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Radio & HyperRévisions · BUT GEII
Cours 3 - Communication par fibre optique

Rappels d'optique et guidage de la lumière

Chapitre 2Durée ≈ 25 minNiveau : BUT 3 GEIIPrérequis : chapitre 1
Objectifs du chapitre
  • Définir réflexion, réfraction, diffusion et diffraction
  • Calculer le temps de propagation dans une fibre
  • Énoncer les conditions de la réflexion totale interne
  • Calculer un angle critique
  • Connaître (pour information) l'ouverture numérique

1. Quatre phénomènes à connaître (rappels express)

Pas de panique : vous avez déjà fait beaucoup d'optique. Ici, on ne garde que l'essentiel utile à la fibre, avec un exemple du quotidien pour chaque phénomène.
PhénomèneCe qui se passeExemple du quotidienRôle pour la fibre
Réflexionla lumière rebondit sur une surfaceun miroir, une vitrinec'est elle qui guide la lumière dans la fibre
Réfractionla lumière change de direction en passant d'un milieu à un autrela paille qui semble « cassée » dans un verre d'eauelle explique pourquoi la lumière peut sortir de la fibre
Diffusionla lumière est renvoyée dans toutes les directions par de minuscules irrégularitésle ciel bleu, le faisceau visible d'un phare dans le brouillardprincipale cause de pertes (chapitre 4) et principe de l'appareil de mesure OTDR (chapitre 6)
Diffractionla lumière s'étale en passant par une ouverture ou un obstacle de taille proche de sa longueur d'ondeles reflets irisés d'un CDla lumière qui sort d'une fibre s'élargit en cône

Associez chaque observation au phénomène correspondant.

  • Le ciel est bleu
  • Une paille semble brisée dans un verre d'eau
  • Vous vous voyez dans une vitrine
  • Un CD renvoie des couleurs d'arc-en-ciel

2. L'indice de réfraction et le temps de propagation

Dans le vide, la lumière va à c≈300000 km/s. Dans un matériau, elle ralentit. L'indice de réfraction n mesure ce ralentissement :

n=cv⟺v=cn
Milieuaireausilice d'une fibreverre courantdiamant
Indice n≈ 1,000 3≈ 1,33≈ 1,45 à 1,47≈ 1,5≈ 2,42

Pour une longueur L, le temps de propagation est donc :

t=Lv=L·nc

Ordre de grandeur à retenir : avec n=1,5, v=200000 km/s, soit 5 µs par kilomètre de fibre.

Exemple corrigé : traverser l'Atlantique

Un câble Europe–Amérique mesure environ L=6000 km. Avec n=1,5 : t=6000×1,5300000=0,030 s=30 ms pour un aller, 60 ms pour un aller-retour.

Par un satellite géostationnaire (36 000 km d'altitude), le signal doit monter puis redescendre : au minimum 72 000 km à la vitesse de la lumière, soit 0,24 s = 240 ms pour un seul aller. Huit fois plus que le câble !

calculateur de latence

Dans la finance, des sociétés de trading haute fréquence passent des ordres en quelques microsecondes. Gagner quelques kilomètres de trajet, ou faire passer le signal dans l'air plutôt que dans le verre, peut valoir des millions. Certaines ont construit des liaisons par faisceaux hertziens en ligne droite, ou s'intéressent aux fibres à cœur creux (chapitre 7).
t=L·nc=100 km×1,5300000 km/s=0,0005 s=0,5 ms soit 5 µs par km × 100 km.

Combien de temps met la lumière pour parcourir 100 km de fibre d'indice n=1,5 ? (en ms)

3. Le secret de la fibre : la réflexion totale interne

Quand la lumière passe d'un milieu d'indice n1 à un milieu d'indice n2, elle obéit à la loi de Snell-Descartes (angles mesurés par rapport à la normale à la surface) :

n1sinθ1=n2sinθ2

Si la lumière va vers un milieu moins réfringent (n2<n1), le rayon réfracté s'écarte de la normale. En augmentant θ1, on arrive à un angle où le rayon réfracté rase la surface (θ2=90°) : c'est l'angle critique θc. Au-delà, plus rien ne sort : toute la lumière est réfléchie. C'est la réflexion totale interne.

sinθc=n2n1⟹θc=arcsin(n2n1)
Deux conditions pour une réflexion totale interne :
  1. la lumière va d'un milieu plus réfringent vers un milieu moins réfringent : n1>n2 ;
  2. l'angle d'incidence dépasse l'angle critique : θ>θc.

Une fibre est donc faite d'un cœur (indice n1) entouré d'une gaine d'indice n2 légèrement plus faible. La lumière rebondit sur la frontière cœur-gaine sans jamais en sortir, des milliers de fois par mètre.

rayon lumineux dans une fibre

Schéma : l'échelle horizontale est comprimée 6 fois pour que les rebonds soient visibles.

Dès 1842, le physicien genevois Daniel Colladon montre à Paris une « fontaine lumineuse » : la lumière d'une lampe reste prisonnière d'un jet d'eau qui s'incurve, par réflexion totale. L'eau (n≈1,33) joue le rôle du cœur, l'air (n=1) celui de la gaine. C'est le principe de la fibre optique, plus d'un siècle avant les télécoms !
Exemple corrigé : la fontaine de Colladon θc=arcsin(11,33)≈arcsin(0,752)≈48,8°

Tout rayon qui frappe la surface du jet avec un angle d'incidence supérieur à 48,8° reste dans l'eau.

θc=arcsin(n2n1)=arcsin(1,461,48)=arcsin(0,9865)≈80,6° Les rayons doivent donc frapper la gaine de façon très rasante (θ>80,6°) pour rester guidés.

Une fibre a un cœur d'indice 1,48 et une gaine d'indice 1,46. Calculez l'angle critique (en degrés).

4. Le cône d'acceptance et l'ouverture numérique

Pour information. Cette partie n'est pas évaluée : ni en TD, ni dans le quiz noté. Elle explique pourquoi on ne peut pas injecter la lumière n'importe comment dans une fibre.

Pour que la lumière soit guidée, elle doit frapper la gaine avec un angle supérieur à θc. Cela impose une contrainte à l'entrée de la fibre : seuls les rayons qui arrivent dans un cône autour de l'axe seront guidés. C'est le cône d'acceptance, de demi-angle θa. On le caractérise par l'ouverture numérique (ON, ou NA en anglais), pour une lumière qui arrive depuis l'air :

ON=sinθa=n12−n22

Exemple : n1=1,48 et n2=1,46 donnent ON=2,1904−2,1316=0,0588≈0,242 soit θa≈14°. Un rayon qui arrive avec plus de 14° d'inclinaison ne sera pas guidé.

cœur n₁gaine n₂ θa seuls les rayons dans ce cône sont guidés

Plus l'écart d'indice est grand, plus le cône est ouvert, et plus il est facile d'injecter la lumière. Les fibres multimodes ont une grande ouverture numérique, les fibres monomodes une petite (chapitre 3).

ON=n12−n22 augmente avec l'écart entre n1 et n2. Si n2 se rapproche de n1, l'angle critique augmente et le cône d'acceptance se referme.

Si l'on rapproche l'indice de la gaine de celui du cœur, le cône d'acceptance…

  1. se referme
  2. s'ouvre
  3. ne change pas
  • v=cn ; temps de propagation t=L·nc, soit environ 5 µs/km dans une fibre.
  • Réflexion totale interne si n1>n2 et θ>θc, avec θc=arcsin(n2n1).
  • Une fibre = un cœur d'indice n1 entouré d'une gaine d'indice n2 un peu plus faible.
  • Pour information : ON=n12−n22.

Avant la suite, vérifiez que vous savez :

  • Fontaine de Colladon (1842) : Wikipédia (en), Optical fiber (consulté le 10/10/2026).