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

Les types de fibres

Chapitre 3Durée ≈ 20 minNiveau : BUT 3 GEIIPrérequis : chapitre 2 (réflexion totale interne)
Objectifs du chapitre
  • Décrire la structure d'une fibre (cœur, gaine, revêtement)
  • Distinguer fibres multimodes à saut d'indice, à gradient d'indice et monomodes
  • Expliquer qualitativement les dispersions modale et chromatique
  • Choisir un type de fibre selon l'usage

1. Plus fine qu'un cheveu

Une fibre optique de télécommunication mesure 0,125 mm de diamètre, verre compris. Le cœur, où circule réellement la lumière, peut ne faire que 9 µm : environ huit fois moins qu'un cheveu.
cœur : 9 µm (monomode) ou 50 à 62,5 µm (multimode) gaine en verre : 125 µm (indice un peu plus faible) revêtement plastique coloré : 250 µm (protection) un cheveu : environ 70 µm (même échelle)
Les trois couches d'une fibre, à l'échelle (cœur monomode représenté).

Le cœur guide la lumière. La gaine, en verre elle aussi, a un indice légèrement plus faible (écart souvent inférieur à 1 %) : c'est elle qui permet la réflexion totale interne. Le revêtement plastique ne joue aucun rôle optique : il protège le verre des rayures et de l'humidité, et sa couleur permet de repérer les fibres dans un câble.

La réflexion totale exige n1>n2 : la gaine doit avoir un indice plus faible que le cœur. Le revêtement, lui, n'a pas de rôle optique.

Quelle condition la gaine doit-elle remplir ?

  1. Être opaque pour bloquer la lumière
  2. Avoir un indice légèrement plus faible que le cœur
  3. Avoir un indice plus élevé que le cœur

2. Trois familles de fibres

Dans un cœur large, la lumière peut suivre de nombreux chemins différents, appelés modes : des rayons presque parallèles à l'axe, d'autres qui zigzaguent beaucoup. D'où trois familles :

Multimode à saut d'indice profil Multimode à gradient d'indice profil Monomode profil
Les rayons de couleurs différentes représentent des modes différents. À droite, le profil d'indice (l'indice en fonction de la distance au centre).
TypeCœurComment voyage la lumière
Multimode à saut d'indicelarge (50 µm et plus)indice constant dans le cœur, puis brusque chute : les rayons zigzaguent, les plus inclinés font un chemin beaucoup plus long
Multimode à gradient d'indice50 ou 62,5 µml'indice diminue progressivement du centre vers le bord : les rayons s'incurvent en douceur. Ceux qui vont loin du centre font plus de chemin, mais dans un verre d'indice plus faible, donc plus vite : les temps d'arrivée s'égalisent
Monomodeenviron 9 µmle cœur est si fin qu'un seul mode peut se propager, presque en ligne droite

Une fibre dont le cœur mesure 9 µm est…

  1. multimode à saut d'indice
  2. multimode à gradient d'indice
  3. monomode

3. Ce qui limite le débit : les dispersions

Pour transmettre des bits, on envoie des impulsions de lumière (1 = lumière, 0 = pas de lumière, chapitre 5). Problème : en chemin, chaque impulsion s'étale dans le temps. Si elle s'étale trop, elle déborde sur sa voisine et le récepteur ne sait plus distinguer un 1 d'un 0. Deux phénomènes en sont responsables.

La dispersion modale (fibres multimodes)

Les différents modes ne parcourent pas la même distance : les rayons qui zigzaguent arrivent après ceux qui vont tout droit. Une impulsion courte à l'entrée ressort élargie. Le gradient d'indice réduit fortement ce défaut ; la fibre monomode le supprime, puisqu'il n'y a plus qu'un seul mode.

La dispersion chromatique (toutes les fibres)

Une source de lumière n'émet jamais une seule longueur d'onde pure, mais une petite plage de « couleurs ». Or dans le verre, les longueurs d'onde ne vont pas toutes exactement à la même vitesse. Sur de grandes distances, même dans une fibre monomode, l'impulsion finit par s'étaler. On la limite avec des lasers au spectre très étroit, en travaillant vers 1310 nm, où elle est presque nulle dans les fibres standard, ou en la compensant électroniquement.

une impulsion qui s'étale

Modèle simplifié et ordres de grandeur indicatifs : étalement d'environ 50 ns/km (saut d'indice), 0,2 ns/km (gradient d'indice), 0,5 ps/km (monomode avec laser à spectre étroit). L'échelle de longueur est logarithmique.

Quel type de fibre utilise-t-on dans un câble sous-marin transatlantique ?

  1. Monomode
  2. Multimode à gradient d'indice
  3. Multimode à saut d'indice

4. Quelle fibre pour quel usage ?

UsageFibrePourquoi
Câbles sous-marins, réseaux longue distance, liaisons entre villesmonomodeseule capable de porter de très hauts débits sur des centaines de km
Fibre jusqu'au logement (FTTH)monomodedistances de plusieurs km entre le central et les abonnés
Data centers, réseaux d'entreprise (quelques centaines de m)multimode à gradient d'indicecœur large, donc connexion facile et émetteurs bon marché
Voiture, hi-fi (liaison audio optique), domotiquefibre plastique (POF)très bon marché, souple, facile à couper ; pertes élevées, donc quelques mètres seulement
Les drones filoguidés du chapitre 1 emportent des bobines de plusieurs kilomètres de fibre très fine. Il faut une fibre à la fois légère, résistante et qui supporte d'être déroulée vite et pliée : un vrai défi mécanique, autant qu'optique.

Associez chaque usage au type de fibre adapté.

  • Câble entre Marseille et l'Asie
  • Liaison de 150 m entre deux baies de serveurs
  • Liaison audio optique entre une TV et une barre de son
  • Fibre qui arrive dans votre box
  • Une fibre = cœur (guide la lumière) + gaine d'indice plus faible (125 µm) + revêtement de protection.
  • Multimode (cœur large, plusieurs chemins) ou monomode (cœur d'environ 9 µm, un seul chemin).
  • Les dispersions étalent les impulsions et limitent le débit × distance : la modale (multimode) et la chromatique (toutes les fibres).
  • Monomode pour les longues distances ; multimode pour les courtes ; plastique pour quelques mètres.

Avant la suite, vérifiez que vous savez :