Fibres optiques - manip n°16

Expérience n° : 16

Titre : Fibres optiques

Thème : Optique

Objet : Le guidage de la lumière

Niveau : Collège-lycée-fac

Auteur de la fiche : pagnoux@ircom.unilim.fr

Matériel :
- une source laser rouge(Hélium/Néon
- un objectif de microscope
- un système de micro-déplacements, un disque percé de trous sur une couronne
- différents tronçons de fibres optiques en silice (longueur environ 1,5m)
- une bobine de fibre de 1km
- un écran
- une pince à dénuder les fibres ptiques
- une pince à fracturer les fibres
- une lame de verre

Protocole :
L'objectif de microscope focalise la lumière émise par le laser en un point P.
- pour placer la face d'entrée d'une des fibres dans le plan focal de l'objectif de microscope (afin de permettre l'injection du maximum de lumière) mettre la lame de verre à 45° du faisceau en amont de l'objectif, de sorte qu'elle réfléchisse vers un écran la lumière renvoyée par la face de la fibre à travers cet objectif. Repérer le spot correspondant à cette réflexion et agir sur la translation parallèle au faisceau jusqu'à obtenir une image ponctuelle (nette) de la face.
- injecter d'abord la lumière dans le centre (coeur) de la fibre de droite (fibre multimode).
-faire tourner le disque pour simuler une transmission numérique. Les clignotements de la lumière qui traverse les trous du disque sont transmis à l'autre extrémité de la fibre et sont observables sur l'écran ; ceci illustre le principe des communications numériques optiques (l'information est codée sous forme binaire, à l'aide de seulement deux états (bits) appelés "1" ou "0" : en optique "1" = lumière et "0" = absence de lumière).
-Avec la fibre multimode, faire observer la figure de tavelure (granularité laser, speckle) sur l'écran en sortie de fibre. La tache n'est pas uniforme mais est composée de grains lumineux et de zones sombres résultant d'interférences complexes entre les 200 différentes distributions tranverses élémentaires de lumière guidées par la fibre. Chaque distribution élémentaire (voir manip d'excitation sélective de modes), appelée "mode transverse", peut être associée à un trajet possible des rayons lumineux dans la fibre. Faire observer que le speckle "grouille" quand on touche la fibre, traduisant un changement des conditions des interférences. Idem quand on déplace très légèrement la fibre : les modes excités sont changés.
- courber la fibre (boucle de diamètre environ 2-3cm, pas moins, pour éviter tout risque de fracture) : la courbure provoque des pertes de lumière qui se traduisent par une augmentation de la luminosité dans la région de cette courbure.
-injecter la lumière dans la fibre du milieu (fibre faiblement multimode). Le diamètre du coeur est d'environ 9µm. Il n'y a que 4 trajets de rayons autorisés = 4 modes seulement qui interfèrent. Le speckle est alors composé d'un petit nombre de grains de taille plus grande. Observer les modifications de la forme quand la fibre est perturbée dues aux changements des conditions des interférences.
- injecter la lumière dans la dernière fibre (diamètre du coeur 4µm). Un seul mode est guidé (fibre monomode) : la forme de la tache en sortie ne varie pas lorsque la fibre est perturbée car il n'y a plus d'interférences faute de combattants !
Ces sont des fibres de ce type qui permettent les transmissions à haut débit comme internet.

Mesure de sécurité :

Commentaires :
attention : ne pas placer les yeux à hauteur du faisceau laser (éblouissement dangereux). Ne pas diriger la face de sortie d'une fibre vers les yeux (risque d'éblouissement désagréable voire douloureux). Lors de la fracture de la fibre avec l'ongle, risque de très légère blessure par un éclat de silice sous l'ongle ou sous la peau : ne pas le faire faire au public.

Applications liées à l'expérience :
télécommunications transocéaniques à très haut débit (internet notamment)

Autre application liée à l'expérience :
Il faut savoir que dans l'Université de Limoges existe un institut de recherche CNRS dédié aux télécommunications au sens large. Dans cette institut près de 50 personnes étudient les fibres optiques. Des fibres optiques ultra-modernes sont fabriquées à Limoges. Pour plus d'informations voir le site de cet institut de recherche : l' IRCOM

Annexe/Aide mémoire :
- contitution d'une fibre optique : guide diélectrique constitué d'un coeur de silice + quelques dopants (Al, Ge) entouré d'une gaine de silice pure ; indice du coeur légèrement supérieur à celui de la gaine; diamètre extérieur : 125µm. diamètre du coeur des fibres multimodes (autorisant un débit de transmission modéré):50 à 100µm ; diamètre du coeur d'une fibre monomode (pour hauts débits) : 9µm voire moins.
- débit de transmission par fibre : Le nombre de bits d'une couleur donnée (longueur d'onde) transmis par seconde sur les fibres monomodes peut dépasser 40 milliards. Comme on peut grouper en entrée et séparer en sortie plus d'une centaine de longueurs d'onde, le débit d'une seule fibre atteint 10 Tbits/s (10 000 milliards de bits/s).
- transparence des fibres : dans l'infrarouge aux longueurs d'onde voisine de 1,55µm, la transparence de la silice est telle qu'il reste la moitié de la lumière injectée après 20km de propagation dans une fibre (atténuation de 0,15dB/km). Dans le rouge, il reste la moitié de la lumière au bout de 200-300m environ (atténuation de 10-12dB/km).
- ouverture numérique ON : c'est le sinus de l'angle maximum que peut faire un rayon incident par rapport à l'axe de la fibre pour pouvoir être injecté (réfracté dans le coeur)puis guidé (réfléchi aux interfaces coeur-gaine).
Tous les rayons incidents, inclus dans un cône d'angle au sommet égal à deux fois l'angle maximum, sont donc injectés et guidés. Ce cône est le même que celui dans lequel émerge la lumière en sortie et que l'on peut visualiser entre la fibre et l'écran.
On trouve l'ON par l'application directe des lois de Descartes. Pour une fibre multimode télécom, ON=0,2 (angle max de 12 degrés). Pour les fibres monomodes, ON=0,1(angle max =5-6 degrés).


Revenir à la fiche - imprimer la page