Interaction Rayonnements - Matière dans les fibres optiques

Interaction Rayonnements - Matière dans les fibres optiques

PHYSIQUE DES ONDES

ESSAI D'UNE NOUVELLE PHYSIQUE

RUBRIQUE N° 28 INTERACTION RAYONNEMENTS MATIÈRE

APPLICATION AUX FIBRES OPTIQUES

Mise en page par Paul Bouchard Le 23/12/2019

1) INTRODUCTION

Conformément à nos hypothèses de base exposées dans ce blog ''paulpb eklablog.fr'' ''Physique des ondes'' dont il est nécessaire de prendre connaissance, les ''rayonnements de type lumière'' constituent l'ensemble des ondes énergétiques qui transmettent le mouvement ''de et dans'' la ''substance de l'espace (SE)''. Celle-ci n'est connue que par les deux propriétés qui lui sont propres : la vitesse limite de circulation des ondes © et le quantum de mouvement minimum représenté par la constante de Planck (h).

Pour nous, contrairement à la définition habituelle, les ondes de type lumière qui transportent l'énergie, ne peuvent être qualifiées d'ondes électromagnétiques car elles n'ont pas de propriétés magnétiques. Seul l'électron, particule élémentaire de toute matière, peut être dénommé onde électromagnétique. L'électron est une onde de type lumière (onde plane progressive) structurée par une onde transversale qui la matérialise. C'est la même onde qui tourne (qui spine). Au repos, au niveau atomique fondamental, l'électron-positron est un disque, en mouvement c'est un vortex.

La matière (ensemble de particules élémentaires) étant uniquement faite d'ondes, ce sont les propriétés des ondes qui s'imposent et règlent toutes les lois, physiques, chimiques et naturelles. Ces mêmes propriétés des ondes permettent d'expliquer les nombreux ''effets'' physiques découverts par les physiciens lors d'expérimentations faites tout au long du 20ème siècle. Beaucoup de ces effets n'ont été expliqués par la physique standard des particules que par des théories de plus en plus paradoxales, certaines de ces interprétations sont même complètement injustifiables.

Les principaux progrès techniques récents concernant en particulier les technologies de l'information et des communications, la métrologie, la structure des matériaux et bien d'autres domaines, sont issus de la physique ondulatoire qui est une science en plein redéploiement et dont les applications correspondent aux besoins actuels.

Dans ses précédentes rubriques, la ''physique des ondes'' a abordé de nombreux domaines scientifiques avec un nouveau regard basé sur les hypothèses que nous venons de résumer et sur la recherche de la réalité plus que celle d'une théorie. La rubrique N°27 a montré le difficile cheminement que j'ai suivi, et mon correspondant après moi, entre notre vision de la réalité et les différentes théories scientifiques ayant cours actuellement.

La recherche d'une équation pouvant représenter le mouvement des électrons a conduit mon correspondant sur la piste d'une onde très spéciale appelée ''soliton''. Ayant fait le rapprochement entre les caractéristiques de cette onde et celles que la physique des ondes attribue à l'électron-positron, j'ai voulu approfondir mes connaissances sur ce type d'onde. Les recherches que j'ai effectuées sur internet m'ont conduit dans deux directions, celle de l'onde du mascaret-tsunami et celle de la propagation de la lumière dans les fibres optiques.

Dans la rubrique N°8 ''Résonance en cavité'', nous avons abordé l'explication par la physique des ondes du mascaret et du tsunami. La propagation des ondes dans l'espace et dans l'air a fait l'objet des rubriques N° 6 et 7. La propagation dans la matière des ondes sonores, et de la lumière a été traitée dans les rubriques N°8 et 9. Avant de tenter l'approche de cette onde spéciale qu'est le soliton, ce qui fera l'objet de la prochaine rubrique (N°29), il m'est apparu nécessaire de reprendre l'étude de l'interaction rayonnement-matière et de l'appliquer à la propagation de la lumière dans les fibres optiques, domaine que je ne me suis pas encore approprié.

2) LES RAYONNEMENTS DE TYPE LUMIÈRE

21) Nature de la lumière

L'ensemble des rayonnements qui transportent l'énergie (ondes appelées à tort électromagnétiques), constitue la totalité des échanges d'énergie entre toutes les particules de matière à toutes les échelles de l'univers. Voici, classés par fréquence et par longueur d'ondes, un tableau de ces rayonnements. Il est extrait de : http://monde.ccdmd.qc.ca/ressource/?id=104020&demande=desc

Auteur : Gilles Boisclair, Interscript inc.

Principales parties du spectre électromagnétique

Il est extraordinaire qu'après un siècle d'irrésolution, le milieu scientifique refuse encore de se prononcer fermement sur la nature de la lumière. Onde et/ou particule, rayon de lumière, champ électro-magnétique, grain d'énergie...Autant de visions différentes, autant de termes et d'outils utilisés actuellement par les scientifiques pour traiter de la propagation de la lumière et de son action sur la matière. Citons par exemple :

* Un outil mathématique utilisé en ''optique géométrique'', décrit simplement le trajet de la lumière (des rayons de lumière).

* Un outil mathématique plus complexe, orienté sur la mécanique (vitesse, pression de radiation, densité de probabilité de présence), traite la lumière faite de ''grains d'énergie'' comme le ferait une queue de billard sur des boules (les particules de matière).

* La mécanique quantique utilise un ''formalisme lagrangien relativiste'' comme outil mathématique pour traiter l'interaction lumière-matière comme un échange de photons.

* La théorie quantique des champs est un cadre théorique où les champs sont considérés comme étant l'élément fondamental. Les particules ne sont que les niveaux d’énergies excitées de ces champs. (Le champ restant un concept théorique, on évite ainsi toute discussion sur la nature des ondes et la ''substance du vide'' qui les transporterait.)

La physique des ondes ayant posé comme postulat l'existence d'une ''substance de l'espace'' (SE), cela donne une réalité à la propagation dans le ''vide'' de l'espace des ondes énergétiques de ''type lumière''. Cette (SE) est également ''le substrat'' de la matière constituée de particules élémentaires, les électrons-positrons qui sont des ondes énergétiques ''matérialisées'' par des ondes de structure transversales.

Ces particules élémentaires, isolées ou groupées (corpuscules, molécules, corps, etc.) sont portées et transportées par la (SE). Elles sont les véritables et les seules ondes ''électromagnétiques''. Les rapports existant entre elles, et entre elles et les ondes lumière, sont essentiellement des rapports de fréquence, de parité, de type quantique, utilisant toutes les propriétés des ondes et particulièrement la mise en résonance à tous le niveaux de fréquence de la lumière et de la matière, spécialement à l'échelle de l'électron.

22) Propagation des ondes de type lumière dans l'espace et dans l'air

Tous les rayonnements énergétiques procèdent des échanges multiples et permanents entre les éléments de matière (particules, corpuscules, matériaux, soleil, étoiles, etc.). Visibles ou invisibles, ces rayonnements, transfert d'énergie, constituent le support de ces échanges dont on peut constater physiquement les résultats.

L'essentiel de l'énergie qui entretient notre vie et celle de notre écosystème provient du soleil. (Voir à ce sujet notre rubrique N°21 ''La thermodynamique dans notre écosystème''- ''Pour une gestion de l'énergie dans notre écosystème''). Le rayonnement solaire est composé de toute la gamme des rayonnements, de l'ultraviolet lointain aux ondes radio en comprenant l'ensemble de la lumière visible. L'énergie solaire vient de la fusion nucléaire qui se produit dans le Soleil.

Le rayonnement solaire contient aussi des rayons cosmiques qui sont constitués d'astroparticules diverses, protons, électrons, débris de noyaux atomiques de haute énergie, rayons gamma qui circulent dans la (S.E). Heureusement pour nous, ces astroparticules sont détournées de la terre par le champ magnétique terrestre qui nous sert de bouclier et qui détourne également le vent solaire. Celui-ci est un flux de plasma constitué essentiellement d'ions et d'électrons qui sont éjectés de la haute atmosphère du Soleil.

Le soleil propage ses rayonnements dans l'espace et dans l'air qui sont des milieux non dispersifs, c'est à dire que la vitesse des ondes dans chacun de ces milieux est la même, quelle que soit leur longueur d'onde. On dit que la lumière est blanche car elle contient toutes les couleurs du spectre solaire.

Dans un arc-en-ciel, ce sont les gouttes d'eau en suspension dans l'atmosphère qui décomposent la lumière du soleil. Dans l'eau, plus la longueur d'onde est grande, plus la vitesse de l'onde est importante. Le rayonnement rouge est donc plus rapide que le violet. Ce milieu est dispersif, comme tous les matériaux qui le sont plus ou moins. (Voir plus loin la propagation de la lumière dans les milieux dispersifs).

Tous ces rayonnements de type lumière en provenance du soleil et des étoiles sont, à la source, des ondes sphériques. << Lorsque l'onde sphérique se propage, le rayon de la surface d'onde augmente inéluctablement au cours du temps jusqu'à devenir infini. Une surface d'onde de rayon infini est assimilable à un plan d'onde, ce qui fait que l'onde sphérique est assimilable à une onde plane dès que l'on s'éloigne suffisamment de la source. Ainsi le soleil qui est à 150 millions de km de la terre nous envoie des ondes sphériques qui lorsqu'elles arrivent sur terre sont assimilables à des ondes planes. >> Extrait de l'excellent site suivant :

http://res-nlp.univ-lemans.fr/NLP_C_M09_G01/co/Contenu_014.html

Les rayonnements de type lumière, tels que nous venons de les présenter, sont donc dans les milieux non dispersifs (espace, air) des ondes planes progressives et non des ondes électromagnétiques comme ces rayonnements sont actuellement définis depuis la confusion initiée par Maxwell. Leur transposition dans un langage mathématique rationnel est formulé par Wikipédia sur ces sites :

https://fr.wikipedia.org/wiki/Onde_plane#L'onde_plane_en_pratique

https://fr.wikipedia.org/wiki/Spectre_d%27ondes_planes

https://fr.wikipedia.org/wiki/M%C3%A9thode_de_d%C3%A9composition_en_onde_plane

23) Action des ondes de type lumière sur la matière

Issue du soleil, des étoiles et de la terre (ex ''étoile de très faible masse'' selon J. Jack Micalef *), l'énergie, transportée par les rayonnements dont nous venons de parler, est utilisée par toute la matière qui nous entoure pour son existence, son développement, ses relations, ses transformations.

(* J.J.Micalef :http://lesnouveauxprincipes.fr/cosmophysique/typologie-et-evolution-des-astres)

Pour la physique des ondes, la matière étant faite d'ondes, le rayonnement de type lumière est donc une action d'ondes sur des ondes (sur des électrons-positrons). Cette action n'est pas mécanique, ni électrique, ni mathématique. Elle est toujours quantique et ondulatoire. Les relations énergétiques entre les ondes sont essentiellement d'ordre de mise en résonance de leur fréquence, mais les propriétés des ondes expliquent les particularités de tous les phénomènes relationnels qui surgissent lors de ces contacts.

Voici, extrait de Wikipédia, un résumé des propriété ondulatoires qui caractérisent et peuvent modifier les comportements des ondes de type lumière sur la matière et qui peuvent donc être utilisées pour transformer les matériaux ou changer leurs propriétés

( Le texte parle d'ondes électromagnétiques mais s'applique de même aux ondes de ''type lumière''.)

https://fr.wikipedia.org/wiki/Onde_%C3%A9lectromagn%C3%A9tique

Comportement ondulatoire

Propagation

Dans un milieu homogène et isotrope, l'onde électromagnétique se propage en ligne droite. Lors de la rencontre avec un obstacle, il y a diffraction. Lors d'un changement de milieu, il y a réflexion et réfraction, il y a aussi réfraction si les propriétés du milieu sont diversifiés (hétérogénéité).

Diffraction

La diffraction est le comportement d'une onde qui rencontre un obstacle ou une ouverture.

Réflexion

Lors d'un changement de milieu de propagation, une partie de l'onde électromagnétique repart vers le milieu d'origine, c'est la réflexion.

Le cas le plus connu de la réflexion est le miroir, mais celle-ci concerne également les rayons X (miroir à rayons X) et les ondes radio : réflexion sur la ionosphère des ondes mégahertz, antenne parabolique, réflexion sur la Lune…



Réfraction

Lors d'un changement de milieu de propagation, si le second milieu est transparent pour l'onde, celle-ci se propage au travers mais avec une direction différente. Cela concerne la lumière (lentille optique, mirage), mais aussi les ondes radio (réfraction des ondes déca-métriques dans la ionosphère).

Dispersion

En mécanique ondulatoire c'est le phénomène affectant une onde se propageant dans un milieu dit « dispersif », c'est-à-dire dans lequel les différentes longueurs d'onde constituant l'onde ne se propagent pas à la même vitesse

Diffusion

Lorsqu'une onde rencontre un atome, elle se diffuse sur celui-ci et change de direction. On distingue la diffusion Rayleigh, au cours de laquelle l'onde ne change pas de longueur d'onde, la diffusion Raman qui est une diffusion sur des électrons avec diminution ou augmentation de longueur d'onde réémise, et la diffusion Compton, dans le cas des rayons X diffusant sur des atomes légers, au cours de laquelle la longueur d'onde augmente.

Interférences

Comme toutes les ondes, les ondes électromagnétiques peuvent interférer. Voir l’expérience des fente d' Young. Dans le cas des radiocommunications, cela provoque un parasitage du signal.

3) L’ÉLECTRON RÉCEPTEUR--ÉCHANGEUR D'ÉNERGIE

La physique quantique et son modèle d'atome, celui de Schrödinger et de de Broglie, mettent en évidence le rôle essentiel des électrons comme transmetteurs d'énergie. Ces électrons réalisent le lien interne entre l'énergie et la structure de leur atome. Ils absorbent et réémettent l'énergie reçue des radiations lumière. Ce faisant, en même temps que ces électrons établissent un nouvel équilibre de leur atome, l'étude spectrale de cette transition nous fournir de précieux renseignements sur la structure physique, chimique et électrique du matériau dont leur atome fait partie.

Wikipédia nous présente deux types de méthodes d'analyse utilisés :

* Les méthodes de diffraction : lorsque les atomes sont organisés de manière ordonnée (cristal), le rayonnement incident va être diffusé dans des directions de l'espace précises ; l'étude de chaque répartition spatiale de l'intensité diffusée permet de caractériser l'organisation d'un matériau.

*Les méthodes spectrométriques : les atomes vont absorber une partie des radiations incidentes et en réémettre d'autres, le spectre d'absorption et de réémission est caractéristique des énergies de liaison de la matière, et donc de sa nature chimique. >>

Si les méthodes d'analyse correspondent bien aux nécessitées expérimentales, le cadre de l'étude peut être différent. Pour la physique des particules, il est question de mécanique, de rebond, d'élasticité, de choc entre des particules. Avec la physique des ondes, nous parlons d'accord, de mise en résonance, de fréquence et de longueur d'ondes, essentiellement d'accord de fréquence possible (de mise en résonance) entre le rayonnement pénétrant la matière et les électrons de ses atomes.

Les caractéristiques énergétiques des ondes renvoyées par la matière, en réaction aux rayonnements reçus, révèlent immédiatement le mode d'action des rayonnements reçus. Si nous envoyons un rayonnement monochromatique sur un élément de matériau à étudier, ce rayonnement incident peut interagir de plusieurs manières avec les atomes :

Diffusion

* Dans le cas où la longueur d'onde de la lumière incidente est grande par rapport aux particules réceptrices, il ne peut y avoir d'accord entre le rayonnement de la lumière incidente et les électrons du matériau récepteur, le rayonnement "rebondit" sans perdre d'énergie, l'onde réémise conserve la même longueur d'onde, il s'agit de ''diffusion élastique'', on parle de diffusion Rayleigh.

*Si l'on constate que la longueur d'onde du rayonnement réémis est différente de celle du rayonnement incident, c'est qu'il y a eu un échange d'énergie de la lumière avec les atomes du matériau récepteur. Il s'agit d'une ''diffusion inélastique''.

Ce phénomène ''inélastique'' d'échange d'énergie en provenance d'une lumière monochromatique dont la fréquence est proche du niveau d'énergie des électrons des atomes du matériau ciblé, est appelé la ''diffusion Raman''.

- Le plus souvent la lumière réémise est décalée vers le rouge (plus grande longueur d'onde, plus petite énergie). C'est le ''décalage Stockes''. Cela signifie que que le rayonnement incident a perdu un ou des quanta d'énergie qui ont été transférés, par mise en résonance, à un électron de fréquence proche de celle de l'onde incidente. Cet électron s'est alors positionné à un niveau d'énergie supérieur. Il restitue par la suite cette énergie lors de la désexcitation de son atome.

-Lorsque la lumière réémise est décalée vers le bleu (plus courte longueur d'onde, plus grande énergie), il s'agit du ''décalage anti-Stockes''. Dans ce cas le rayonnement incident a arraché de l'énergie à la matière. Un électron a par exemple rejoint le niveau fondamental en cédant son énergie. On retrouve celle-ci dans le rayonnement réémis.

Le fait que la fréquence de la lumière réémise soit légèrement modifiée est appelé ''effet Raman''. Sous le nom de spectroscopie Raman il est utilisé comme une méthode non destructive et non absorbante d'observation pour connaître la composition moléculaire et la structure externe des matériaux.

Absorption

Dans le cas où la fréquence du rayonnement incident correspond à un des niveau d'énergie des électrons de l'atome d'un élément chimique du matériau récepteur, ce rayonnement est absorbé et transformé par le matériau. Le phénomène se présente sous diverses formes, suivant la fréquence et l'intensité du rayonnement et suivant la nature et les propriétés du matériau. Voici ci-dessous les principaux effets résultant de ces échanges et leurs applications :

* Dans la généralité des échanges qui existent en permanence entre les ondes de type lumière et les matériaux non transparents l'énergie absorbée est le plus souvent convertie en chaleur (effet Joule). Chaque matériau possède ses caractéristiques propres d'absorption en fonction de la fréquence de l'onde reçue. Son taux d'absorption dans les différentes longueur d'ondes est à l'origine de sa couleur due à la nature de ses pigments qui absorbent certaines longueurs d'onde mais pas d'autres.

* Les méthodes de la spectrométrie d'absorption sont utilisées pour mesurer l'intensité du rayonnement absorbé à des longueurs d'onde différentes. Les chimistes peuvent alors sonder différentes parties de la structure d'un atome ou d'une molécule en utilisant le type de spectroscopie correspondant à cette longueur d'onde.

* Les différents niveaux d'énergie électronique d'un atome sont tous concernés par une possible mise en résonance de leurs électrons avec un rayonnement extérieur de même fréquence. Celui-ci peut, par l'apport de son énergie quantifiée, faire franchir à l'électron un niveau supérieur d'énergie.

Lors de la désexcitation de l'atome, les électrons sont relaxés dans leur état primitif ils rendent l'énergie reçue, l'atome ou la molécule produit alors une lumière visible ayant une fréquence bien précise. Le spectre de réémission permet alors de connaître la structure et l'identité de l'élément chimique auquel appartient l'atome.

* Sur les matériaux semi-conducteurs même hautement résistifs, un rayonnement énergétique peut apporter suffisamment d'énergie pour permettre aux électrons de la bande de valence d'atteindre la bande de conduction et ainsi diminuer la résistance électrique du matériau. C'est l'effet de photoconductivité.

* L'effet photoélectrique se manifeste lorsque l'énergie fournie par le rayonnement incident permet aux électrons de la couche de valence de passer sur la couche de conduction de l'atome. Sur un métal conducteur, si la fréquence seuil du matériau est atteinte, l'énergie fournie peut extraire l'électron qui devient électron libre, c'est effet photovoltaïque.

* Un phénomène analogue est celui de la photoluminescence. La différence est que l'électron n'est pas éjecté, il reste sur la couche de conduction puis revient à son niveau primitif, mais une émission de lumière se produit dans certains matériaux sous deux formes différentes de luminescence qui dépendent de la durée de l'émission de désexcitation. La fluorescence cesse très rapidement tandis que la phosphorescence perdure plus longtemps.

Il est intéressant de noter que la transition plus lente de la phosphorescence est attribuée par la physique standard au phénomène dit de ''couplage spin-orbite''. Cette ''interaction spin-orbite'' est l'élément important décrit dans notre rubrique N°23 ''De la spintronique à la structure de la matière''. Elle fournit l'explication des décalages Stockes dont nous venons de parler. Voici un paragraphe du site de Wikipédia qui traite de cette interaction :

<< En mécanique quantique, l'interaction spin-orbite (aussi appelée effet spin-orbite ou couplage spin-orbite) qualifie toute interaction entre le spin d'une particule et son mouvement. Le premier et le plus connu des exemples de cette interaction est la production de décalages dans les niveaux d'énergie électroniques (que l'on observe par la séparation des raies spectrales) en raison de l'interaction entre le spin de l'électron et le champ électrique nucléaire dans lequel il se meut. >>

4) PROPAGATION DE LA LUMIÈRE DANS LES MILIEUX TRANSPARENTS

Nous venons de voir comment l'ensemble de la matière réagit aux ondes énergétiques qui les frappent et l'importance du rôle des électrons-ondes dans cette relation. La physique des ondes attribue cette liaison, et donc ce qui en résulte, à une mise en résonance des électrons des atomes des matériaux concernés. Lorsqu'il y a absorption, donc modification du niveau énergétique des atomes, cette énergie intégrée peut éventuellement modifier la structure interne du matériau. S'il y a rejet de l'énergie en interne, le mouvement ainsi créé peut possiblement se transmettre dans le matériau, de proche en proche toujours par mise en résonance. C'est cela la propagation d'un rayonnement dans un matériau.

Cette propagation des ondes dépend évidemment des propriétés structurelles et chimiques des milieux traversés, en particulier de la constitution électronique des atomes qui assurent ou non la propagation des ondes lumière. Des structures de ces milieux résulte leur capacité de mise en résonance avec les ondes incidentes et la visibilité de ces ondes. Les milieux dits transparents possèdent une structure (matière ou substance) pouvant assurer la transmission et la propagation des ondes énergétiques correspondant à celles de la lumière visible. Le rayonnement de la lumière visible se propage ainsi d'une façon qui nous est perceptible dans ces milieux transparents.

41) Le cas de la substance de l'espace

La lumière est une onde, c'est une évidence qui ne peut être niée. Une onde est le mouvement d'un milieu matériel ou autre. Un espace vide ne peut transmettre une onde, c'est pourquoi les scientifiques du 19ème siècle ont imaginé l'existence de l'éther qui est resté indéfinissable mais nécessaire. Einstein a déclaré qu'il n'avait pas besoin de cette notion pour établir celles des relativités restreinte et générale. Mais la réalité est têtue et, si le quantum de mouvement est devenu une évidence, le photon reste un concept. La physique des ondes a choisi comme hypothèse de base la notion conçue par J.J.Micalef qu'il a appelé la ''substance de l'espace (SE)''.

La substance de l'espace (SE) est un milieu transparent, homogène et isotrope, ce qui veut dire que ses propriétés sont les même en tout point et dans toutes les directions de l'espace. C'est un milieu non dispersif, c'est à-dire que les rayonnements de toutes les longueurs d'ondes se propagent à la même vitesse ©. En optique on l'appelle la célérité, elle sert de base (©=1) à l'établissement d'un tableau des ''indices de réfraction'' qui donne, par référence à ©, la vitesse des ondes dans les divers milieux transparents. Plus l'indice de réfraction est grand pour un matériau, plus la vitesse de propagation des ondes dans ce matériau est lente. L'indice de réfraction d'un matériau transparent est une grandeur inversement proportionnelle à la vitesse de la lumière dans ce milieu.

42) L'air

L'air, lorsqu'il est pur, n'est pas ou peu dispersif. Il le devient lorsqu'il est chargé d'humidité ou traversé par la pluie. Cela explique la diffraction de la lumière (arcs en ciel) due aux différentes vitesses des ondes lumière dans l'air, rendues ainsi visibles par un observateur. Mais même un milieu peu dispersif peut intervenir sur la célérité de toutes les ondes qui le traversent et qui sont même absorbées en partie. C'est le cas de la couche épaisse de l'air atmosphérique qui absorbe et rediffuse le rayonnement bleu ce qui explique la couleur bleu du ciel. Notons que la température de l'air et sa pression (altitude) interviennent également sur la célérité des ondes.

43) Les matériaux transparents

<< Un matériau ou un objet est qualifié de transparent lorsqu'il se laisse traverser par la lumière... Plus l'absorbance d'un matériau est faible à une longueur d'onde donnée, plus il est transparent pour cette longueur d'onde. Pour les ultraviolets (à la fin du spectre du visible), le verre sera moins transparent car les rayons UV ont l'énergie suffisante pour permettre aux électrons des atomes de silice de passer de leur couche de valence à la couche de conduction et donc d'absorber une partie des UV. >> Wikipedia

Chaque milieu transparent possède des propriétés particulières d'absorption de diffusion et de dispersion des ondes. De ces propriétés dépendent les différentes vitesses de propagation, en son sein, des diverses longueur d'ondes. Il existe en fait deux expressions de la vitesse pour les ondes, une vitesse de phase et une vitesse de groupe correspondant (en schématisant) à l'onde monochromatique et au paquet d'ondes.

<< L'indice de réfraction est calculé à partir de la vitesse de phase d'une onde monochromatique, on parle aussi d'indice de groupe pour l'indice de réfraction calculé à partir de la vitesse de groupe d'un paquet d'onde. Ce dernier indice est utilisé pour les impulsions courtes et les impulsions réelles qui ne sont jamais parfaitement monochromatiques. L'indice de groupe est un des paramètres permettant de qualifier la dispersion temporelle d'un paquet d'onde dans une fibre optique. La valeur de l'indice dépend de la longueur d'onde du rayon lumineux incident. Ce phénomène appelé dispersion a été approché à l'aide de multiples formules empiriques mais il n'existe pas de formule précise permettant de déterminer l'indice en fonction de la longueur d'onde quel que soit le matériau. >> Wikipédia

Pour les ondes électromagnétiques (électrons), il existe des matériaux très divers qui sont conducteurs, semi-conducteurs, isolants. Pour les ondes de type lumière, la diversité de conduction est encore bien plus grande puisqu'elle dépend non seulement du matériau traversé mais aussi de la propriété de chaque type d'onde suivant sa fréquence, (des rayonnements ionisants à la radio et aux ondes sonores). Elle dépend aussi de la structure des matériaux (homogénéité, densité, pression, température, etc)

Pour les matériaux transparents et concernant la propagation interne de la lumière, il est important de souligner le fait que la structure des matériaux, ses particularités (cristaux), ses défauts (homogénéité), la fréquence des ondes (couleurs), sont rendus visibles. C'est pour l’expérimentation et l'acquisition des connaissances scientifiques un avantage qui a été, et reste, déterminant.

44) Le cas des verres optiques

Nous venons d'étudier les propriétés et les caractéristiques propres aux ondes lorsqu'elles se propagent dans la matière. Pour obtenir une propagation la plus rapide possible, sans déformation d'ondes entraînant des erreurs de transmission des informations ou signaux transportées, il faut rechercher les matériaux dont la structure physique est la mieux adaptée à cette propagation et dont la structure électronique permet le passage des ondes sans les absorber. Le verre, tel qu'on le fabrique maintenant, est, parmi tous les matériaux transparents, le plus pertinent pour transmettre les ondes dont la fréquence correspond à la lumière visible.

Le verre est un matériau très ancien et son utilisation pour son usage optique (loupe) remonte à l'antiquité. Voici, extrait de Wikipédia, les principales étapes de son histoire:

* Ante -700 Sous l'empire assyrien, premières lentilles optiques connues faites de cristaux polis (quartz).

* Des lunettes de vue sont décrites en 1299 faites en cristaux de beryl et de quartz.

Le seul verre disponible (sodocalcique à base silice SiO2, de calcium CaO et de sodiumNa2O), utilisé pour la vitrerie et la verrerie ne permet pas, en optique, de compenser les aberrations (déformation des images). La fabrication du verre évolue cependant lentement au cours des siècles (cristal de Venise, cristal de Bohême). La chimie du verre est en recherche.

Les premiers instruments d'optique (lunette de Galilée) ont utilisé des verres sodocalciques bien adaptés aux vitrages ou aux bouteilles mais très peu au domaine de l’optique (distorsion, effet flou, des irrégularités, etc.).

* En 1674, l'anglais George Ravenscroft, désireux de rivaliser avec le cristal de Venise et celui de Bohême, remplace la chaux par de l'oxyde de plomb. Il invente ainsi le verre cristallin au plomb plus brillant que le verre ordinaire car la lumière provoque en lui un plus grand nombre de réflexions internes.

* Au 18ème siècle il existe donc, pour l'optique, deux sortes de verres :

--le sodocalcique ''verre crown'' produit à partir d'un silicate alcalin incorporant un taux élevé d'oxydes de phosphore et de bore. Ces verres ont un indice de réfraction faible, d'environ 1,52, et une faible dispersion chromatique.



--le verre flint (silex en anglais), à l'origine, contient de l'oxyde de plomb (verre cristal). Les recherches faites en 1880 par Otto Schott et Ernst Abbe, ont montré que si l'on adjoint à la pâte d'un verre flint du lanthane, du titane, du baryum, on obtient un verre ayant un indice de réfraction élevé.

L'indice de réfraction est supérieur à celui des verres crown car les composants du verre flint sont plus lourds que ceux du verre crown. Cet indice est en effet lié à la densité du matériau traversé.

L'aspect des verres de cristal en flint est brillant et coloré à cause des réflexions internes dues à la réflexion totale plus forte mais ce sont donc des verres très dispersifs, c'est-à-dire qu'ils dévient très différemment les rayons lumineux selon leur longueur d'onde.

* A la fin du 19ème siècle, de nombreux travaux ont été conduits pour comparer et classer les verres en mettant en rapport leur composition et leurs propriétés optiques. Ainsi E. Abbe a pris comme base des indices de réfraction à différentes longueurs d'onde correspondant à des raies spectrales de certains éléments (hydrogène, sodium, mercure, hélium). A partir de ces bases, il a déterminé un ''nombre d'Abbe (V)'' qui permet de comparer les différentes compositions de verre en établissant pour chacune le rapport entre son indice de réfraction et son coefficient de dispersion.

<< La dispersion chromatique dans les fibres optiques limite la bande passante d'une transmission. Dans un milieu dispersif, chaque longueur d'onde se propage à une vitesse différente, d'où un élargissement temporel d'une impulsion lors de sa transmission. C'est pour cette raison, entre autres, qu'on utilise des diodes laser dont la largeur spectrale est faible. >> Wikipédia

<< Les éléments capables de former du verre sont variés, on recense le silicium, le bore, le phosphore, le germanium et l'arsenic sous forme d'oxydes la plupart du temps, ou de séléniures, sulfures, fluorures, etc. Ces matières permettent de donner sa structure caractéristique non cristalline au verre. Les ajouts de matériaux tels que des métaux alcalins, des métaux alcalino-terreux ou des terres rares permettent de changer les propriétés physico-chimiques de l'ensemble afin de donner au verre les qualités adaptées à sa fonction. L'utilisation adaptée de différents types de verre est nécessaire pour répondre aux besoins des instruments d'optique. Pour les fibres, on cherche à augmenter la vitesse de propagation des ondes et à en limiter la dispersion...

...Quelques verres optiques utilisent ainsi jusqu'à une vingtaine de composants chimiques différents pour obtenir les propriétés optiques désirées. Outre les paramètres optiques et mécaniques, les verres optiques se caractérisent par leur pureté et leur qualité, nécessaires du fait de leur utilisation dans des instruments de précision. Les défauts sont quantifiés et classés selon des normes internationales : bulles, inclusions, rayures, défauts d'indice, coloration, etc. >> Wikipédia

Le diagramme d'Abbe qui est copié ci-dessous, à partir de l'original indiqué, représente, pour diverses compositions de verre, le nombre d'Abbe en fonction de l'indice de réfraction. Ce nombre est le plus grand pour des verres peu dispersifs comme les verres crown (variation de 90 à 50) et plus petit pour les verres flint dont la dispersion chromatique est la plus grande (variation de 50 à 20 sur le diagramme)

C'est à partir de cette étude comparative de la composition des verres que la transmission des ondes lumières dans les fibres optiques a pu atteindre le degré actuel de fiabilité et de portée. Ce sont aussi les recherches expérimentales, menées à partir des indices de réfraction et de dispersion, qui ont permis la conception même de la fibre optique, avec son cœur conducteur et sa gaine en verre dont les indices sont choisis différents ou même gradués, de façon à corriger l'écart de vitesse des ondes de différentes fréquences, et donc leur dispersion et la perte d'informations résultante.

DIAGRAMME D'ABBE

Par *Abbe-diagram.png: Bob Mellishderivative work: Eric Bajart — Abbe-diagram 2.svg, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=10554374



5) LA LUMIÈRE DANS LES FIBRES OPTIQUES

51) Les fibres optiques. Définition.

Une fibre optique est essentiellement constituée d'un fil en verre ou en plastique très fin qui a la propriété de conduire la lumière et qui sert dans les transmissions terrestres et océaniques de données. Elle est employée précisément pour le transport de l'information numérique en utilisant une variation interne d'intensité lumineuse générant un signal binaire. La conception interne de la fibre et du système de transmission sont différents selon le mode de transmission, mais principalement suivant le débit demandé et la distance à couvrir. Avant de décrire les deux types de fibre en usage courant actuel (monomode et multimode), voici un bref historique de la fibre optique.

52) Principales étapes des transmissions par fibre optique

Nous avons pu constater au paragraphe précédent N°44, que les travaux effectués au cours du 20ème siècle sur la composition des verres optiques ont permis un considérable progrès dans les performances des instruments optiques. Cependant il a fallu l'invention et le développement du laser entre 1960 et 1970 avant que Corning Glass Works de New York ne mette au point la première fibre optique, et établisse un réseau de communication permettant à l'époque de transporter 65.000 fois plus d'informations qu'avec un réseau en cuivre.

Le développement de la fibre optique a été spectaculaire, tout d'abord pour réaliser des liaisons intercontinentales, car elle offre la possibilité par rapport aux anciens câbles cuivrés, de transmettre grâce à l'optique de très importants débits qui ne cessent d'augmenter du fait de l'incessante amélioration des technologies. Du site suivant nous retenons quelques étapes chiffrées :

https://fr.wikipedia.org/wiki/C%C3%A2ble_sous-marin

1988 mise en service de TAT8, premier câble transatlantique à fibres optiques (2 x 280 Mbit/s) équivalent à 40 000 circuits téléphoniques.

1995 génération tout optique des liaisons avec la mise au point de l'amplification optique dans les répéteurs par fibres dopées à l'erbium. Technique EDFA (Erbium Doped Fibre Amplified). Mise en service des câbles transatlantiques TAT12, TAT13 et TPC5 à amplification optique et à correction d'erreurs. La capacité passe de la technologie S560 Mbit/s par fibre à 60 Gbit/s.

1999, 23 août, mise en service de Sea-Me-We 3, le premier câble à technologie WDM qui relie tous les pays d'Europe et tout l'océan Indien jusqu'au Japon. 40 atterrissements, 40 000 km, permettant une capacité initiale de 500 Mbit/s. La modularité des équipements terrestres permet des mises à niveau des terminaux sans toucher à la partie maritime. Ce câble a aujourd'hui une capacité de 130 Gbit/s par paire de fibres, soit 260 fois sa capacité initiale.

2000, nouvelle amélioration de la technologie EDFA, la capacité passe à 10 Gbit/s par couleur, soit 160 Gbit/s par paire de fibres.

2005, conception du système DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing). Technologie à 10 Gbit/s par couleur avec environ 100 couleurs par fibre.

Septembre 2017, le projet de la construction commune par Microsoft et Facebook d'un câble sous-marin à fibres optiques qui traverse l'océan Atlantique pour relier Virginia Beach (États-Unis) à Bilbao (Espagne) est achevé. Ce lien numérique représente 6 600 km de câbles. Baptisé Marea, le câble dispose de huit paires de fibres et a une capacité initiale estimée de 160 térabits par seconde qui pourra être augmentée facilement en opérant avec des équipements à réseaux multiples interconnectés.

Le site précédent décrit également par une animation visuelle le processus de pose et de réparation des câbles sous-marins. L'ensemble de cette technique de transmission par fibre optique ainsi que l'évolution de ses performance sont décrits par l'excellent exposé de Aurélien OLIVIER sur le site :

http://igm.univ-mlv.fr/~dr/XPOSE2009/Transmission_sur_fibre_optique/index.html

Le développement de la fibre optique sur terre en France, l'interconnexion des réseaux et le maillage de l'infrastructure Internet font l'objet d'un exposé (pas très récent) sur le site suivant :

https://fr.wikipedia.org/wiki/Maillage_de_l%27infrastructure_Internet_en_France

53) Les premières fibres optiques installées

Une fibre optique est un guide d'ondes qui est utilisé pour transmettre des signaux (de l'information) conduits par des ondes lumineuses situées en fréquence entre les UV et les IR.

Le guidage se réalise par le moyen et à l’intérieur de matériaux transparents, verre et peu souvent plastique, qui possèdent des propriétés dispersives variables suivant leur composition chimique. Mais cette variation se fait également suivant la fréquence de la lumière car la vitesse des ondes dans un milieu dispersif dépend de leur fréquence. Nous avons consacré les quatre premiers chapitres de cette rubrique à l'étude de ces problèmes qui conditionnent précisément la bonne transmission des signaux, c'est à dire les usages possibles de cette transmission optique.

En physique des ondes, concernant la lumière dans un guide d'onde, nous ne parlons pas de ''rayons lumineux'' et rarement de ''modes'' (terme abstrait signifiant ici chemins de la lumière). Nous raisonnons comme on le ferait pour des ondes sonores dans l'air, à la différence que celui-ci n'est pas un milieu dispersif comme le verre, que les vibrations ne sont pas mécaniques mais électroniques et que, pour la lumière, il est possible de parcourir de très grandes distances, ce que ne peut faire le son.

La fibre optique, guide d'ondes, est constituée essentiellement d'un cœur en silice pure, entouré d'une gaine optique dont l'indice de réfraction est légèrement inférieur à celui du cœur. Le rôle de cette gaine est à la fois de confiner dans le cœur, par réflexion totale, les ondes qui divergent du cœur et également, grâce à son indice inférieur, de compenser le retard pris par ces mêmes ondes.

Les fibres optiques d'usage le plus courant sont des fibres multimodes à gradient d'indice. Leur cœur optique est constitué de plusieurs couches de matière ayant un indice de réfraction de plus en plus élevé ce qui crée un effet de focalisation sur l'axe optique de la fibre.

L'ensemble des deux guides d'ondes (cœur et gaine optique), en verre de composition différente, est recouvert de gaines plastiques de protection comme indiqué sur le croquis de fibre optique multimode reproduit ci-dessous qui est extrait du site :

Fusion Réseaux & Télécom http://www.fusion-rt.com/index.php?page=prestations&type=optique



Vous trouverez ci-dessous des renseignements techniques sur les deux sortes de fibres optiques qui sont maintenant d'un usage généralisé. Je me permets de reproduire ci-dessous les textes et le dessin de BLACK-BOX-EXPLIQUE trouvé sur le site :

https://www.blackbox.fr/fr-fr/page/28531/Information/Technique/black-box-explique/Cables-fibre-optique/fibre-multimode-ou-monomode-

Fibre optique multimode



<< Le câble multimode présente une âme (cœur optique) particulièrement large qui permet le passage de plusieurs modes de lumière. Différents types de données peuvent être transmises.

Le câble multimode à variation d'indice de réfraction fourni par BLACK-BOX se présente couramment en deux dimensions d’âme (de cœur optique) : 62,5 et 50 microns et selon cinq catégories d'emploi : OM1, OM2, OM3, OM4 et OM5 (OM signifie « mode optique ») >>

<< Les câbles OM1 et OM2 sont les plus couramment utilisés actuellement dans le cadre des installations existantes remplaçant les applications Ethernet de 10 Mbits/s à 1 Gbits/s. Ils sont généralement utilisés avec des émetteurs à LED. Le câble OM2 présente une âme plus petite que le OM1 (50 micron au lieu de 62,5). Ces câbles ne conviennent pas pour des réseaux à plus haut débit mais ils représentent une solution idéale pour les installations locales.

Bien que tous puissent être utilisés de la même façon, les câbles de 50 microns, notamment les versions OM3/OM4 et OM5 sont optimisés pour le faisceau laser. Ils permettent des liaisons plus longues et/ou des vitesses supérieures. Ils sont donc recommandés pour les installations fixes (dorsales, liaisons horizontales et entre plusieurs bâtiments) et pour les nouveaux équipements utilisant des sources laser. >>

Le câble OM2 présente une âme (5) plus petite que le OM1 (50 micron au lieu de 62,5).

Tous disposent d'une gaine optique (4) de diamètre 125 microns, d'un revêtement protecteur (3), de fibres de renfort (2) et d'une gaine extérieure (1). Voir le schéma ci-dessous tiré du site de :  https://www.exertis-connect.fr/guide-fibre-optique



Fibres optiques monomodes

<< A la différence du multimode, le câble en fibre optique monomode ne présente qu'un seul type de diffusion : une seule longueur d’onde dans l’âme du câble. Il n’y a donc aucune interférence ni aucun chevauchement entre les différentes longueurs d’onde, comme dans le cas du câble multimode. Le câble monomode (OS2) dispose d'une âme en fibre de verre bien plus mince (8 à 10 microns) que la version multimode. Il n’autorise le passage que d’un seul signal lumineux ou mode de transmission. (OS signifie « monomode optique ».) Puisque une seule longueur d'onde passe dans l’âme, la fibre optique monomode réoriente la lumière vers le centre au lieu de simplement la faire rebondir sur les bords comme avec la fibre multimode. L’OS1 est utilisé pour les câbles à gainage serré propres à un même site alors que l’OS2 est utilisé avec des tubes assemblés >>



<<. La fibre monomode peut s'étendre sur 40 km ou plus sans perturber le signal. Elle doit dès lors être privilégiée pour les installations à grande échelle. En outre, cette fibre monomode offre un débit nettement supérieur à la fibre multimode. On peut utiliser deux fils de fibre optique monomode pour pratiquement doubler le débit d'un câble multimode. Les résultats du câble monomode en termes de longueur et de vitesse sont remarquables car la transmission de la lumière en monomode annule le ''retard en mode différentiel'' (DMD), qui limite le débit principal du câble multimode. >> Textes de BLACK-BOX-EXPLIQUE

54) Perfectionnement des transmissions par fibre optique

541) Les pertes et atténuations

L'amélioration des transmissions par fibre optique porte essentiellement sur le débit et la distance parcourue sans déformation des signaux. Une rapide étude des pertes et atténuations permet de comprendre les progrès recherchés et obtenus ainsi que la nécessaire adéquation entre un type de fibre et son usage respectif.

Pour les fibres multimodes ''à gradient d'indice'', nous avons vu le rôle de la gaine optique qui, pour réduire la dispersion des ondes et l'atténuation du signal, focalise ces ondes sur le cœur et équilibre la vitesse entre les fréquences. Il reste cependant des pertes et une atténuation de l'énergie lumineuse dans la fibre. Ces pertes sont dues aux phénomènes suivants :

* Absorption Perturbation des ondes par un atome d'impureté dans la fibre

* Diffusion Variation locale de l'indice de réfraction du cœur de la fibre

* Hétérogénéité Changement de densité ou de composition dans la matière

* Courbures Torsion de la fibre

* Dispersion intermodale Variation du temps de trajet dans la fibre des signaux lumineux

* Dispersion chromatique Variation de la vitesse des signaux selon leur fréquence

* Pertes de connectique Séparation des fibres, désalignement, excentricité des cœurs

* Pertes par couplage Raccordement au système à l'entrée et à la sortie de la fibre

Dans les fibres monomode qui possèdent un cœur bien plus petit que celui des fibres multimodes, (entre 2 et 10 microns), l'onde lumière est concentrée dans l'axe du cœur. Il n'y a pas de diffusion et la dispersion modale est quasi nulle. Par contre la dispersion chromatique demeure car les impulsions envoyées dans les fibres peuvent ne pas être rigoureusement monochromatiques. Elles peuvent alors se superposer ce qui gène leur décodage. Des évolutions technologiques importantes (voir ci-dessous) ont permis de contourner les derniers défauts de ces fibres monomodes. Il leur est maintenant possible d'atteindre des taux d'atténuation très faible sur de très longues distances.

542) La bande passante

Les pertes se mesurent en décibel par Km. Le décibel (dB) en télécommunication est une unité qui exprime le rapport entre deux puissances. Une fibre optique multimode se caractérise non par la mesure de ses pertes mais par la quantité de données que cette fibre peut transmettre à une fréquence donnée. Cette spécification est celle de ''la bande passante modale efficace'' (EMB).

La bande passante, spécifique d'un système de fibre optique, est la quantité d'informations que peut transmettre ce système pendant un intervalle de temps, exprimée en bits par secondes (bps). Elle désigne aussi la longueur de l'intervalle de fréquence utilisable. Dans ce cas la bande passante s'exprime en hertz (Hz).

<< La bande passante d’une fibre optique est définie comme étant la fréquence maximum de transmission en MHz pour laquelle le signal transmis subit un affaiblissement de 3dB. Plus la bande est large plus la capacité à supporter des transmissions hauts débits sera importante. Elle s’exprime en MHz.km ou en GHz.km. Elle dépend de la longueur d’onde de transmission et des paramètres physiques de la fibre (diamètre de cœur, matériaux...) >> Wikipédia

543 ) Longueurs d'onde de transmission utilisées

Nos yeux sont sensibles à la lumière dont la longueur d’onde est comprise entre 400 nm et 700 nm, du violet au rouge. Mais, pour les transmissions par fibre optique en verre, on utilise des longueurs d’onde plus longues, dans le domaine de l'infrarouge. En effet l’atténuation et les pertes sont très réduites dans les plus grandes longueurs d’onde.

Les longueurs d’onde utilisées varient de 800 nm à 1600 nm, mais actuellement les plus courantes sont : 850 nm, 1300 nm pour les multimodes et 1310 nm et 1550 nm pour les monomodes.

https://denisetian.wordpress.com/2018/03/08/comprendre-les-longueurs-donde-a-fibre-optique/

544) Les améliorations techniques

L'évolution des grands réseaux de fibres optiques à haut débit et grande distance dont nous avons donné les grandes étapes au chapitre N°52, s'est faite grâce à l'amélioration des techniques dont voici les principales :

* Maîtrise de la composition et du dopage des verres. (Voir chapitre N°44) Les fibres actuelles permettent de limiter considérablement l'atténuation du signal (de 20 en 1970 à 0,1484 en 2002).

* Progrès dans la technique d'étirage des fibres à partir d'une préforme. Celle-ci est constituée, comme nous l'avons vu au chapitre N°53, d'un barreau de silice pur sur lequel sont successivement déposé des verres d'indices de réfraction gradués (technique CVD). Ainsi est constitué un barreau préformé qui est ensuite étiré à 2000° pour faire des kilomètres de fibres multimodes.

* Pour la transmission en fibre optique sur de longues distance les pertes de puissance du signal obligent à installer en ligne des régénérateurs de signaux dits ''répéteurs''. L'essor de la technologie laser a permis d'utiliser un procédé d'amplification optique par diode laser couplée sur fibre optique dopée à l'erbium (EDFA). Dès 1995 a été mis en service un réseau sous-marin utilisant cette technologie. Sa longueur est de 6300 Km et il comporte 133 répéteurs en ligne.

* Depuis, ce procédé de transfert de puissance s'est considérablement développé et amélioré. Pour des distances moyennes sur terre, on utilise maintenant des amplificateurs optiques puissants couplés sur des fibres multimodes permettant de hauts débits. Mais l'installation de ce système est indispensable pour des câbles sous-marins à fibres monomodes transmettant les signaux sur de longues distances. Tous les 100 km, un ''répéteur'' constitué d'un amplificateur optique, couplé à la fibre sur une petite longueur dopée à l'erbium, régénère la puissance du signal. L'énergie dont a besoin l'amplificateur est apportée par un laser-pompe connecté à un câble électrique conjoint à la fibre. La puissance des amplificateurs est limitée par le ''bruit'' qu'ils provoquent et qui parasite la transmission des signaux. Pour acquérir plus de connaissances sur les câbles sous-marins, je vous recommande le très intéressant site suivant :

https://arstechnica.com/information-technology/2016/05/how-the-internet-works-submarine-cables-data-centres-last-mile/#

L'image suivante provient de : Image:Submarine cable cross-section.png

from http://patft.uspto.gov/netacgi/nph-Parser?patentnumber=4278835.



Coupe d'un câble sous-marin de télécommunication à fibres optiques.

1.Polyéthylène 2. Bande de Mylar 3. Tenseurs en acier.

4. Protection en aluminium pour l'étanchéité.

5. Polycarbonate 6. Tube en aluminium ou en cuivre.

7. Vaseline 8. Fibres optiques.

545) Organisation et gestion des réseaux de transmission

Pour les transports d'informations sur terre et intercontinentaux nous venons de constater l’intérêt technique de l'utilisation de la fibre optique plutôt que celle du câble en cuivre. Il s'est donc créé, autour de cette technique, un ensemble de réseaux de communication et des sociétés qui l'exploitent. La fibre optique permet une excellente performance de gestion des circuits.

Les technique traditionnelles de multiplexage par répartition de fréquence (MRF) et par répartition de temps (MRT) entre les utilisateurs existent toujours dans leur principe, mais leur intérêt est décuplé par le fait que, dans la fibre optique, il est possible d’utiliser plusieurs longueurs d’onde simultanément. Il a donc été établi une nouvelle technique de modulation en fréquence assortie de normes d'utilisation internationales. C'est le WDM (Wavelength Division Multiplexing), (Multiplexage en longueur d'onde).

<< Le WDM consiste à injecter simultanément dans une fibre optique plusieurs trains de signaux numériques sur des longueurs d'ondes distinctes. On multiplie ainsi sa bande passante qui est déjà élevée. Les signaux sont portés par des longueurs d'ondes différentes, et espacés assez largement afin de ne pas interférer les unes avec les autres. Différents types de WDM existent : Coarse, Dense, Ultra-Dense...La différence entre ces modes réside principalement dans l'espacement des canaux optiques utilisés. Ce procédé nécessite l'utilisation de matériel spécifique, multiplexeur en entrée, démultiplexeur en sortie. >>

http://igm.univ-mlv.fr/~dr/XPOSE2009/Transmission_sur_fibre_optique/multiplexage.html#wdm

Le développement des réseaux internationaux, les besoins d'interconnexion entre opérateurs à des débits élevés, la nécessité d’améliorer les fonctions d’exploitation, de maintenance et de sécurité, l’augmentation continue de la capacité de transmission sur fibre, ont conduit à l'établissement de normes et de protocoles internationaux. Ce sont à la fois des procédures de communication, des règles d'utilisation des matériels et des réseaux, des règlements de construction et d'entretien des matériels. Le sigle "SONET" (Synchronous Optical NETwork) est un protocole américain créé par Laboratoires Bell. Le sigle "SDH" (Synchronous Digital Hierarchy) en est la version européenne (correspondant aux attentes des européens).



55) Avenir des fibres optiques

L'étude sur internet des sites les plus récents permet de se faire une idée du développement actuel des techniques et des usages prévus et possibles de la fibre optique. Son avenir est assuré pour la transmission des signaux numériques car les ondes de type lumière sont plus adaptées à cette fonction que les ondes électromagnétiques (électrons). En effet l'électricité est plus difficile à manipuler que la lumière car cette dernière ''n'est pas magnétique'' donc moins dangereuse. D'autre part la sécurité des transmissions est difficile à assurer sur les circuits électriques qui sont plus faciles à pirater et surtout leurs performances en débit et vitesse sont bien inférieures à celles de la fibre optique.

La tendance générale est de réaliser des installations ''tout optique'' en utilisant et en perfectionnant les actuels équipements. Mais le penchant humain à vouloir toujours rechercher la puissance, et, pour les transmissions, la vitesse et le débit, entraîne l'élaboration permanente de nouvelles techniques encore plus performantes et d'un niveau énergétique supérieur. C'est alors que pour les scientifiques s'ouvre un nouvel horizon une nouvelle ''optique non linéaire''dans laquelle nos lois optiques traditionnelles ''dérapent''. Nous l'expliquerons plus tard.

On peut, sans risque, remarquer que notre physique moderne quantique ne s'est jamais préoccupée de mieux intégrer en son sein l'optique géométrique traditionnelle. La nature de la lumière reste ambiguë. La lumière est encore souvent considérée comme constituée de rayons lumineux qui font leur chemin (mode) dans les milieux transparents. Lorsqu'elle frappe une cellule photovoltaïque, la lumière semble lui fournir des ''grains d'énergie'' ( photons). Pourtant la lumière ne cesse de vouloir ''onduler'' et la fréquence de ces ondes est bien en rapport quantique avec les électrons des matériaux émetteurs ou récepteurs. Tout cela reste imprécis pour les scientifiques de tradition.

Il reste que la transmission numérique dans les fibres optique demeure un problème de propagation d'ondes dans une gaine optique. L'augmentation de la puissance de transmission qui fait l'objet des recherches permanentes est liée à celle de la fréquence des ondes. L'augmentation de la fréquence du rayonnement dans les fibres optiques, en passant de l'infrarouge à l'UV, pourrait-elle amener la lumière à se conduire comme le feraient des particules ? Ce serait un soulagement pour les scientifiques qui n'aiment pas travailler sur les ondes.

La révolution de l'optique apportée par le laser et ses impulsions ultra-courtes se traduit dans des phénomènes reliés sous la désignation scientifique ''d'optique non linéaire''. Sa signification et l'étude des problèmes qui y sont rassemblés est complexe. Cette rubrique N°28 est déjà très longue, je dois conclure sans pouvoir traiter ces problèmes. J'indique simplement ci-dessous quelques pistes d'études, d'effets et de phénomènes que l'on trouve sur internet et que, avec le soliton optique, je me propose d'approfondir après l'édition de la présente rubrique.

* Définition de l'optique non linéaire

* Les fibres optiques à cristaux photoniques. Les fibres optiques micro-structurées

* Les systèmes optoélectroniques

* L'amplification par dérive de fréquence. L'amplification à détection synchrone

* La génération de seconde harmonique (doublage de fréquence)

* L’automodulation de phase. Le mélange à quatre ondes

* Structures dissipatives optiques (patterns)

* Supercontinuum. Laser femtoseconde

* Soliton optique

* Polarisation circulaire de la lumière

* Effet Kerr optique. Effet Brillouin. Diffusion Raman



6) CONCLUSION PROVISOIRE

Il est difficile de trouver sur internet un exposé général décrivant dans son ensemble l'avenir de la fibre optique, car il concerne de nombreuses évolutions en cours ou en devenir, dans les techniques (les matériaux transparents, les amplificateurs, les modulateurs et autres équipements, les lasers, la numérisation, etc.), et dans les usages (les télécommunications, les traitements numériques et toutes les nombreuses applications possibles).

En explorant sur internet les sites qui traitent de cette évolution, on comprend que le moteur du développement des techniques de transmission par fibre optique, réside dans la recherche permanente des hauts débits, des fortes intensités et des impulsions de plus en plus courtes.

Il est facile de constater que cette recherche de puissance et d'efficacité a été, depuis longtemps, le moteur principal des progrès réalisés dans le domaine de l'électromagnétisme et de l'électronique. L'organe central de ce moteur est l'électron qui est une ''vraie'' particule de matière, constitutive de l'atome et qui, en plus, est à la source de son énergie interne et le lien avec la lumière.

Par contre, l'optique est restée à l'écart de cette recherche car l'optique géométrique avec ses rayons lumineux est un modèle périmé, quant aux photons ce sont des ''particules'' aussi évanescentes que des fantômes. Reste les ondes qui semblent bien être seules constitutives de la lumière. Tout va bien pour l'optique des fibres si l'on utilise des ondes de basse fréquence au niveau de l'infrarouge, et si leur puissance reste dans les limites habituelles. Mais rien ne va plus si l'on dépasse cette mesure.

Aujourd’hui 25 décembre, je pense au train électrique reçu à Noël dans mon enfance, et à mon rapport avec cette locomotive puissante que je faisait circuler sur un circuit en courbe, de rails insuffisamment fixées sur un sol lisse. A la tension maximum fournie par le potentiomètre (16V) la locomotive, avec ou sans wagons, ne manquait pas de dérailler.

La ''faute'' n'était pas imputable à la locomotive qui faisait bien le travail pour lequel elle avait été conçue. Le problème résidait dans la fixité des voies et surtout dans le profil des virages. C'est-à- dire dans la mise en conformité du système avec la réalité des lois de la physique.

Ce n'est pas que les lois ont changé en passant d'une petite à une grande vitesse. C'est, je pense, que les ''vraies'' lois sont probablement celles qui émergent lors de la haute puissance. Ce n'est pas certain. Au dessus du seuil maximum d'un système, ce peut être un chaos incohérent !! C'est tout le problème posé par l'optique non linéaire qui résume ainsi l'ensemble des études dont je viens de dresser la liste. Ce sera, après l'exploration des sujet à étudier, l'objet de ma prochaine rubrique, à condition de voir la lumière au bout de mon chemin.