II) L’application à la fibre optique

1.                Utilité de la fibre optique

Les réseaux en fibres optiques comportent des avantages par rapport aux réseaux filaires, mais nous savons qu’ils ne sont pas présents dans tous les réseaux, donc ils doivent aussi comporter des inconvénients à leur utilisation.

Lors des réseaux en fibres optiques, les fibres utilisées ont un petit diamètre pour une grande capacités de transmission, les câbles sont légers, il n’y a aucune interférence entre les câbles, ils sont constitués de silice ce qui les rends donc non conducteurs et non inductifs, ils peuvent couvrir une grande distance entre 50 et 100km entre deux répéteurs ce qui implique donc une large bande de transmissions, il y a aussi une grande flexibilité dans la largeur de bande et dans son évolution, les câbles peuvent faire de grande courbure et le niveau de sécurité du canal de transmission optique est de niveau élevé. Par ailleurs, le dernier record de vitesse de transmission en fibre optique, fait durant le mois de mars de cette année, est de 2,56 Tbit/s soit 320Go/s ce qui représente un total de 60 DVD /S. Cette vitesse a été réalisé sur une distance de 4000km, soit la distance approximative à vol d'oiseau entre Marseille et Téhéran.

Malheureusement comme tous matériel, la fibre optique comporte aussi des désavantages qui sont, par ailleurs, peu convaincant fasse aux avantages apportés par cette technologie. Parmi les désavantages, il existe des pertes aux épissures et aux connecteurs, l’atténuation du signal est accrue à cause de l’eau contenue dans la silice ce qui implique des problèmes lors de la fabrication des câbles en fibre optique, et au niveau de la maintenance. Les sources de transmissions, les émetteurs, sont des lasers onéreux, leur non linéarité provoque un effet de seuil, la fibre optique nécessite un besoin de renforcement des câbles voire à un recours à des fils électriques supplémentaires dans certains cas. Il y a une absence de signaux négatifs. Le plus grand désavantage de la fibre optique est la ionisation radiative de la fibre, en effet si elle se fait bombarder par un grand nombre de ions, la silice de la fibre subit des changements dans sa composition chimique ce qui la noircit et empêche la lumière et donc le signal de passer à travers la fibre, c’est le phénomène de la fibre noire, ce qui empêche la mise en place dans l’espace de la fibre optique. De plus l’accès aux données nécessite des récepteurs très performants et donc très cher, et un accès multiple à ces données provoquent des difficultés.

2.                Système de transmission par fibre optique 

            Dans les cas des fibres optiques, les émetteurs sont des lasers semi-conducteurs ou des DEL (diodes électroluminescentes) qu’on peut moduler facilement. Pour la réception on se sert d’un photodétecteur à jonction p-n (semi-conducteur). L’émetteur, la fibre et le photodétecteur sont adaptés pour fonctionner à la longueur d’onde requise, donc celle du laser.

Système de transmission par fibre optique

            Les deux paramètres techniques les plus importantes pour déterminer la qualité d’un système de télécommunications sont la bande passante et sa portée.

           -La bande passante peut-être limitée en plusieurs points du lien de transmission : par le taux de modulation de la source, par le modulateur lui-même, par le canal de transmission, par le détecteur et par l’électronique du récepteur.

            -La portée est limitée par le bilan en puissance disponible pour la transmission qui provient de plusieurs facteurs : la puissance émise par la source, la sensibilité du photodétecteur et du récepteur et du récepteur qui lui est associé, l’atténuation de la fibre, les pertes de couplage aux épissures et aux connecteurs et le taux d’erreur ou le rapport signal sur le bruit tolérés dans le système.

3.                Optique géométrique et ondulatoire

            La fibre optique consiste donc à envoyer un signal d’un point à un autre à l’aide d’un rayon lumineux, donc les propriétés de la lumière s’appliquent au fonctionnement de la fibre optique.

a.      Optique géométrique

            L’optique géométrique base ses arguments sur le concept de rayon lumineux. A la surface de séparation entre deux milieux transparents différents, la lumière subit trois effets :

1)      la transmission

2)      la réflexion

3)      la réfraction

      Par la transmission, la lumière traverse un milieu donné. A la surface de séparation, une partie de la lumière retourne vers le milieu d’où elle vient (réflexion) tandis qu’une autre partie passe dans le nouveau milieu en changeant de direction (réfraction).

                                                                                                          

Ø      Réflexion : L’angle de réflexion i est égal à l’angle de d’incidence r, les deux angles étant mesurés par rapport à la normale à la surface séparant les milieux au point d’incidence. Le rayon incident, le rayon réfléchi et la normale sont tous dans le même plan.

Ø      Réfraction : À la traversée de l’interface entre deux milieux diélectriques différents d’indice n₁ et n₂, la lumière est réfractée. Le rayon incident, le rayon réfracté et la normale sont tous dans un même plan, appelé le plan d’incidence. Dépendant des propriétés du milieu transparent, la vitesse de propagation de la lumière peut varier. Cependant la vitesse de la célérité de la lumière dans le vide ne peut être dépassé » de sorte que la vitesse v dans un milieu diélectrique sera. On définit l’indice de réfraction du milieu considéré par >1.

Ø      Loi de Snell-Descartes : Si i₁ est l’angle d’incidence et i₂ l’angle de réfraction pris par rapport à la normale, on a :

n₁.sin i₁= n₂.sin i₂

            Où l’angle de réfraction i₂ dépend des propriétés du milieu considéré et de la longueur d’onde de la lumière.

                        Les phénomènes de réflexion et de réfraction peuvent apparaître, à première vue, comme deux phénomènes indépendants. En réalité, l’énergie lumineuse doit être conservée. De plus, dépendant des indices de réfraction des milieux respectifs et de l’angle d’incidence de la lumière sur la surface de séparation des milieux, la lumière pourra être plus ou moins transmise, et ce qui ne sera pas transmis devra être réfléchi.

                        Pour conserver la lumière dans la fibre optique et sa propagation, il faut donc qu’il y ait le phénomène de réflexion totale interne.

Ø       Angle critique de réfraction : Si l’on passe d’un milieu d’indice n₁ à un milieu plus élevé n₂, c'est-à-dire

On a par la loi de Snell-Descartes,

Puisque la valeur maximale d’un sinus est l’unité pour un angle limite d’incidence de i₁=90° par rapport à la normale, on aura un angle maximal i₂ dans le milieu d’indice n₂ qu’on appelle l’angle critique de réfraction.

Ø      Réflexion totale interne : Si l’on passe d’un milieu d’indice n1 à un milieu d’indice moins élevé n₂ tel que

      On a par la loi de Snell-Descartes,

Puisque

max ( sin i₂ ) = 1

On a

            Ou encore

Si l’angle d’incidence par rapport à la normale est tel que i₁ > i_1critique, la lumière n’est plus réfractée mais totalement réfléchie dans le milieu d’indice n1. i_1critique est donc l’angle minimal de réflexion totale interne, c'est-à-dire que tous les rayons d’angle i tel que i > arcsin (n2 / n1)  subissent une réflexion totale interne.

b.      Optique ondulatoire

Comme son nom l’indique, l’optique ondulatoire tient compte des propriétés d’onde de la lumière. En général, une onde est une perturbation associée avec la propagation d’énergie dans l’espace et dans le temps. Il est habituel de décomposer l’onde en ondes sinusoïdales, ce qui simplifie considérablement l’analyse mathématique. Une fois l’analyse faite pour ces ondes il est facile de recréer l’onde primitive en continuant ces composantes sinusoïdales. C’est ce qu’on appelle l’analyse de Fourier

L’onde sinusoïdale est un phénomène périodique caractérisé par une amplitude, une fréquence, une phase et une polarisation. Nous savons de plus que l’onde lumineuse transmet de l’énergie électromagnétique.

Ainsi, grâce à l’optique géométrique et l’optique ondulatoire il est donc possible de créer plusieurs types de fibres optiques que nous allons voir par la suite.

4.                Les fibres optiques : composition et différences

Ø       Composition d’une fibre optique

Une fibre optique se constitue de deux parties au minimum, elle comporte un cœur où circule le signal optique, une gaine qui renferme le, ou les, signaux. Par ailleurs nous avons vu que la fibre optique dans la plupart des cas nécessite un renforcement des câbles.

Constitution d'une fibre optique

Ø       Différentes fibres optiques :

Il existe différents types de fibres optiques qui utilisent chacune des propriétés optiques différentes, donc qui font appel à l’optique géométrique ou à l’optique ondulatoire aperçu précédemment. Voici donc les schémas des différentes fibres optiques qui existe actuellement

Propagation de la lumière dans les trois types de fibres

v     Différences entre une fibre monomode et une fibre multimode :

Les fibres optiques sont classées en deux grandes catégories qui sont les fibres monomodes et les fibres multimode, les fibres multimode peuvent faire circuler plus de données que les fibres monomodes, mais elles sont plus grosses que c’est dernières et les émetteurs et les récepteurs nécessaires sont aussi plus onéreux.

Les fibres multimode sont les fibres à saut d’indices, et les fibres à gradients d’indice.

v     fibre monomode :

Signal lumineux à l’intérieur d’une fibre monomode

Ces fibres se servent donc des propriétés de la lumière vue en optique géométrique puisque le signal est conservé à l’intérieur de la fibre grâce à la réflexion totale interne.

v     Les fibres à saut d’indice :

Signal lumineux à l’intérieur d’une fibre à saut d’indice

Ces fibres se servent donc des propriétés de la lumière vue en optique géométrique puisque le signal est conservé à l’intérieur de la fibre grâce à la réflexion totale interne.

v     fibre à gradients d’indice :

Signal lumineux à l’intérieur d’une fibre à gradients d’indice

Ces fibres se servent donc comme on peut le voir des propriétés ondulatoires de la lumière vue en optique ondulatoire puisque le signal ondule à l’intérieur de la fibre.

5.                La fibre optique et son utilisation dans la vie courante

            Étant donné que la fibre optique est un moyen efficace pour transférer des données rapidement d'un endroit à un autre, elle est utilisée de nos jours pour de multiples raisons.

            Elle sert par exemple pour le transfert de son d'un appareil à un autre, comme dans le montage vu dans l'onglet multimédia, le son du baladeur, ayant une sortie optique, est transmis à travers la fibre optique pour être réceptionné par le boîtier, ayant lui une entrée optique. Le boîtier décrypte l'information codé dans le signal lumineux afin que l'ordinateur puisse l'exploiter, donc ici enregistrer le son lu par le baladeur.

            Elle sert aussi pour les connexions Internet de type ADSL, notamment avec la société Citéfibre, qui propose, à certaines régions parisiennes, un accès à Internet à 100bits/seconde aussi bien en descente qu'en montée. De même il existe des connexions en réseau local d'une distance supérieure à 100m qui sont constitués de fibres optiques comme au lycée technique Diderot où à l'ECE.