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Auteur(s)
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Thierry GEORGES : France Télécom
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Lire l’articleINTRODUCTION
Depuis sa première observation en 1834 dans un canal écossais et son explication mathématique en 1895, la propagation de solitons a trouvé une place de plus en plus importante dans de nombreux domaines de la physique et des mathématiques. Objet de nombreuses études mathématiques dans les années 60, il faut attendre 1973 et les premières fibres monomodes de silice à faible perte pour apparaître dans le domaine de la transmission optique. C’est pourtant dans ce domaine que de nombreuses propriétés des solitons ont pu être vérifiées expérimentalement : interaction de solitons, propagation de solitons d’ordre 1 et 2 sur de nombreuses périodes... Cela a pu être réalisé grâce à un milieu très transparent, la disponibilité d’amplificateurs optiques et le développement de techniques de contrôle.
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- Version courante de janv. 2015 par Thierry GEORGES, Michel JOINDOT, Irène JOINDOT
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Des solutions pour des transmissions sur des distances infinies2. Effets physiques fondamentaux et solitons optiques
La propagation d’ondes lumineuses dans des milieux transparents (à faible perte) est régie par des phénomènes linéaires, telles la dispersion chromatique ou les pertes de la fibre, et non linéaires, tel l’ effet Kerr . Ces deux effets sont liés à la variation de la vitesse de la lumière dans le milieu, en fonction de la longueur d’onde (effet linéaire) et de l’intensité lumineuse (effet non linéaire).
Le rapport de la vitesse c de la lumière dans le vide par sa vitesse dans le milieu est appelé indice de réfraction du milieu. Cet indice, comme son nom l’indique, régit la réfraction d’une onde lumineuse au passage d’un milieu à un autre. C’est la loi de Snell (loi de Descartes pour les Français) qui est appliquée. L’angle par rapport à la normale du faisceau lumineux dans le nouveau milieu dépend du rapport des indices de réfraction des deux milieux à la longueur d’onde λ du faisceau lumineux. Si les indices varient en fonction de la longueur d’onde (dispersion chromatique), les différentes couleurs d’un faisceau lumineux sont séparées. C’est ce qui se passe dans un prisme (de verre), par exemple, ou dans une gouttelette d’eau de l’atmosphère pour former un arc-en-ciel.
2.1 Dispersion chromatique
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Le verre (ou la silice amorphe) est un milieu dispersif. Rappelons- nous que l’indice de réfraction est lié à la vitesse de la lumière. Aux longueurs d’ondes visibles, le rouge va plus vite que le bleu.
Si une impulsion de lumière blanche est injectée à l’entrée d’une fibre de silice, les longueurs d’onde rouges émergent de la fibre les premières suivies de l’orange, du jaune, du vert et du bleu et la durée de l’impulsion en sortie est plus longue qu’en entrée. C’est ce que l’on appelle la dispersion de vitesse de groupe normale ou positive. Les grandes longueurs d’onde se propagent plus rapidement que les longueurs d’onde plus courtes. Dans l’infrarouge, autour de 1,3 µm, le signe de la dispersion de vitesse de groupe change (figure 1). C’est le domaine de dispersion anormale ou négative (les dénominations « normale » et « anormale » proviennent du fait que si l’on regarde l’indice de réfraction d’un milieu sur une très large fenêtre spectrale, la dispersion...
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