Application : les fibres optiques

Auteur: Benjamin Mollier

Nous avons vu précédemment le phénomène de réflexion totale. Ce phénomène, très intéressant, utilisé dans les jumelles, est à la base des réseaux de communication actuels, car il est utilisé dans les fibres optiques.

Qu'est-ce qu'une fibre optique ?

Une fibre optique peut être vue comme un tuyau de lumière. La lumière se propage dans celle-ci, sans s'échapper. On peut alors transporter de la lumière d'un point A à un point B comme on le ferait avec de l'eau.

Une fibre optique est composé d'un coeur, d'indice n_1 , et d'une gaine, moins réfringente, d'indice n_2 < n_1 .

Le coeur étant plus réfringent que la gaine, une réflexion totale sera possible. Pour que la lumière reste confinée dans le coeur et soit guidée par la fibre, il faut justement se situer dans ce cas de réflexion totale.

Comment obtenir une réflexion totale ?

A l'interface coeur-gaine, on obtient ainsi une condition sur l'angle d'incidence que doit avoir la lumière, pour rester confinée dans le coeur.

$i_1 \ge \arcsin(\frac{n_2}{n_1})$

Or, le rayon lumineux vient de l'extérieur. Il subit donc également une réfraction au passage de l'air vers le coeur à son entrée dans la fibre. En appliquant une fois de plus les lois de la réfraction, on obtient :

$\sin\theta = n_1.\sin(\frac{\pi}{2}-i_1)$ soit $\sin\theta = n_1\cos i_1$ .

d'où l'angle limite $\theta_\text{L}$ pour que la lumière rentre dans la fibre et soit guidée :

$\theta_\text{L} = \arcsin\sqrt{n_1^2-n_2^2}$

Simuler

Propagation d'un rayon lumineux dans un fibre optique

Conséquences

Si $\theta \le \theta_\text{L}$ , la lumière sera guidée.
Si $\theta > \theta_\text{L}$ , la lumière ne sera pas guidée.

$\theta_\text{L}$ est appelé l'ouverture numérique de la fibre.

Plus le coeur est réfringent, plus l'ouverture numérique est importante
À l'inverse, si l'indice du coeur tend vers celui de la gaine, l'ouverture numérique tend vers zéro. La lumière n'est plus guidée.