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Élisabeth GIACOBINO : Directeur de recherches au Centre national de la recherche scientifique (CNRS)
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Amorcée au début des années 80, une véritable révolution est en train de se produire en cette fin de XXe siècle dans les télécommunications. Remplaçant les signaux électriques, ce sont des impulsions lumineuses qui véhiculent l’information, conversations téléphoniques, données informatiques ou télévision, le long de fins cylindres de verre, les fibres optiques. En France, 22 000 Km de fibres ont été installés et assurent environ 80 % des connexions entre centraux téléphoniques. Aux États-Unis, plus de 95 % des liaisons longue distance (plus de 200 Km) utilisent des fibres optiques. Les câbles transocéaniques sont maintenant des câbles optiques.
Les fibres optiques présentent l’avantage de pouvoir transmettre l’information avec des débits beaucoup plus élevés que les câbles en cuivre traditionnels : certaines lignes peuvent transporter simultanément une dizaine de milliers de communications téléphoniques. Comparées aux fils de cuivre, les fibres sont aussi plus légères, moins encombrantes, insensibles aux perturbations électromagnétiques, inertes et résistantes à la corrosion.
L’atténuation des signaux le long des fibres optiques a diminué de façon extraordinaire en quinze ans : si la première fibre commerciale installée en 1977 aux États-Unis perdait la moitié de la lumière sur un kilomètre, en 1996, les pertes sont descendues à quelques pour-cent par kilomètre. De plus, pour les communications à haut débit (plus de 1 Mbit /s), les pertes des fibres optiques sont constantes, tandis que celles des lignes de transmission métalliques (paires de fils ou câbles coaxiaux) augmentent avec la fréquence, limitant ainsi l’utilisation de forts débits. Les fibres offrent aussi une grande souplesse d’emploi. Elles peuvent être installées pour des communications à bas débit, puis être utilisées dans un système à haut débit si l’on change l’électronique terminale.
Dans cet article, nous exposons tout d’abord le principe du guidage de la lumière dans un milieu réfractif, puis nous abordons la description et le fonctionnement des fibres optiques et leur utilisation dans les réseaux de communications. Nous présentons ensuite les futurs systèmes de communications optiques. Enfin, nous donnons un très bref aperçu sur d’autres applications des fibres optiques.
Pour des détails complémentaires, le lecteur pourra se reporter aux articles spécialisés du traité Électronique.
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Fibres optiques1. Principe du guidage de la lumière
Une fibre optique est un fin cylindre de verre dans lequel la lumière est piégée par réflexion totale interne. Pour comprendre comment se propage la lumière dans une fibre, on peut considérer un système géométriquement plus simple, le guide d’onde plan symétrique, constitué d’une couche plane d’un milieu d’indice de réfraction n 1 prise en sandwich entre deux couches d’un milieu d’indice n 2 inférieur à n 1 . Les principales propriétés se transposent ensuite au cas de la fibre optique cylindrique. Nous décrivons tout d’abord les caractéristiques du guide d’onde 1.1, puis nous calculons les modes d’un tel guide 1.2 et nous étudions leurs propriétés 1.3 ; enfin nous indiquerons comment se propage une onde continue dans un guide 1.4.
1.1 Guide d’onde plan
Le guide d’onde plan symétrique décrit précédemment est représenté sur la figure 1. Lorsqu’un rayon lumineux se propage dans le milieu d’indice n 1 , il subit la réflexion totale à l’une des interfaces avec l’autre milieu d’indice n 2 , si l’angle d’incidence Φ à l’interface est supérieur à l’angle critique Φc donné par :
À la réflexion suivante avec l’autre interface, le rayon est réfléchi dans les mêmes conditions et ainsi de suite. Il est ainsi guidé dans la couche par des réflexions totales successives.
Un faisceau de rayons envoyé dans...
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