Fibre optique - Définition et Explications

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Fabrication

Fibre optique de silice

La première étape est la réalisation d’une « préforme » : barreau de silice très pure, d’un diamètre de plusieurs centimètres. Il existe un grand nombre de processus pour concevoir une préforme, des internes comme la méthode PCVD (plasma ( En physique, le plasma décrit un état de la matière constitué de particules chargées...) chemical vapor deposition), ou externes comme la méthode VAD (vapor axial deposition). Le paragraphe suivant décrit la méthode MCVD (modified chemical vapor deposition, dépôt chimique en phase (Le mot phase peut avoir plusieurs significations, il employé dans plusieurs domaines et...) vapeur () modifié) qui est la plus utilisée.

Un tube substrat est placé en rotation horizontale dans un tour verrier. Des gaz (Un gaz est un ensemble d'atomes ou de molécules très faiblement liés et...) sont injectés à l’intérieur et vont se déposer à l’intérieur sous l’effet de la chaleur (Dans le langage courant, les mots chaleur et température ont souvent un sens équivalent :...) produite par un chalumeau. Ces gaz vont modifier les propriétés du verre (Le verre, dans le langage courant, désigne un matériau ou un alliage dur, fragile...) (par exemple l’aluminium permet d’augmenter l’indice). Les couches déposées sont ensuite vitrifiées au passage du chalumeau. Ensuite le tube est chauffée à haute température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et...), et va se refermer sur lui-même pour former la préforme.

L’opération de manchonnage permet par la suite de rajouter une couche de silice (La silice est constituée de dioxyde de silicium, un composé chimique qui entre dans la...) autour (Autour est le nom que la nomenclature aviaire en langue française (mise à jour) donne...) de la préforme pour obtenir le ration cœur/gaine voulue pour la future fibre (Une fibre est une formation élémentaire, végétale ou animale, d'aspect filamenteux, se...).

La société ALCATEL (Alcatel est un ancien équipementier en télécommunications (c'est-à-dire qu'il conçoit et...) a développé une technologie (Le mot technologie possède deux acceptions de fait :) propriétaire APVD (Advanced Plasma and Vapour Deposition) pour remplacer l’opération de manchonnage qui est très coûteuse. Le procédé APVD (communément appelé recharge plasma) consiste à faire fondre des grains de quartz naturel très pur sur la préforme primaire à l’aide d’un chalumeau plasma inductif. L’association du procédé MCVD et de la recharge plasma pour la fabrication de fibres optiques monomode a fait l’objet d’une publication en 1994 par la société ALCATEL. Le procédé concerné consiste essentiellement à nourrir le plasma en grains de silice naturels ou synthétiques avec un composé additionnel fluoré ou chloré mélangé à un gaz porteur (Brevet Français n° 2 760 449, Campion Jean-Florent and al). Ce procédé de purification constitue la seule alternative connue rentable aux techniques de dépôt externe .

Lors de la seconde ( Seconde est le féminin de l'adjectif second, qui vient immédiatement après le premier ou qui...) étape, la préforme est placée en haut d’une tour de fibrage d’une quinzaine de mètre (Le mètre (symbole m, du grec metron, mesure) est l'unité de base de longueur du...) de hauteur (La hauteur a plusieurs significations suivant le domaine abordé.). L’extrémité de la préforme est alors dans un four (Un four est une enceinte maçonnée ou un appareil, muni d'un système de chauffage...) porté à une température voisine de 2 000 °C. Elle est alors transformée en une fibre (Une fibre est une formation élémentaire, végétale ou animale, d'aspect filamenteux, se...) de plusieurs centaines de kilomètres, à une vitesse (On distingue :) de l’ordre du kilomètre (Le mètre (symbole m, du grec metron, mesure) est l'unité de base de longueur du Système...) par minute ( Forme première d'un document : Droit : une minute est l'original d'un...). La fibre est ensuite revêtue d’une double couche de résine protectrice (cette couche peut être déposée par la tour de fibrage, juste après l’étirement) avant d’être enroulée sur une bobine. Cette couche est particulièrement importante pour éviter toute humidité (L'humidité est la présence d'eau ou de vapeur d'eau dans l'air ou dans une substance...), car la fibre devient cassante sous l’effet de l’eau : l’hydrogène interagit avec la silice, et toute faiblesse ou micro-entaille est amplifiée.

Principe de fonctionnement

Principe d'une fibre optique (Une fibre optique est un fil en verre ou en plastique très fin qui a la propriété de...)

La fibre optique (L'optique est la branche de la physique qui traite de la lumière, du rayonnement...) est un guide d'onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation...) qui exploite les propriétés réfractrices de la lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil...). Elle est habituellement constituée d'un cœur entouré d'une gaine. Le cœur de la fibre a un indice de réfraction (L'indice de réfraction d'un milieu à une longueur d'onde donnée mesure le facteur de...) légèrement plus élevé (différence de quelques millièmes) que la gaine et peut donc confiner la lumière qui se trouve entièrement réfléchie de multiples fois à l'interface (Une interface est une zone, réelle ou virtuelle qui sépare deux éléments. L’interface...) entre les deux matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en...) (en raison du phénomène de réflexion totale (En optique géométrique, un rayon lumineux traversant une séparation entre deux milieux d'indices...) interne). L’ensemble est généralement recouvert d’une gaine plastique de protection.

Lorsqu'un rayon lumineux entre dans une fibre optique à l'une de ses extrémités avec un angle (En géométrie, la notion générale d'angle se décline en plusieurs concepts...) adéquat, il subit de multiples réflexions totales internes. Ce rayon se propage alors jusqu'à l'autre extrémité de la fibre optique sans perte, en empruntant un parcours en zigzag. La propagation de la lumière dans la fibre peut se faire avec très peu de pertes même lorsque la fibre est courbée.

Une fibre optique est souvent décrite selon deux paramètres :

  • la différence d'indice normalisé, qui donne une mesure du saut d'indice entre le cœur et la gaine : \Delta=\frac{n_c-n_g}{n_c}, où nc est l'indice de réfraction (La réfraction, en physique des ondes — notamment en optique, acoustique et sismologie...) du cœur, et ng celui de la gaine.
  • l'ouverture numérique (Une information numérique (en anglais « digital ») est une information...) de la fibre ((en) numerical aperture), qui est concrètement le sinus (En mathématiques, les fonctions trigonométriques sont des fonctions d'angle importantes pour...) de l'angle d'entrée maximal de la lumière dans la fibre pour que la lumière puisse être guidée sans perte, mesuré par rapport à l'axe de la fibre. L'ouverture numérique est égale à \sin \theta_{max} = \sqrt{n_c^2-n_g^2}.
Principe d'une fibre optique à saut d'indice

Il existe plusieurs types de fibre optique. Dans la fibre à saut d'indice, l'indice de réfraction change brutalement entre le cœur et la gaine. Dans la fibre à gradient d'indice, ce changement d'indice est beaucoup plus progressif. Dans les fibres à cristaux photoniques (Les cristaux photoniques sont des structures périodiques de matériaux diélectriques ou...), l'écart d'indice entre les différents matériaux (en général la silice et l'air) est beaucoup plus important. Dans ces conditions, les propriétés physiques du guidage diffèrent sensiblement des fibres à saut d'indice et à gradient d'indice.

Dans le domaine des télécommunications (Les télécommunications sont aujourd’hui définies comme la transmission à distance...) optiques, le matériau (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne...) privilégié est la silice très pure car elle présente des pertes optiques très faibles. Quand l'atténuation (Perte d'intensité et amplitude d'un signal...) n'est pas le principal critère de sélection, on peut également mettre en œuvre des fibres en matière plastique (Une matière plastique ou en langage courant un plastique est un mélange contenant une...).

Un câble de fibres optiques contient en général plusieurs paires de fibres, chaque fibre conduisant un signal ( Termes généraux Un signal est un message simplifié et généralement codé. Il existe...) dans chaque sens (SENS (Strategies for Engineered Negligible Senescence) est un projet scientifique qui a pour but...). Lorsqu'une fibre optique n'est pas encore alimentée, on parle de fibre optique noire (La fibre optique noire désigne une fibre optique brute installée mais qui n'est pas encore...).

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