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SP2 - Exercice corrigé : la fibre optique

1

La fib reoptique à saut d"indice

Pour guider la lumière dans une direction donnée, on réalise des fibres optiques, longs fils cylindriques dont l"indice diminue quand on s"éloigne de l"axe. La lumière suit la di- rection moyenne de l"axe grâce au phénomène de réflexion totale, à condition que le faisceau incident ait une ouverture angulaire convenable. Dans le modèle qui suit, on considère que la fibre est constituée d"un coeur cylindrique de rayon a, d"indice n

1= 1,510et d"une gaine de rayon extérieur b, d"indice

n

2= 1,495.Figure1 - Vue en coupe d"une fibre à saut d"indice

1. Un r ayonincident se p ropagedans l"air dans un pla n axial de la fibre et arrive en I, à une distanceOIExp rimerla relation entre i0eti1. 3. En déduire la condition sur i0, de la formei0Evaluer Δt = t1-t0pourL = 10m,is= 8◦et

c = 3×108m.s-1.2A tténuationdu signal L"atténuation de la lumière dans les fibres optiques est

due à l"absorption et à la diffusion par le matériau constitu- tif du coeur, en général en silice et par ses impuretés (fer, cuivre,..). On la mesure couramment en décibel par kilo- mètre :AdB/km= 10log(ΦentrantΦ sortant)oùΦdésigne le flux lu- mineux. Cette atténuation dépend de la longueur d"onde de la lumière envoyée dans la fibre. 1.

P ourde la lumière rouge λ= 800nm,

A = 1,2dB/km. Au bout de combien de kilomètres

restera-t"il 10% du flux incident? 2. Même question dans l"infra rougeà 1300nmoù

A = 0,4dB/kmet à1550nmoùA = 0,25dB/km?

En pratique, les lasers employés dans les télécommuni- cations sont conçus pour émettre autour de1550nm,

à votre avis pourquoi?

3 Problème de courbure Considérons maintenant que la fibre se courbe, et pour simplifier supposons qu"elle décrive un arc de cercle de rayon de courburer = 200mm.Figure2 - Fibre optique courbée 1. P ourun ra yonp énétrantdans la fib rep erpendiculaire- ment à sa section, à la limite du bord inférieur, calculer l"angle que fait le rayon avec la normale lorsqu"il ren- contre l"interface gaine/coeur. Y"a-t"il réflexion totale, sia = 1mm? 2. A quelle condition sur le ra yonde courbure cette condi- tion de réflexion totale n"est plus respectée? 3. Citer des a pplicationscoura ntesde la fib reoptique.

1E. Van Brackel

Lycée Jean Perrin - Classe de TSI 1 SP2 - Exercice corrigé : la fibre optique

Correction

1

La fib reoptique à saut d"indice

1. D"ap rèsles lois de De scartesau p ointI1, il y a ré- flexion totale sisin(i1)>n2n

1commen2 riquement,i1>arcsin?n2n 1? = 81,9◦. 2.

Dans le triangle II1I2, on a la relation

i

1+ r0+π2

=π, soitr =π2 -i1, et en ap- pliquant la relation de Descartes en I sin(i

0) = n1sin(r) = n1sin(π2

-i1) = n1cos(i1). Donc sin(i

0) = n1cos(i1)

3.

A vecla relation cos2(α) + sin2(α) = 1,

sin(i

0) = n1?1-sin2(i1) 1? 2 . Donc sin(i 0)21-n22

4.

T rivialementl"ouverture numérique vaut

ON =?n

21-n22= 0,212

5. Le ra yonlumineux a rrivantavec un angle i0= 0par- court une distance L, et met donc un temps t 0=Lv =n1Lc Dans le second cas, la longueur à parcourir est plus grande : pour une longueur L selon z, le rayon parcourt une distanceLcos(r s)avecsin(is) = n1sin(rs). Donc t

1=n1Lc

?1-?sin(is)n 1? 2 On constate alors que le temps de parcours est plus long! 6.

Finalement

Δt =

n1Lc (?1-?sin(is)n 1? 2 -1) soit numériquement

Δt = 2,15×10-10s

Plusieurs remarques :

•d"une part cela signifie que le débit d"informa- tions est limité, car si on envoie deux impulsions pendant un temps inférieur àΔt, elles vont se chevaucher après propagation •les technologies de fibres actuelles sont conçues de telle sorte à compenser un maximum cette dif- férence de temps de parcours. L"idée est alors de faire varier continûment l"indice optique du coeur de telle sorte qu"il décroisse en s"éloignant ducentre. Ainsi la vitesse de propagation cn croît, ce qui permet de compenser partiellement la plus grande longueur de trajet. 2 A tténuationdu signal 1.On cherche la distance à laquelle

ΦentrantΦ

sortant= 10. Avec

A = 10log(10) = 1,2dB/km,

L =

10log(10)1,2= 8,3km

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