Dispersion Modale dans une Fibre Optique à Saut d'Indice
Contexte : Conception d'une liaison optique multimode.
La Fibre OptiqueGuide d'onde diélectrique transportant de la lumière. est le pilier des télécommunications modernes. Cependant, dans les fibres dites MultimodesFibre permettant la propagation de plusieurs modes (chemins) lumineux., la lumière peut emprunter différents chemins de longueurs inégales. Ce phénomène provoque un étalement des impulsions lumineuses appelé Dispersion Modale, limitant le débit maximal de transmission.
Remarque Pédagogique : Cet exercice vous permettra de quantifier cette dispersion et de comprendre pourquoi les fibres monomodes sont privilégiées pour les longues distances.
Objectifs Pédagogiques
- Calculer l'Ouverture Numérique (ON) d'une fibre.
- Déterminer l'écart temporel intermodal (\(\Delta \tau\)).
- Estimer la bande passante maximale de la fibre.
Données de l'étude
On considère une fibre optique à saut d'indice constituée d'un cœur en silice et d'une gaine optique. Nous cherchons à déterminer l'étalement temporel d'une impulsion lumineuse après un parcours d'une certaine longueur.
Fiche Technique / Données
Source : Fiche technique constructeur type fibre OM1 (62.5/125 µm).
| Caractéristique | Valeur |
|---|---|
| Indice de réfraction du cœur (\(n_1\)) | 1.48 |
| Indice de réfraction de la gaine (\(n_2\)) | 1.46 |
| Longueur de la fibre (\(L\)) | 1.0 km (1000 m) |
| Vitesse de la lumière dans le vide (\(c\)) | \(3.0 \times 10^8\) m/s |
Trajets lumineux dans la fibre (Vue en coupe)
Questions à traiter
- Calculer l'Ouverture Numérique (ON) de la fibre.
- Déterminer les temps de parcours minimal (\(t_{\text{min}}\)) et maximal (\(t_{\text{max}}\)).
- En déduire la dispersion intermodale (\(\Delta \tau\)).
- Estimer le débit binaire maximal théorique.
Les bases théoriques
La lumière se propage dans le cœur de la fibre grâce au phénomène de Réflexion Totale Interne. Pour qu'un rayon reste piégé dans le cœur, son angle d'incidence doit être supérieur à l'angle critique défini par la loi de Snell-Descartes.
Ouverture Numérique (ON)
Elle caractérise la capacité de la fibre à capter la lumière. C'est le sinus du demi-angle maximal d'acceptation.
Formule de l'ON
Dispersion Intermodale (\(\Delta \tau\))
C'est la différence de temps de trajet entre le rayon le plus lent (parcourant le plus de chemin en zigzag) et le rayon le plus rapide (direct).
Écart temporel
On utilise souvent l'approximation relative \(\Delta = \frac{n_1 - n_2}{n_1}\), donnant \(\Delta \tau \approx \frac{L \cdot n_1}{c} \cdot \Delta \cdot \frac{n_1}{n_2}\).
Correction : Dispersion Modale dans une Fibre Optique à Saut d'Indice
Question 1 : Calcul de l'Ouverture Numérique
Principe
L'ouverture numérique (ON) est un paramètre fondamental qui définit le cône d'acceptance de la fibre. Plus l'ON est grande, plus il est facile d'injecter de la lumière dans la fibre (elle "capte" mieux la lumière), mais plus la dispersion sera importante car davantage de chemins optiques (modes) sont permis.
Mini-Cours
L'ON correspond physiquement au sinus de l'angle maximal \(\theta_{\text{max}}\) par rapport à l'axe optique sous lequel un rayon lumineux peut entrer dans la fibre et être guidé par réflexion totale interne. Si l'angle est plus grand, le rayon s'échappe dans la gaine.
Remarque Pédagogique
Une ON élevée facilite le couplage avec la source lumineuse (ex: une LED qui émet dans toutes les directions), mais augmente le nombre de modes guidés, ce qui aggrave la dispersion et réduit la bande passante.
Normes
Les méthodes de mesure de l'ON et les tolérances géométriques sont spécifiées par la norme IEC 60793-1-43. Pour une fibre multimode standard de type OM1 ou OM2, l'ON typique est de 0.275 ou 0.200.
Formule(s)
Formules utilisées
Ouverture Numérique
Hypothèses
Nous nous plaçons dans le cadre de l'optique géométrique et considérons une fibre à saut d'indice idéal.
- L'indice de l'air à l'entrée est approximé à \(n_0 \approx 1\).
- La fibre est droite et les indices sont homogènes.
Donnée(s)
Source : Données de l'énoncé basées sur les propriétés des matériaux (cœur dopé germanium / gaine silice).
| Paramètre | Symbole | Valeur |
|---|---|---|
| Indice Cœur | \(n_1\) | 1.48 |
| Indice Gaine | \(n_2\) | 1.46 |
Astuces
Pour le calcul mental ou vérifier vos ordres de grandeur, rappelez-vous que \(a^2 - b^2 = (a-b)(a+b)\). Ici, cela donne \((1.48-1.46) \times (1.48+1.46) = 0.02 \times 2.94\).
Cône d'acceptance (Principe)
Calcul Principal
Détail des étapes de calcul
On commence par calculer les carrés des indices de réfraction, qui sont les valeurs données dans l'énoncé élevées à la puissance 2 :
Nous avons maintenant les valeurs au carré. L'étape suivante consiste à soustraire le carré de l'indice de gaine à celui du cœur :
Pour finaliser le calcul de l'Ouverture Numérique, il ne reste plus qu'à prendre la racine carrée de ce résultat intermédiaire :
Résultat final de l'ON
Le résultat est sans dimension. Une ON de 0.24 est une valeur standard très réaliste pour une fibre multimode, indiquant un cône d'acceptance modéré.
Résultat Validé
Réflexions
Cette valeur est cohérente. Si l'ON était > 1, cela signifierait que toute la lumière incidente (même à 90°) entrerait, ce qui est physiquement impossible pour une fibre classique dans l'air (l'indice de l'air étant ~1, le sinus de l'angle limite ne peut dépasser 1).
Points de vigilance
Attention : L'Ouverture Numérique est une grandeur sans unité. Ne rajoutez pas de degrés ou de radians à la fin. Ce n'est pas un angle, c'est le sinus d'un angle.
Points à Retenir
L'essentiel à mémoriser :
- ON dépend uniquement des indices \(n_1\) et \(n_2\).
- Elle ne dépend pas du diamètre du cœur (en optique géométrique).
- Elle quantifie la capacité de "collecte de lumière" de la fibre.
Le saviez-vous ?
Le concept d'Ouverture Numérique est aussi crucial en microscopie optique : une ON élevée permet de collecter plus d'ordres de diffraction et donc d'obtenir une meilleure résolution spatiale.
FAQ
Peut-on avoir une ON supérieure à 1 ?
Dans l'air non, car \(sin(\theta)\) ne dépasse pas 1. Mais si on immerge la fibre dans un liquide d'indice élevé (huile, eau), l'ON effective pour capturer la lumière peut dépasser 1 (comme pour les objectifs à immersion en microscopie).
A vous de jouer
Si on augmente \(n_1\) à 1.50 (en gardant \(n_2=1.46\)), l'ON augmente-t-elle ou diminue-t-elle ?
📝 Mémo
ON grande = Beaucoup de lumière captée = Beaucoup de modes = Beaucoup de dispersion.
Question 2 : Calcul des Temps de Parcours Min et Max
Principe
La lumière ne se propage pas à la vitesse \(c\) dans la fibre, mais à une vitesse plus faible \(v = c/n\). De plus, le temps de parcours dépend de la distance réelle parcourue par le rayon lumineux : le rayon axial va tout droit, tandis que les rayons obliques font des zigzags et parcourent plus de distance.
Mini-Cours
Le rayon axial correspond au mode fondamental : il parcourt la distance minimale \(L\). Le rayon critique correspond au mode d'ordre le plus élevé guidé : il parcourt la distance maximale en effectuant des réflexions exactement à l'angle critique.
Remarque Pédagogique
C'est cette différence de temps de parcours entre le trajet le plus court et le trajet le plus long qui crée l'élargissement de l'impulsion (dispersion).
Normes
La vitesse de la lumière dans le vide \(c\) est fixée exactement à 299 792 458 m/s par le Bureau International des Poids et Mesures (BIPM). Pour les calculs, on utilise souvent \(3 \times 10^8 \text{ m/s}\).
Formule(s)
Temps de parcours
Hypothèses
On suppose :
- Fibre parfaitement droite de longueur \(L\) (pas de courbures macroscopiques).
- Indice de réfraction homogène et constant.
Donnée(s)
Source : Paramètres géométriques définis dans le cahier des charges de l'installation.
| Paramètre | Valeur | Unité SI |
|---|---|---|
| Longueur L | 1000 | \(\text{m}\) |
| Vitesse c | \(3 \times 10^8\) | \(\text{m/s}\) |
| Indices | \(n_1=1.48, n_2=1.46\) | - |
Astuces
Utilisez les puissances de 10 (\(10^8\) au dénominateur devient \(10^{-8}\) au numérateur) pour simplifier. Attendez-vous à un résultat de l'ordre de quelques microsecondes (\(\mu\text{s}\)).
Chemins Optiques Comparés
Calcul Principal
Détail du calcul de \(t_{\text{min}}\)
Le temps minimum correspond au trajet en ligne droite. On multiplie la distance par l'indice pour obtenir le chemin optique, puis on divise par c :
On convertit ce résultat en microsecondes pour plus de lisibilité :
Détail du calcul de \(t_{\text{max}}\)
Pour le temps maximum, on prend en compte l'allongement du parcours dû aux réflexions. On multiplie le temps minimum par le rapport des indices :
Le résultat final est légèrement supérieur au temps minimal, ce qui est logique puisque le chemin est plus long :
Chronologie d'arrivée des photons
Réflexions
L'écart relatif est faible (environ 1.3%), mais cet écart est suffisant pour brouiller un signal à haute fréquence où les bits se succèdent très rapidement. \(t_{\text{max}}\) est toujours supérieur à \(t_{\text{min}}\) car \(n_1 > n_2\), donc le facteur \(\frac{n_1}{n_2} > 1\).
Points de vigilance
Erreur fréquente : Ne confondez pas \(n_1\) et \(n_2\) dans la formule de \(t_{\text{max}}\). Le numérateur est \(n_1^2\) (ou \(n_1 \times n_1\)) car le trajet est allongé d'un facteur \(n_1/n_2\) par rapport au temps axial déjà proportionnel à \(n_1\).
Points à Retenir
La vitesse de phase de la lumière dans le milieu est \(v = c/n\). Plus l'indice est élevé, plus la lumière est lente. Le temps total dépend de cette vitesse ET de la géométrie du parcours.
Le saviez-vous ?
Dans l'eau ou la glace, des particules subatomiques (comme les neutrinos) peuvent voyager plus vite que la lumière dans ce même milieu (effet Tcherenkov), créant une onde de choc lumineuse bleue, mais rien ne dépasse jamais \(c\) dans le vide !
FAQ
Pourquoi la lumière ralentit-elle dans la fibre ?
Elle interagit en permanence avec les électrons des atomes de silice (absorption/réémission virtuelles), ce qui crée un retard de propagation effectif macroscopique.
A vous de jouer
Si l'indice \(n_1\) était de 1.5, quelle serait la vitesse de la lumière \(v\) dans le cœur en km/s ?
📝 Mémo
Distance plus longue = Temps plus long. Logique imparable !
Question 3 : Calcul de la Dispersion Intermodale
Principe
La dispersion intermodale est définie comme la différence temporelle entre l'arrivée du rayon le plus lent (mode d'ordre élevé) et le rayon le plus rapide (mode fondamental). Elle représente l'élargissement temporel \(\Delta \tau\) de l'impulsion lumineuse à la sortie de la fibre.
Mini-Cours
Cet étalement est le facteur limitant principal pour la bande passante des fibres multimodes à saut d'indice. Si deux impulsions lumineuses successives (représentant des "1") s'élargissent trop, elles finissent par se chevaucher et le récepteur ne peut plus les distinguer (Interférences Inter-Symboles).
Remarque Pédagogique
Pour les fibres à saut d'indice, cette dispersion est la limitation principale (plusieurs dizaines de \(\text{ns/km}\)), bien avant la dispersion chromatique (quelques \(\text{ps/nm/km}\)).
Normes
Les fibres multimodes modernes (OM3, OM4) utilisent un profil à gradient d'indice pour minimiser cet effet en égalisant les temps de parcours, une technique normalisée par l'ISO/IEC 11801.
Formule(s)
Formules utilisées
Étalement Temporel (Définition)
Ou la formule algébrique directe (plus précise pour les calculs) :
Hypothèses
On néglige ici la dispersion chromatique (dépendance de \(n\) en fonction de la longueur d'onde) et la dispersion de guide d'onde, car la dispersion modale est prédominante dans ce type de fibre.
Donnée(s)
Source : Résultats obtenus par calcul lors de la Question 2.
| Paramètre | Valeur |
|---|---|
| \(t_{\text{min}}\) (calculé) | \(4.9333... \mu\text{s}\) |
| \(t_{\text{max}}\) (calculé) | \(5.0009... \mu\text{s}\) |
| Rapport \(n_1/n_2\) | \(1.48/1.46 \approx 1.0137\) |
Astuces
Utilisez la forme factorisée \(\frac{L n_1}{c} (\frac{n_1}{n_2}-1)\) plutôt que de soustraire \(t_{\text{max}} - t_{\text{min}}\) directement si vous avez arrondi les temps intermédiaires. Cela réduit les erreurs d'arrondi sur la soustraction de deux grands nombres très proches.
Impulsions en entrée (t=0)
Calcul Principal
Détail du calcul
Méthode 1 : Soustraction directe des temps calculés précédemment (attention aux arrondis).
Méthode 2 (Recommandée) : Utilisation de la formule factorisée pour plus de précision.
1. On calcule d'abord le terme différentiel \((n_1/n_2 - 1)\) :
2. Puis on multiplie ce petit facteur par le temps minimum \(t_{\text{min}}\) (qui vaut \(L n_1 / c\)) que nous avions déjà calculé :
Enfin, on convertit en nanosecondes (\(1 \mu\text{s} = 1000 \text{ ns}\)) pour avoir une unité adaptée :
Impulsions en sortie (t=L/v)
Réflexions
67.6 ns est une valeur considérable en optique. Pour comparaison, en fibre monomode, la dispersion est souvent inférieure à 1 ps (0.001 ns) sur cette distance ! Cela limite considérablement le nombre de bits que l'on peut envoyer par seconde.
Points de vigilance
Ne confondez pas le temps de propagation (latence, en \(\mu\text{s}\)) et la dispersion (élargissement de l'impulsion, en \(\text{ns}\)). La latence retarde l'arrivée du message, la dispersion le brouille.
Points à Retenir
La dispersion modale est proportionnelle à la longueur \(L\) de la fibre. Si on double la longueur de fibre, on double la dispersion et on divise la bande passante par deux.
Le saviez-vous ?
La dispersion chromatique, due au fait que les différentes couleurs (longueurs d'onde) de la lumière voyagent à des vitesses différentes, s'ajoute à cette dispersion modale, mais elle est négligeable dans les fibres multimodes à saut d'indice.
FAQ
La dispersion est-elle une perte d'énergie ?
Non, c'est une déformation temporelle du signal (étalement de l'énergie dans le temps), pas une atténuation (perte de puissance). L'énergie totale de l'impulsion est conservée (si on néglige l'atténuation linéique).
A vous de jouer
Si la fibre faisait 10 km (au lieu de 1 km), quelle serait la dispersion (en ns) ?
📝 Mémo
Dispersion = Différence de temps d'arrivée = Étalement de l'impulsion.
Question 4 : Estimation du Débit Binaire Maximal
Principe
Le débit binaire est le nombre de bits transmis par seconde. Pour que le récepteur puisse lire les données sans erreur, chaque bit (représenté par une impulsion) doit avoir une durée suffisante pour ne pas empiéter sur le bit suivant à cause de l'étalement \(\Delta \tau\). Si les impulsions se chevauchent trop, on ne peut plus distinguer un "0" d'un "1".
Mini-Cours
On utilise souvent le critère de Nyquist ou une règle empirique pour le codage NRZ (Non-Return-to-Zero). Une règle courante en ingénierie stipule que la bande passante maximale \(B\) est inversement proportionnelle à \(2 \times \Delta \tau\).
Remarque Pédagogique
C'est une estimation théorique "plafond". En pratique, on prend des marges de sécurité importantes pour garantir la qualité de service (QoS).
Normes
Les protocoles de télécommunications comme Ethernet (IEEE 802.3) définissent des exigences strictes de bande passante et de dispersion pour garantir un taux d'erreur binaire (BER) inférieur à \(10^{-12}\).
Formule(s)
Formule empirique
Débit Max (Approximation)
Hypothèses
On suppose :
- Un codage de signal binaire simple type NRZ (1 bit = 1 impulsion).
- Aucune technique de compensation de dispersion n'est utilisée (pas d'égaliseur électronique).
Donnée(s)
Source : Résultat obtenu par calcul lors de la Question 3.
| Paramètre | Valeur |
|---|---|
| Dispersion \(\Delta \tau\) | \(67.6 \times 10^{-9} \text{ s}\) |
Astuces
Rappelez-vous les conversions d'unités inverses : \(1 / 10^{-9} = 10^9\) (Giga) et \(1 / 10^{-6} = 10^6\) (Méga). Diviser par des nanosecondes donne des Gigahertz (ou Gbit/s).
Train de bits Idéal (Entrée)
Calcul Principal
Détail du calcul
1. On calcule d'abord la période minimale nécessaire pour un bit, qui est deux fois la largeur de la dispersion pour éviter le chevauchement :
2. Puis on prend l'inverse de cette durée pour obtenir la fréquence en bits par seconde. L'inverse de \(10^{-9}\) nous donne des Giga (\(10^9\)) :
En divisant par un million, on convertit ce résultat en Mégabits par seconde :
Interférences ISI (Sortie)
Réflexions
On obtient environ 7.4 Mbit/s. C'est un débit extrêmement faible comparé aux besoins actuels (on parle souvent de Gbit/s pour la fibre). Cela démontre mathématiquement pourquoi la fibre à saut d'indice est obsolète pour les réseaux de télécoms longue distance et a été remplacée par la fibre à gradient d'indice (qui réduit la dispersion) puis par la fibre monomode (qui l'annule presque).
Points de vigilance
Ne confondez pas Hz (fréquence, bande passante analogique) et bit/s (débit numérique). Bien qu'ils soient liés, le facteur de conversion dépend du type de codage (NRZ, PAM4, etc.). Ici, on a fait l'approximation 1 bit = 1 Hz.
Points à Retenir
Équation fondamentale : Fibre saut d'indice = Forte dispersion = Faible débit.
Le saviez-vous ?
La limite théorique absolue de débit d'un canal de transmission (en présence de bruit) est donnée par le célèbre théorème de Shannon-Hartley : \(C = B \log_2(1 + S/N)\).
FAQ
Peut-on améliorer ce débit sans changer de fibre ?
Oui, dans une certaine mesure, en utilisant des répéteurs régénérateurs placés à intervalles réguliers qui "nettoient" et reforment le signal avant qu'il ne soit trop dégradé.
A vous de jouer
Si la dispersion est divisée par 2, le débit est-il multiplié par 2 ?
📝 Mémo
Le débit est inversement proportionnel à la dispersion. Moins ça s'étale, plus ça va vite !
Schéma Bilan : Impact sur l'Impulsion
Visualisation de l'élargissement de l'impulsion lumineuse entre l'entrée et la sortie.
📝 Grand Mémo : Ce qu'il faut retenir absolument
Pour réussir vos exercices de fibre optique :
-
🔑
Réfraction : La lumière reste dans le cœur car \(n_1 > n_2\) (Réflexion Totale Interne).
-
📐
Dispersion : Elle est proportionnelle à la longueur \(L\) de la fibre et à la différence d'indice.
-
⚠️
Bande Passante : Plus la dispersion est grande, plus la bande passante (le débit) est faible.
🎛️ Simulateur de Dispersion
Analysez l'impact de la longueur de la fibre et de l'indice de cœur sur l'étalement temporel.
Paramètres
📝 Quiz final : Fibre Optique
1. Quelle est la condition principale pour qu'il y ait guidage de la lumière ?
2. Comment réduire la dispersion modale ?
📚 Glossaire Photonique
- Cœur
- Partie centrale de la fibre où circule la lumière.
- Gaine
- Enveloppe optique entourant le cœur, d'indice plus faible, permettant la réflexion totale.
- Mode
- Trajet possible pour un rayon lumineux respectant les équations de Maxwell.
- Atténuation
- Perte de puissance du signal lors de sa propagation (en dB/km).
- Bande passante
- Capacité de transmission de données maximale de la fibre.
Le Saviez-vous ?
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