Types de fibres optiques et fabrication

Différents types de fibres optiques

On entend souvent parler de « LA » fibre optique, alors que, ainsi que précisé dans l’avant-propos, on a la coexistence de plusieurs types nettement différenciés de fibres optiques adaptées à des besoins différents. Si on revient sur l’ouverture numérique (cf. chapitre Généralités sur les fibres optiques, section Principe de fonctionnement des fibres optiques), on peut dire ceci :

Plus l’ouverture numérique est grande, plus la fibre optique peut accepter de lumière. En contrepartie, la dispersion dans la fibre sera grande et affectera la bande passante.
Plus l’ouverture numérique est faible, moins il y a de pertes. Mais, pour obtenir la même puissance lumineuse, il faut une source plus précise émettant dans un cône plus petit.

Les différentes fibres optiques, comprenant les fibres multimodales et les fibres unimodales, en silice et/ou en plastique, sont présentées ci-dessous.

1. Fibres optiques multimodales

Dans cette famille, il y a deux grands types : les fibres optiques multimodales à saut d’indice, les premières à avoir été fabriquées, et les fibres optiques multimodales à gradient d’indice aux caractéristiques de transmission nettement meilleures.

a. Fibres optiques multimodales à saut d’indice

Ce sont les premières qui ont été produites suite aux travaux de Charles Kuen Kao. Elles sont constituées d’un cœur d’indice uniforme n₁ et d’une gaine optique d’indice n₂, avec n₁ plus grand que n₂ et une rupture d’indice - appelée saut d’indice - à la frontière séparant le cœur de la gaine. Ainsi, le rayon lumineux se propage à l’intérieur du cœur, par réflexion interne totale à l’interface cœur-gaine.

Cependant, la propagation des rayons lumineux est telle qu’ils ne suivent pas tous...

Longueurs d’onde opératoires

1. Gamme des longueurs d’onde opératoires

La gamme des longueurs d’onde opératoires est celle pour laquelle la fibre optique sera la plus opérationnelle, généralement entre l’ultra-violet et l’infrarouge. De fait, on s’aperçoit qu’il existe une courbe spectrale d’affaiblissement, c’est-à-dire qu’une fibre optique a des valeurs d’affaiblissement différentes selon la longueur d’onde. Les zones de plus faibles pertes sont appelées des fenêtres, plus précisément fenêtres d’émission. Et, c’est dans ces fenêtres que l’on va émettre les rayons lumineux à propager obtenant ainsi une efficacité maximale.

La première génération des fibres optiques en silice travaillait entre 820 et 850 nanomètres, l’émission de la lumière se faisant grâce à une diode électroluminescente (DEL ou light emitting diode - LED). Puis, les autres fenêtres utilisées ont été autour de 1 300 et 1 550 nanomètres, nécessitant l’emploi d’émetteurs plus précis, plus puissants et plus chers : les diodes laser (DL).

Principales fenêtres de transmission dans les fibres optiques en silice

Bosons et fermions

Les objets quantiques...

Principales caractéristiques physiques

1. Caractéristiques géométriques

a. Dimensions classiques

Pour les fibres optiques, les principales caractéristiques géométriques sont le diamètre du cœur, celui de la gaine et celui du revêtement extérieur.

Couramment, on parle de fibre 50/125, 62,5/125, etc. en indiquant le diamètre du cœur et celui de la gaine sans préciser l’unité de mesure, le micromètre ou micron soit le millième de millimètre.

Exemples de dimensions de fibres optiques

Pour mémoire, il a existé des fibres optiques multimodales 200/250 qui ont quasiment disparu. De même, les fibres multimodales 100/140 sont une espèce en voie de disparition. Et, de nos jours, les fibres optiques multimodales 62,5/125 laissent peu à peu le champ libre aux 50/125.

En fibres optiques unimodales, pour certaines applications, le cœur peut être réduit à 3 microns seulement. Pour d’autres, la gaine peut être resserrée à 70 microns, comme dans les amplificateurs optiques.

b. Diverses épaisseurs du revêtement

Le revêtement en polymère (coating) recouvrant et protégeant les fibres optiques unimodales est, généralement, de 250 microns. Or, les fibres optiques UIT-T G.657 sont essentiellement dédiées aux immeubles d’habitation, aux immeubles de bureaux et aux centres de données. C’est-à-dire qu’elles doivent faire face à une contrainte - elles sont installées dans des espaces pour lesquels la place est fréquemment limitée - et elles ont un avantage par rapport aux fibres en extérieur ou en sites industriels : elles ne subissent quasiment pas des agressions diverses de type chimique, physique, variations de température, etc.

Ainsi, pratiquement tous les fabricants de fibres optiques de ce type ont suivi la même démarche : diminuer l’épaisseur du revêtement primaire afin de gagner en compacité. La tendance est de passer des 250 microns (taille classique) à 200 microns (taille compacte) et même 180 µm.

Évolution du diamètre des fibres optiques

Le gain en compacité, apporté par cette diminution de l’épaisseur...

Fabrication des fibres optiques

Cette section vise à comprendre comment, à partir de la simple silice, on arrive à la création d’une fibre optique capable de transporter des milliards d’informations binaires en une seule seconde !

1. Principe général de fabrication

En première approche, on peut dire que les fibres optiques sont fabriquées en deux temps : tout d’abord, la fabrication d’une préforme, c’est-à-dire d’un barreau de verre de silice qui est à l’image de la fibre optique que l’on souhaite obtenir mais dont les dimensions sont beaucoup plus grandes avec un grossissement de 300 à 500 fois environ ; ensuite, l’étirage de cette préforme, à travers un four, afin d’obtenir la fibre optique elle-même.

Principe de fabrication d’une fibre optique

Pour obtenir une préforme, plusieurs méthodes de fabrication existent. Mais, ce sont les procédés de dépôt en phase vapeur qui permettent l’obtention de fibres optiques à très faibles valeurs d’affaiblissement.

Un peu d’histoire

Pour l’histoire, c’est en 1970 que la société Corning Glass Corporation appliqua, la première, ce type de procédé. Elle obtint une fibre optique multimodale à saut d’indice qui avait un affaiblissement de 20 dB au kilomètre et une bande passante de 20 MHz.

Dès 1974, Corning fabriqua une fibre optique multimodale dont la bande passante était de 500 MHz au kilomètre et, en 1979, la première fibre optique unimodale offrait 1 GHz au kilomètre.

Ces améliorations se sont poursuivies et donnent des possibilités de transmission de l’information qui se chiffrent en plusieurs térabits par seconde.

Verre ou silice

Attention à ne pas confondre les premières fibres optiques en « verre » avec celles qui ont suivi et qui sont des fibres optiques en « silice », c’est-à-dire du verre ultra pur. En effet, l’affaiblissement du signal n’est pas du tout le même dans du verre ou de la silice, comme le montre l’illustration...