ETUDE BIBLIOGRAPHIQUE DE LA FIBRE OPTIQUE
ET SON DEPLOIEMENT

Généralité sur la fibre optique Introduction

 Il y a 3000 ans on ne pouvait guère faire porter les messages vitaux que par les hommes. Les informations urgentes mettaient des mois à traverser les mers et les continents. Depuis, l’humanité s’efforce pour trouver le support de communication adéquat qui répond aux normes et aux exigences de nos sociétés modernes. Dès lors, l’invention du laser à semiconducteur et l’utilisation du principe de réflexion totale ainsi que les propriétés magiques du verre qui en font de lui le candidat idéal à conduire la lumière ont permis à réaliser des fibres optiques capables de transmettre un faisceau de lumière de ces lasers sur de très grandes distances. Cette technologie est maintenant utilisée par des compagnies téléphoniques pour relier non seulement les villes mais aussi les continents. Dans ce chapitre nous aurions à présenter de façon générale la fibre optique en donnant son historique, son évolution, ses caractéristiques des différentes fibres optiques et ses domaines d’application. Cette présentation se limite au strict nécessaire pour une bonne compréhension de ce mémoire. I. Historique et évolution de la fibre optique : La possibilité de transporter de la lumière le long de fines fibres de verre fut exploitée au cours de la première moitié du XXème siècle. En 1927, Baird et Hansell tentèrent de mettre au point un dispositif d’image de télévision à l’aide de fibres. Quelques années plus tard, en 1930, Heinrich Lamm réussit à transmettre l’image d’un filament de lampe électrique grâce à un assemblage rudimentaire de fibre de quartz. Cependant, il était encore difficile à cette époque de concevoir que ces fibres de verre puissent trouver une application. La première application fructueuse de la fibre optique eut lieu au début des années 1950, lorsque le fibroscope flexible fut inventé par Abraham van Heel et Hopkins. Cet appareil permettait la transmission d’une image le long de fibres en verre. En 1957 le fibroscope (endoscope flexible médical) est inventé par Basil Hirschowitz aux États Unis. Les télécommunications par fibre optique restèrent impossibles jusqu’à l’invention du laser en 1960. Le laser offrit en effet l’occasion de transmettre un signal sans perte sur une grande distance. Dans sa publication en1964, Charles Kao (standard télécommunications laboratoire) décrit un système de communication à longue distance et à faible perte en mettant à profit l’utilisation conjointe du laser et de la fibre optique. Peu après soit en 1965, il démontra expérimentalement, avec la collaboration de Georges Hockman, qu’il était possible de transporter de l’information sur une grande distance sous la forme de lumière grâce à la fibre optique. Cette expérience est souvent considérée comme première transmission de données par fibre optique. En 1970 ,trois scientifiques de la compagnie Corning glass Works de New York ,Robert Maurer, Peter Schultz et Donald Keck produisirent la première fibre optique avec des pertes de phase suffisamment faibles pour être utilisée dans les réseaux de télécommunications( 20 décibels par kilomètre ; aujourd’hui la fibre conventionnelle affiche des pertes de moins de 0.5 décibels par kilomètre pour la longueur d’onde de 1550nm utilisée dans les télécommunications) ;leur fibre optique était en mesure de transporter 65000 fois plus d’information qu’ un simple câble de cuivre ,ce qui correspondait au rapport des longueurs d’onde utilisées. En 1977 le premier système de communication téléphonique optique fut installé on estime qu’aujourd’hui plus de 80% des communications à longue distance sont transportées le long de plus de 25 millions de km de câbles de fibres optiques partout dans le monde. La fibre optique s’est dans une première phase (1984 à 2000) limitée à l’interconnexion des centraux téléphoniques, seuls justifiables de son énorme débit. Cependant avec la baisse des coûts entraînée par sa fabrication en masse et le besoins croissants des particuliers en très haut débit, on envisage depuis 2005 son arrivée même chez les particuliers : FTTH (Fibre To The Home), FTTB (Fibre To The Building), FTTC (Fibre To The Curt) etc.

 La fibre optique

La fibre optique est un fil en plastique ou en verre permettant de transmettre des données à l’aide de la lumière. Le signal lumineux codé peut voyager sur plusieurs milliers de kilomètres et par la suite être décodé en ayant accès à l’information. Ceci permet les communications à travers le monde et à des débits jusqu’ alors impossible. La fibre optique 4 est constituée de : cœur de silice ; de la gaine de silice et un revêtement de protection de polyamide, d’aluminium ou d’or. (Figure 1.1) Fig. 1.1 : structure de la fibre optique. [2] Le cœur et la gaine permettent la transmission du signal et sont constitués de silice dopé pour augmenter ou diminuer l’indice de réfraction. Le revêtement absorbe les chocs et évite les courbures en fournissant une certaine rigidité. La fibre optique est souvent décrite selon deux paramètres :  L’indice normalisé, qui donne une mesure du saut d’indice entre le cœur et la gaine : (1.1) l’indice du cœur l’indice de la gaine  L’ouverture numérique (numéral aperture) de la fibre qui est concrètement le sinus de l’angle d’entrée maximal dans la fibre pour que la lumière puisse être guidée sans perte. Mesurée par rapport à l’axe de la fibre, l’ouverture numérique est égale à : √ √ (1.2) 

Les fibres monomodes et les fibres multimodes 

Dans la spécialité des télécommunications il y a deux types de fibres optiques utilisés.  Les fibres monomodes  Les fibres multimodes 5 Leur différence réside du fait de la taille du cœur où il est de 10 pour les fibres monomodes et de 50 pour les fibres multimodes. 

Les fibres monomodes 

Les fibres monomodes (dites single mode fiber SMF) ont un diamètre de cœur (10 microns), faible par rapport au diamètre de la gaine (125 microns) et proche de l’ordre de la longueur d’onde de la lumière injectée. L’onde se propage sans réflexion et il n’y a pas de dispersion modale. Le petit diamètre du cœur nécessite une grande puissance d’émission délivrée par des diodes laser. Fig.1.2 : structure d’une fibre monomode. 

Les fibres multimodes

 Les fibres multimodes (dites MMF pour multi mode fiber) ont un diamètre de cœur très important (50 à 80 microns). Un rayon lumineux pénètre dans le cœur de la fibre à l’une de ses extrémités se propage longitudinalement jusqu’ à l’autre extrémité grâce aux réflexions totales qu’il subit dans l’interface cœur /gaine. Plusieurs modes se propagent dans ce type de fibre optique. Selon les différents types de chemins empruntés, ils arrivent avec des temps différents ce qui provoque une forte dispersion du signal lumineux due à la multiplication du mode de propagation (dispersion modale). Parmi les fibres multimodes, on distingue les fibres à gradient d’indice (débit limité à 1Gb/s) et les fibres faibles indice ou à saut d’indice (débit limité à 50mb/s). 6 Les fibres à saut d’indice : Dans ce type de fibre l’indice de réfraction reste constant dans tout le cœur de la fibre et à l’interface cœur gaine, il décroit brusquement en effectuant un saut d’indice dans la gaine. Fig.1. 3 : structure d’une fibre à saut d’indice. [4] Fibre à gradient d’indice : Dans ce type de fibre l’indice de réfraction n’est pas constant dans le cœur bien au contraire il décroit graduellement du centre du cœur jusqu’ à la limite de la surface qui sépare le cœur et la gaine. Fig.1.4 : Structure d’une fibre à gradient d’indice.

 Principe de propagation de la lumière

L’information est transmise à travers une fibre sous forme d’onde lumineuse. La transmission d’onde lumineuse repose sur le principe de la réflexion totale interne communément appelé principe de Snells Descartes. Selon ce principe, lorsqu’ un faisceau lumineux heurte la surface qui sépare deux milieux plus ou moins transparent d’indice de réfraction n1 et n2 il se scinde en deux, une partie est réfléchie tandis que l’autre est réfractée c’est à dire transmise dans le second milieu en changeant de direction. 7 Ainsi lorsqu’ un rayon dit incident frappe une surface séparant deux milieux d’indices de réfraction n1 et n2, il se produit dans le milieu 2 un rayon réfracté qui s’écarte de la normale. L’obtention d’un rayon réfracté est possible jusqu’ à ce qu’il soit tangent à l’interface qui correspond à un angle d’incidence dit angle critique de ce fait pour tout angle d’incidence supérieure à un angle critique on assiste à une réflexion totale qui régit le phénomène de propagation de la lumière dans la fibre optique. L’indice de réfraction est le reflet de la résistance à la pénétration de la lumière, il est aussi une grandeur caractéristique des propriétés optiques du matériau, il est obtenu en divisant la vitesse de la lumière dans le vide par la vitesse de cette même onde dans le matériau. Il est donné par la relation suivante et sans unité.