Comment ça marche : une fibre optique

Connaissez vous l’album « Dark side of the moon » de Pink Floyd? Son visuel est l’illustration parfaite du phénomène de réfraction de la lumière. Mais au fait, pourquoi la lumière est-elle déviée en passant dans le prisme? Et finalement, comment la lumière est-elle transportée à travers une fibre optique?

pochette DSOTM.jpg

La réfraction de la lumière

Dans le vide absolu, la lumière se propage à la vitesse de … la lumière, c’est à dire 299 792 458 m/s. Mais ça, c’est dans le vide. Comme le montre le tableau ci-dessous, sa propagation est plus ou moins rapide dans d’autres milieux. On défini l’indice de réfraction du milieu comme la vitesse de la lumière dans ce milieu divisée par la vitesse de la lumière dans le vide (n = vmilieu / c).

Lorsque la lumière traverse l’interface entre 2 milieux d’indice différents, une partie est déviée (on dit alors « réfractée »), et une partie est réfléchie.

  • Plus la différence d’indice est élevée entre les 2 milieux, plus la déviation est forte.
  • Plus l’angle d’incidence θ1 est élevé, plus grande est la proportion du faisceau qui est réfléchie. Au delà d’un angle, le faisceau est entièrement réfléchi.
Vmilieu (m/s) n
Eau 224 900 569 1,333
Huile 203 940 448 1,47
Soda 205 337 300 1,46
Air à 20°C 299 704 645 1,000 293

 

Schéma réfraction.gif

Ces indices sont établis pour une lumière de longueur d’onde λ=589nm (rouge). En effet, La pochette de Pink Floyd nous indique que la lumière n’est pas déviée du même angle selon sa couleur, la lumière bleue (longueur d’onde plus courte) est plus déviée que la lumière rouge (longueur d’onde plus longue).

 

De la réfraction à la fibre optique

Quand la lumière traverse un milieu dont l’indice de réfraction varie de manière continue (régulière), elle est réfractée en permanence et son parcours devient courbe au lieu d’être une succession de segments.

Les fibres optiques sont des cylindres transparents dont l’indice de réfraction est légèrement supérieur au centre (le coeur) qu’en périphérie (la gaine). Comme le montre le schéma ci-dessous, il existe:

  • des fibres « à saut d’indice », avec un coeur d’indice n1 et une gaine d’indice n2;
  • et des fibres « à gradient d’indice » avec un coeur dont l’indice varie et une gaine d’indice n2.

fibre optique.PNG

Avec un angle d’incidence bien choisi, la lumière est envoyée dans le coeur de la fibre (la zone rouge du schéma précédent). A chaque rencontre avec l’interface bleue, la lumière subie une réflexion totale (en tout cas une grosse proportion). C’est ce qui lui permet de traverser des kilomètres sans sortir de la fibre.

La perte de puissance lumineuse est d’environ 0,1484 dB/km: ce qui signifie qu’à chaque km, 95% de la puissance lumineuse injectée est transmise. Pour une ligne ADSL en cuivre, la perte de puissance du signal est de 7,9 dB/km: à chaque kilomètre, seulement 3% de la puissance est transmise!

Que devient la lumière perdue? Eh bien elle est soit réfractée en dehors de la fibre, soit absorbée par les impuretés du coeur de la fibre.

Voila, vous connaissez (presque) tous les secrets de la fibre optique. Vous pourrez maintenant vous émerveiller de cette technologie à chaque fois que vous vous connecterez à internet!

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