il est plus commode de connaître la condition que doivent vérifier les rayons à l'entrée dans le guide. On remonte pour cela à l'entrée du guide et on écrit la loi Snell-Descartes qui lie l'angle d'incidence θo à l'angle θ dans la fibre. En considérant le milieu d'entrée comme étant l'air, l'indice n0 = 1, on peut écrire :

n0.sin(θo) = n1.sin(θc)

Le condition de guidage par réflexion totale est donc obtenue pour tout angle d'injection θo inférieur à un angle θo Max correspondant à l'angle limite de réflexion totale θc. Nous avons donc une réflextion totale si : θo < θo Max, soit si :

 

Avec nc l'indice du cœur et ng l'indice de la gaine.

Dans le cas d'une fibre à gradient d'indice, on remplace nc par nc(0) qui représente l'indice de réfraction du premier niveau du cœur, soit l'indice de réfraction du centre du cœur.