Affaiblissement d'une fibre optique

L'affaiblissement ce sont des phénomènes différents qui font réduire la puissance du signal propagé mais qui n’affectent pas en même temps sa forme.

Pour décrire du point de vue mathématique les dissipations de puissance dans une fibre optique qui résultent de l’affaiblissement, l’on utilise un paramètre dit un affaiblissement linéique a, mesuré sur un section de 1 km de longueur. Il est exprimé en dB/km et défini par la formule suivante :

P(l₁) et P(l₂) – puissance optique mesurée dans une fibre optique dans les points l₁ et l₂ séparés l'un de l'autre de L

L'affaiblissement augmente exponentiellement lorsque la longueur de la fibre augmente ce qui limite en même temps la portée de transmission. L'augmentation de l'affaiblissement de 3 dB correspond à une diminution de la puissance du signal propagé de 50%.

Il y a deux types de dissipation de puissance résultant de l’affaiblissement: les dissipations liées à la matière, aux propriétés physiques de la matière même du noyau, et les dissipations de guides d’ondes liées à la structure de la fibre optique (fig. 1). Les dissipations de matière ce sont différents types de absorption et de diffusion. Par contre, les dissipations de guides d’ondes ce sont la perte d’énergie qui résulte entre autres des micro-courbures et des macro-courbures, de la répartition irrégulière de l'indice de réfraction de la lumière à la limite du noyau et du revêtement ou des variations du diamètre ou de la forme d'une telle frontière.

L’absorption est un phénomène qui consiste à transmettre de l'énergie d'une onde électromagnétique au matériau du centre où l’onde est dispersée (fig. 2). Cette énergie est ensuite dissipée par suite de vibrations des particules (surtout de vibrations thermiques) ou en raison de l’émission. Une particule ne peut absorber de l'énergie qu’en des portions spécifiques (quantums) qui sont déterminées par la fréquence d'onde électromagnétique ν. L’absorption d'un photon entraîne le transfert de l'énergie nécessaire pour exciter les particules à un niveau énergétique plus élevé, en réduisant ainsi le flux lumineux.

En cas de fibres optiques utilisées dans les télécommunications et les multimédia c’est l'absorption par la pollution, surtout des ions -OH, qui joue le rôle le plus important. L'absorption dans l'infrarouge et l'absorption dans la plage de UV sont ici moins importantes.

Pour des ondes dont les longueurs atteignent 0,95 μm et 1,38 μm les dissipations optiques sont sourtout influencées par la présence des ions -OH pour lesquels il y a respectivement la troisième et la deuxième harmonique des vibrations. En cas de longueur d'une onde de 1,23 μm il y a des vibrations des ions -OH avec des liaisons Si-O, Cu²⁺, Fe²⁺, Cr³⁺ et H₂ que se superposent (fig. 1 – B). La présence des ions -OH résulte de la pollution par la vapeur d'eau au cours du processus de fabrication. Si l’on y ajoute des substances appropriées, l’on affecte non seulement le changement de l'indice de réfraction de la lumière n mais aussi sur l’augmentation de l'absorption (fig. 3).

Fig. 3. La relation entre l'affaiblissement linéique [a] et le changement d'indice de réfraction de la lumière Δn dans une fibre optique monomode en quartz en cas d'onde de 1 μm de longueur.

L’absorption dans l’ultraviolet atteint sa valeur maximale lorsque l’onde est de 0,2 μm de longueur. Cela résulte de l’éjection des électrons de valence par les photons vers la bande de conduction. Pour des ondes plus longues que 0,8 μm l'absorption dans l’UV est négligeable (fig. 1 – C).

Les propriétés du verre de silice démontrent que lorsque la longueur d'onde augmente au-dessus de 1,6 μm, l'absorption dans l'infrarouge augmente également (fig. 1 – D). En cas de longueur d'onde de 9 μm, les structures cristallines Si0₂ atteignent la résonance ce qui entraîne une affaiblissement maximale et la fibre optique cesse d'être transparente.

La diffusion c’est un changement de direction de la propagation du rayonnement provoquée par des hétérogénéités du matériau au niveau des particules.
Un rôle dominant dans les fibres optiques utilisées dans les télécommunications et les multimédia jouent la diffusion de Rayleigh, il y a aussi des phénomènes de diffusion de Mie et de diffusion forcée de Raman et de Brillouin.

La diffusion de Rayleigh (RR) apparaît grâce aux hétérogénéités du matériau du noyau (résultant des imperfections de la structure de verre) dont les dimensions atteignent des valeurs sensiblement inférieures à 0,03 λ. La RR est inversement proportionnelle à la quatrième puissance de la longueur d'une onde lumineuse (fig. 1 – A) ce qui indique également la même limite de l'utilité des fibres optiques en quartz pour des ondes à longueur inférieure à 0,7 μm. La formule suivante définit l’affaiblissement qui dépend de la RR (a_R):

k – constante du matériau comprise entre 0,7 et 0,8 (en fonction de quantité de substances ajoutées)

La RR est la suivante: une composante électrique de l'onde électromagnétique incidente induit un moment dipolaire électrique qui vibre avec la fréquence de cette onde. Le doublet absorbe un quantum de lumière et il l’émet immédiatement à une fréquence égale à la fréquence des vibrations du doublet et donc de l'onde incidente (fig. 4). La direction de l'onde dissipée est accidentelle mais il est moins probable d’émettre des ondes parallèles à l'axe du doublet.

La diffusion Mie (RM) a lieu lorsqu’une onde lumineuse est diffusée sur les particules ou les groupes de molécules dont la taille est semblable ou supérieure à la longueur de cette onde. Ce processus n’est pas directement lié à la longueur de l’onde dissipée mais au quotient de la taille de la particule et de la longueur de l’onde. Il est décrit par le paramètre α.

r – rayon de la particule

Lorsque la taille d’une particule est semblable à la longueur d'une onde, la diffusion est (approximativement) régulière dans toutes les directions. Lorsque la valeur du quotient r/λ augmente, c’est aussi l'asymétrie dans la diffusion observée qui augmente (fig. 5). Lorsque r>>λ la direction de la diffusion est la plupart du temps conforme à la direction de l’onde diffusée (diffusion vers l’avant) et le changement de longueur de l’onde incidente est pratiquement négligeable.

Fig. 5 La diffusion Mie. La diffusion sur les irrégularités du matériau du noyau de l’onde optique : A) – semblables/supérieures à la longueur de l’onde lumineuse, B) – bien supérieures à la longueur de l’onde lumineuse

Grâce à l’amélioration du processus technologique de fabrication des fibres optiques on a réussi (dans une grande mesure) à éliminer les bulles de gaz, des groupes de radicaux additifs ou de cristallites ; ainsi les dissipations de puissance résultant de RM ont été réduites à la valeur de 0,03 dB/km.

La diffusion forcée de Brillouin (SBS) et la diffusion forcée de Roman (SRS) sont des phénomène non linéaires. L'interaction entre l'onde électromagnétique et le matériau du centre a lieu lorsque la limite de la valeur de la puissance optique est dépassée.

SBS apparaît lorsque les modes de puissance optique qui atteint la valeur de quelques mW sont conduits dans les fibres optiques. Une onde régressive apparaît alors et en plus, l’énergie des photons est transmise par la matière du centre aux photons acoustiques. En moutre, la fréquence du mode conduit est décalée de :

n – indice de réfraction de la lumière
ν – vitesse de l'onde acoustique dans le centre

SRS apparaît lorsque la puissance optique de 1 W est dépassée ; elle consiste dans l’interaction des modes conduits avec des vibrations moléculaires du matériau du centre. Etant diffusée, la lumière transfère un quantum de l'énergie du photon à une particule diffusante et elle change sa fréquence. Par conséquent, la puissance optique des modes à fréquence élevée (modes de sondage) est réduite et la puissance (pompage) de l’onde à fréquence plus basse est augmenté jusqu’à la fréquence de Stokes. En cas de fibres optiques de silicium, toutes les deux ondes où la différence de fréquence est d’ordre 15 THz seront couplés par SRS.

Une autre source de dissipation ce sont des courbures d'une fibre, tant à l'échelle macroscopique qu'à celle microscopique.

L’onde qui propage le long de l’onde optique et rencontre une courbure tombe sur la frontière entre le revêtement et le noyau à un angle différent que sur une section droite de l’onde optique. Lorsque l’ange d'incidence est inférieur à l'angle limite, les phénomènes de réflexions totales internes ne se produisent pas. Les modes conduits sont plus souvent soumis à une conversion partielle en des modes de rayonnant ce qui a pour conséquence la réfraction au-delà du noyau de la fibre optique et au-delà du revêtement (fig. 4). Une partie de l'énergie est alors dissipée.

Les dissipations apparues sur les courbures sont inévitables; il est possible de les minimaliser grâce à la réduction du nombre de courbures; et là où elles sont nécessaires il convient de faire des courbures dont le rayon de courbure est le plus grand possible. Chaque fabricant de fibres optiques indique un rayon de courbure minimal qu’il faut prendre en compte lors de la répartition du câble. C’est un paramètre qu’il faut respecter pour ne pas détériorer les paramètres du câble.

Les microcourbures apparaîssent lors de la production des fibres. Ce terme comprend toutes sortes d'irrégularités dans la forme de la limite entre le noyau et le revêtement qui se produisent au hasard (des microfissures, groupes d’additifs, bulles de gaz) ou de manière cyclique (p.ex. des changements de diamètre ou de géométrie du noyau ainsi que des microfissures provoquées par une augmentation périodique de la tension lors de l'enroulement de la fibre sur le tambour).

Les microcourbures dans les fibres optiques multimodes provoquent le couplage des modes et la conversion de l'énergie des modes guidés vers des modes de rayonnement. En cas de fibres optiques monomodes elles font apparaître le phénomène de flou du mode.