Différents types de fibres optiques

Il existe plusieurs types de fibres optiques, principalement à base de plastique ou de silice. Dans le système que nous avons développé, nous utilisons des fibres optiques mo-

5.1. Optique fibrée 67 nomodes en silice, conçues pour un fonctionnement optimal à longueur d’onde télécom, autour de 1 550 nm (pic de transmission de la fibre).

Structure d’une fibre multimode

Enveloppe Cladding

Coeur

Figure 5.2 : Structure d’une fibre optique typique

Une fibre optique en verre est composée d’un cœur et d’un cladding (ou gaine optique), tous deux en silice, et éventuellement d’une gaine de protection en plastique. La figure 5.2 présente la structure optique d’une fibre typique.

La propagation de la lumière dans une fibre multimode peut être décrite assez précisément en utilisant l’optique géométrique. Les indices optiques du cœur et du cladding sont choisis de façon qu’une onde électromagnétique qui rentre dans la fibre, selon un angle suffisamment petit, ne subisse que des réflexions totales au cours de sa propagation, ce qui lui permet d’être transmise avec des pertes théoriquement nulles.

Citons quelques types de fibre multimode :

• Fibre à saut d’indice : c’est la fibre la plus utilisée. Puisque l’indice optique du cœur est constant, la vitesse de phase des ondes est constante lors de la propagation. Néanmoins, par des considérations géométriques, on voit que le vecteur d’onde effectif (selon l’axe) de deux impulsions qui entrent selon un angle différent n’est pas le même : il y a donc dispersion modale, en fonction de l’angle d’entrée (voir figure 5.3).

• Fibre à gradient d’indice constant. Dans cette fibre, l’indice optique est une fonction linéaire de la distance à l’axe, ce qui permet de réduire la dispersion modale.

• Fibre à gradient d’indice linéaire. L’indice optique est parabolique, centré sur l’axe de la fibre ; un calcul d’optique géométrique montre que le chemin optique dans une telle fibre est indépendant de l’angle d’entrée, ce qui revient à dire que le vecteur d’onde effectif de toutes les impulsions est la même [54]. Par conséquent, c’est le type de fibre qui réduit le mieux la dispersion modale.

Fibre monomode

Comme leurs noms l’indiquent, les fibres monomodes sont conçues pour ne laisser qu’un seul mode de l’onde électromagnétique se propager, alors que les fibres multi- modes en autorisent plusieurs. La fibre optique joue le rôle d’un guide d’onde : plus son diamètre est élevé, plus le nombre de modes pouvant se propager est important.

68 Chapitre 5 : Implémentation optique du protocole Indice optique (exemple) cladding : n = 1,48 coeur : n = 1,48 à 1,5

Fibre à gradient d'indice linéaire

Pas de dispersion cladding :

n = 1,48

coeur : n = 1,5

Fibre à saut d'indice

Dispersion modale

Figure 5.3 : Propagation de l’onde en fonction de l’angle d’incidence, dans une fibre à saut

d’indice et dans une fibre à gradient linéaire d’indice. Les angles d’incidence du schéma sont volontairement exagérés, de façon à amplifier les effets de dispersion modale. En pratique, pour des fibres multimodes ayant un cœur d’environ 80 µm, l’angle maximal d’acceptance est de l’ordre de 30˚.

Typiquement, une fibre optique monomode à 1 550 nm a un cœur de 8 à 10 micro- mètres, alors que les fibres multimodes ont des cœurs de plusieurs dizaines de micro- mètres, voire plus pour les fibres conçues pour les lasers de puissance. Bien entendu, le caractère monomode d’une fibre dépend de la longueur d’onde de la lumière qui s’y propage : une fibre monomode à 1 550 nm est multimode à 650 nm.

Les fibres monomodes ont plusieurs atouts : tout d’abord, il n’y a plus de dispersion des modes spatiaux avec la distance, ce qui rend les fibres monomodes particulièrement adaptées à des transmissions à haut débit et à longue distance. De plus, la taille du mode optique transmis est défini par la géométrie de la fibre (la taille du cœur), et il est donc facile de coupler deux fibres monomodes avec une très bonne efficacité, en les plaçant en vis-à-vis. On atteint une efficacité de 95 % (
0,3 dB) avec un coupleur

de fibres standard, et 98% ou plus avec des coupleurs spécifiquement conçus pour limiter les pertes. Par conséquent, la plupart des systèmes de cryptographie quantique utilisent une fibre monomode standard comme canal quantique de transmission. Fibre à maintien de polarisation

Une fibre standard, en tant que milieu matériel de propagation, présente de la biréfringence dès qu’elle est soumise à une contrainte extérieure, ce qui est le cas quasi- systématiquement, ne serait-ce que du fait des contraintes internes de la structure. La polarisation de l’impulsion lumineuse qui s’y propage n’est donc pas constante, que

5.1. Optique fibrée 69 ce soit dans l’espace ou dans le temps, puisque les contraintes sur la fibre évoluent en permanence (par exemple du fait des variations de température).

Panda

Coeur

Zone de contraintes

Bow-tie

Axe rapide

Axe lent

Figure 5.4 :Coupe orthogonale à l’axe de différents types de fibres à maintien de polarisation

Pour les applications où un contrôle de la polarisation est nécessaire, un type de fibre, dit à maintien de polarisation (PM) et présenté sur la figure 5.4, a été développé à partir des années 1980. Il s’agit d’une fibre monomode spéciale dans laquelle des zones de contrainte internes ont été créées de manière à créer deux axes privilégiés orthogonaux de polarisation. Ces axes sont appelés rapide et lent du fait de leurs indices optiques respectifs n1 et n2, qui vérifient n1
n2 10

3

. Ainsi, si une onde lumineuse entre dans la fibre PM avec une polarisation alignée avec l’un des deux axes, et que les contraintes extérieures restent petites devant les contraintes internes, la polarisation de l’onde est conservée. En revanche, si la polarisation n’est pas parfaitement alignée en entrée, elle devient légèrement elliptique en sortie. Par conséquent, la connexion de deux fibres PM est assez délicate, car les axes privilégiés doivent être positionnés en vis-à-vis avec une très bonne précision.

Les fibres PM que nous avons choisi d’utiliser sont de type Panda, dans lesquelles deux zones cylindriques de contraintes sont placées de manière symétrique par rapport au cœur. Les zones de contraintes sont dopées au bore, et ont un coefficient d’expan- sion thermique plus fort que le reste du cladding (3.10
6

/˚C contre 5.10
7

/˚C) ; en refroidissant, la zone dopée se contracte plus que le cladding, ce qui crée une tension interne importante et donc une forte biréfringence. Il existe d’autres types de fibres à maintien de polarisation, qui utilisent des techniques similaires : citons les fibres

bow-tie et les fibres à cladding elliptique.

Tous les composants que nous utilisons dans le système sont sertis à des fibres PM, à l’exception des lignes à retard (voir dans la suite du chapitre), du contrôleur de polarisation, et des photodiodes, qui utilisent des fibres monomode standard. Par ailleurs, nous avons choisi de suivre la convention utilisée dans les télécommunications : dans la quasi-totalité des fibres PM de notre système, la lumière est polarisée selon l’axe lent des fibres.

70 Chapitre 5 : Implémentation optique du protocole