fibre optique - Département Mesures Physiques

Report
COURS OptoElectronique
Département Mesures Physiques - S4
5 séances
Année universitaire 2012/2013
Département Photoniques & Ondes
Institut d’Electronique du Sud
Université Montpellier 2
P. Signoret
Enseignant - Chercheur
IUT Mesures Physiques – Année Universitaire 2012/2013
Plan du Cours
Introduction : Contexte de l’OptoElectronique
1) Le LASER : 1917 – 1960 – 2010
1.1 Briques de base d’un émetteur laser
1.2 Conditions sur la cavité
1.3 Notions de faisceaux Gaussiens - Propagation - Transformation
2) Les Guides d’onde Optique
2.1 Fibre optique passive
2.2 Réseau de Bragg et applications capteurs
2.3 Notions de fibre optique active
3) Détection Optique
3.1 Matériaux semi-conducteurs et photodétection
3.2 Instruments de l’OptoElectronique
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Université Montpellier 2
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2
Plan du Cours
Introduction : Contexte de l’OptoElectronique
1) Le LASER : 1917 – 1960 – 2010
1.1 Briques de base d’un émetteur laser
1.2 Conditions sur la cavité
1.3 Notions de faisceaux Gaussiens - Propagation - Transformation
2) Les Guides d’onde Optique
2.1 Fibre optique passive
2.2 Réseau de Bragg et applications capteurs
2.3 Notions de fibre optique active
3) Détection Optique
3.1 Matériaux semi-conducteurs et photodétection
3.2 Instruments de l’OptoElectronique
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3
Contexte
1. LASER
2. Guides d’Onde Optique
3. Détection Optique
Spectre Electromagnétique
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4
Contexte
1. LASER
2. Guides d’Onde Optique
3. Détection Optique
Spectre Electromagnétique : éléments de comparaison
Imagerie liée au spectre :
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Contexte
1. LASER
2. Guides d’Onde Optique
3. Détection Optique
Applications des lasers
Applications industrielles :
Découpe de matériaux
Nettoyage de surfaces
Médecine : Traitement dentaire, Chirurgie, Dermatologie …
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6
Contexte
1. LASER
2. Guides d’Onde Optique
3. Détection Optique
Applications des lasers : grand public
Affichage / projecteur
Lecteur DVD de salon
Lecteur code à barres
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7
Contexte
1. LASER
2. Guides d’Onde Optique
3. Détection Optique
Applications des lasers encore : Métrologie, Spectroscopie …
Métrologie : Lune, Satellites …
Vélocimètre LIDAR
Environnement
: mesure de
traces de gaz
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8
Contexte
1. LASER
2. Guides d’Onde Optique
3. Détection Optique
Applications des lasers … et des fibres …
Télécommunications
spatiales
Télécommunications
terrestres / sous-marines :
fibres passives et fibres
actives
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Contexte
1. LASER
2. Guides d’Onde Optique
3. Détection Optique
Applications des fibres optiques
Endoscopie, gastroscopie
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Contexte
1. LASER
2. Guides d’Onde Optique
3. Détection Optique
Applications des fibres …
BTP – Travaux Publics
Capteur de pression, de
température …
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Contexte
1. LASER
2. Guides d’Onde Optique
3. Détection Optique
Applications des détecteurs optiques …
Lunettes IR : Visualisation nocturne
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Plan du Cours
Introduction : Contexte de l’OptoElectronique
1) Le LASER : 1917 – 1960 – 2010
1.1 Briques de base d’un émetteur laser
1.2 Conditions sur la cavité
1.3 Notions de faisceaux Gaussiens - Propagation - Transformation
2) Les Guides d’onde Optique
2.1 Fibre optique passive
2.2 Réseau de Bragg et applications capteurs
2.3 Notions de fibre optique active
3) Détection Optique
3.1 Matériaux semi-conducteurs et photodétection
3.2 Instruments de l’OptoElectronique
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Contexte
1. LASER
2. Guides d’Onde Optique
3. Détection Optique
Définition d’une cavité … divers exemples
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Contexte
1. LASER
2. Guides d’Onde Optique
3. Détection Optique
Milieu à gain et cavité
Dl ≈ qq dizaines de nm
plage dans laquelle le matériau est
susceptible d’émettre de la lumière
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Contexte
1. LASER
2. Guides d’Onde Optique
3. Détection Optique
Emission spontanée – émission stimulée
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Contexte
1. LASER
2. Guides d’Onde Optique
3. Détection Optique
Absorption - Emission spontanée - Emission stimulée
Niveau Excité
Niveau Fondamental
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Contexte
1. LASER
2. Guides d’Onde Optique
3. Détection Optique
Emission stimulée : quelques dates essentielles
1917 - Allemagne : A. Einstein
Mise en évidence théorique du principe d’émission stimulée
Prix Nobel Physique 1921 - Effet photoélectrique
≈ 1950 - FR : A. Kastler et J. Brossel
Principe de l’inversion de population des atomes
Pompage optique
Prix Nobel Physique 1966
1954 - USA : C. Townes
Amplification d’un rayonnement électromagnétique
1er MASER : Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiations
½ Prix Nobel Physique 1964
1960… - USA : T. Maiman
1er LASER : Light Amplification by Stimulated Emission of Radiations
1er laser solide rubis excité par lampe flash // 1961 : 1er laser à gaz He-Ne
½ Prix Nobel Physique 1964
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Contexte
1. LASER
2. Guides d’Onde Optique
3. Détection Optique
Notions de pompage optique
Pompage à 3 niveaux (en fait ici 2 systèmes à 3 niveaux)
Exemple du laser à rubis - 1960
Extrait d’un cours UCC Ireland
Remarque : on peut montrer par le calcul que si le milieu actif d’un laser comprenait seulement
2 niveaux, l’inversion de population serait impossible à réaliser par pompage optique
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Contexte
2. Guides d’Onde Optique
1. LASER
3. Détection Optique
Notions de pompage optique
Pompage à 4 niveaux
Exemple le plus connu : néodyme YAG Nd3+ : Y3Al5O12
Avantage : le niveau bas E1 de la transition laser est très faiblement peuplé
à l'équilibre thermodynamique.
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Contexte
1. LASER
2. Guides d’Onde Optique
3. Détection Optique
Notions de pompage électrique
Laser à gaz
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Contexte
1. LASER
2. Guides d’Onde Optique
3. Détection Optique
Notions de pompage électrique
Diode laser à semi-conducteur
Faces
clivées
I
Émission
laser
Guide d’onde
P
Faisceau elliptique
60°x 30°
N
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Contexte
2. Guides d’Onde Optique
1. LASER
3. Détection Optique
Les structures laser
Les lasers à colorant
Les lasers à gaz
Pas de flexibilité de l
Durée de vie/fiabilité
Encombrants
Argon
rhodamine 6G
Les lasers à semiconducteur
Les lasers solides : cristal ou fibre
2 Technologies intéressantes
Diode
YAG
www.crystalaser.com
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Dr A. Laurain - IES – 2007/2010
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Plan du Cours
Introduction : Contexte de l’OptoElectronique
1) Le LASER : 1917 – 1960 – 2010
1.1 Briques de base d’un émetteur laser
1.2 Conditions sur la cavité
1.3 Notions de faisceaux Gaussiens - Propagation - Transformation
2) Les Guides d’onde Optique
2.1 Fibre optique passive
2.2 Réseau de Bragg et applications capteurs
2.3 Notions de fibre optique active
3) Détection Optique
3.1 Matériaux semi-conducteurs et photodétection
3.2 Instruments de l’OptoElectronique
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Contexte
2. Guides d’Onde Optique
1. LASER
3. Détection Optique
Condition sur le gain
P(L)
P(0)
Après réflexion : R1.P(L)
Après 1 aller : P(L) = P(0). exp{(g-ai).L}
Après le retour: R1.P(L). exp(g-ai).L
Après 2ème réflexion: R2.R1.P(L). exp(g-ai).L = R1.R2.P(0). exp2(g-ai).L
Démarrage effet laser si : R1.R2.P(0). exp2(g-ai).L ≥ P(0)
soit : exp{2(g-ai).L} ≥ 1/(R1.R2)
En régime stationnaire :
g ≥ ai + amiroir avec amiroir = (-1/2L) . Ln(R1.R2)
g = ai + amiroir
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Contexte
1. LASER
2. Guides d’Onde Optique
3. Détection Optique
Condition sur les fréquences
Traité en TD n°1
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Plan du Cours
Introduction : Contexte de l’OptoElectronique
1) Le LASER : 1917 – 1960 – 2010
1.1 Briques de base d’un émetteur laser
1.2 Conditions sur la cavité
1.3 Notions de faisceaux Gaussiens - Propagation - Transformation
2) Les Guides d’onde Optique
2.1 Fibre optique passive
2.2 Réseau de Bragg et applications capteurs
2.3 Notions de fibre optique active
3) Détection Optique
3.1 Matériaux semi-conducteurs et photodétection
3.2 Instruments de l’OptoElectronique
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Contexte
1. LASER
2. Guides d’Onde Optique
Rappels optique ondulatoire
Equation de d’ Alembert (France, 18ème S)
équation des cordes vibrantes  3D
3. Détection Optique
x

  1 2E
DE = 2 2
v t
Equation de propagation d’Helmholtz (Allemagne, 19ème S)

k
y
DE( x, y, z)  k 2 E( x, y, z) = 0
z

k = ω/v
E(x,y, z) = ε exp(ikz)
Onde plane
Onde sphérique
ε
E(x, y, z) = exp( ikz)
r
r= x y z
2
2
r
2
S
 Notions de chemin optique et de surface équiphase
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Contexte
2. Guides d’Onde Optique
1. LASER
3. Détection Optique
Rappels optique ondulatoire : n, l
Traversée d’un matériau d’indice de réfraction n :
n paramètre temporel donc inchangé ; par contre l période spatiale modifiée
l0 =
c
n
lmatériau =
v
n
=
l0
n
l’onde avance - vite dans le matériau que dans l’air
 pendant une période temporelle, la distance parcourue est donc + petite
k=
2
l
=
2

n=
v
v
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v : vitessede l' onde
n : fréquencede l' onde
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Contexte
2. Guides d’Onde Optique
1. LASER
3. Détection Optique
Solutions de l’équation de propagation
Onde sphérique Gaussienne
E(x,y, z) = ε(x, y, z) . exp(ikz)
e(x,y,z) fonction d’essai basée sur des observations empiriques :
e ( x, y, z) = f  r, A( z), R( z), w( z)
2

  zR  

R(z) = z 1    

  z  

Rayon de courbure
 z 
w(z) = w0 1   
 zR 
2
Waist
mesuré @1/e (champ) ou 1/e2 (intensité)
zR délimite 2 zones physiquement bien distinctes : « champ proche » et « champ lointain »
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Contexte
1. LASER
2. Guides d’Onde Optique
3. Détection Optique
Onde sphérique Gaussienne : propagation
w(z)
w0=w(0)
Axe longitudinal : z
R(z)
Axes transverses : x ou y
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Contexte
1. LASER
2. Guides d’Onde Optique
3. Détection Optique
Propriétés d’un faisceau Gaussien
 z 
w(z) = w0 1   
 zR 
2
w(z) = w0 quand z = 0
z
w(z)  w0
quand z  
zR
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Ainsi : tg 
w0
l
l
= w0
=
zR
 w02  w0
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Contexte
2. Guides d’Onde Optique
1. LASER
Waist fonction de z
3. Détection Optique
2
 z 
z
w(z) = w0 1     w0
quand z  
zR
 zR 
w(z)/w0
3,0
2,5
2,0
w( z )  z
1,5
2
1,0
0,5
z/zR
0,0
-3
-2
-1
0
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1
2
3
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Contexte
1. LASER
2. Guides d’Onde Optique
3. Détection Optique
Propriétés d’un faisceau Gaussien
2

z
z R2
  R 

R(z) = z 1     = z 
  quand z  0
z

  z  

R(z)  z quand z    ondesphérique
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R(z) = z
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Contexte
2. Guides d’Onde Optique
1. LASER
3. Détection Optique
Rayon de courbure fonction de z
2

  zR  

R(z) = z 1      z quand z  

  z  

R(z)
2 zR
R(z) = z
z/zR
-4
-3
-2
-1
0
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1
2
3
4
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Contexte
1. LASER
2. Guides d’Onde Optique
3. Détection Optique
Propriétés d’un faisceau Gaussien
 2r2 
 2 x2 
 x2 
 = I 0 . exp 

I (r , z ) = I 0 . exp  2  = I 0 . exp 
2 
2 
 w ( z) 
 4 
 2 
r désigne ici la coordonnée
transverse radiale :
r = x2  y2
w = 2
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Contexte
1. LASER
2. Guides d’Onde Optique
3. Détection Optique
Propriétés d’un faisceau Gaussien : extraits MathCad
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Contexte
2. Guides d’Onde Optique
1. LASER
3. Détection Optique
Collimation d’un faisceau Gaussien
Relation de conjugaison des
lentilles minces pour l’optique
Gaussienne :

2w1
lf
w1 =
 w0
2w0
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Contexte
2. Guides d’Onde Optique
1. LASER
3. Détection Optique
Focalisation d’un faisceau Gaussien
2w1
2w0
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2w2
l f1 
w1 =
 w0  w2 f 2
=

l f 2  w0 f1
w2 =
 w1 
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Contexte
2. Guides d’Onde Optique
1. LASER
3. Détection Optique
Invariant optique
0 
l
 w0
1 
l
 w1
 INVARIANT OPTIQUE :  i wi =
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2 
l
 w2
l

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Contexte
1. LASER
2. Guides d’Onde Optique
3. Détection Optique
Propriétés d’un faisceau Gaussien réel
Faisceau réel : l  l.M2, où M2 désigne le facteur de qualité du faisceau
2
w(z) = wi
lM2 z
 z 

1    = wi 1  
2 
 zR 
  wi 
2
Application en TP - extraction de M2 à l’aide de 2 lentilles :
2
 w( z ) 
lM2

  1 =
z
2
 wi
 wi 
A compléter en 2014 avec par exemple qq tracés expérimentaux …
Ordre de grandeur : M2 ≈ 1.1 - 1.2 pour les diode laser étudiées
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Plan du Cours
Introduction : Contexte de l’OptoElectronique
1) Le LASER : 1917 – 1960 – 2010
1.1 Briques de base d’un émetteur laser
1.2 Conditions sur la cavité
1.3 Notions de faisceaux Gaussiens - Propagation - Transformation
2) Les Guides d’onde Optique
2.1 Fibre optique passive
2.2 Réseau de Bragg et applications capteurs
2.3 Notions de fibre optique active
3) Détection Optique
3.1 Matériaux semi-conducteurs et photodétection
3.2 Instruments de l’OptoElectronique
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Contexte
1. LASER
2. Guides d’Onde Optique
3. Détection Optique
Approche géométrique de la propagation : fibre optique
Propagation souhaitée par réflexion totale
nc  ng
 : angle d’acceptance ≈ 8° pour fibre télécom Corning
 Ouverturenum érique: ON = n0 sin  = nc2  ng2
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Contexte
1. LASER
2. Guides d’Onde Optique
3. Détection Optique
Approche géométrique de la propagation : guide plan
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Contexte
1. LASER
2. Guides d’Onde Optique
3. Détection Optique
Notions de mode optique
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Contexte
2. Guides d’Onde Optique
1. LASER
3. Détection Optique
x
Approche ondulatoire de la propagation

k
Equation de propagation pour la composante longitudinale du champ :
DAz ( x, y, z)  (k n   ) Az ( x, y, z) = 0
2
0 i
2
z
y
Az : Ez ou H z
Solutions appelés modes : TEmn / TMmn / TEM / hybrides EH-HE (dans guide circulaire)
Définition indice effectif propre à un mode donné :
neff =
avec k et  constantes de propagation resp. dans le vide
et dans le milieu étudié:
nG  neff  nC
neff  nG
neff  nC
: condition de guidage d ’un mode

k0
 2

k
=
 0 c = l

0

 = 2

lmatériau
: mode radiatif
: pas de solution
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Contexte
1. LASER
2. Guides d’Onde Optique
3. Détection Optique
Approche ondulatoire de la propagation : 1D
Solutions d’une équation différentielle du 2nd degré à coeff. constants
:
d

x

E z ( x) = A cos(a x)  B sin(a x) a  

2

d

x

E z ( x) = D exp( x)    

2

d

x


E z ( x) = C exp( x)

2

Illustration - en champ - pour un guide plan :
d
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Contexte
1. LASER
2. Guides d’Onde Optique
3. Détection Optique
Approche ondulatoire de la propagation : 2D
Solutions d’une équation différentielle du 2nd degré à coeff. non constants :
R(r) composante radiale du champ : Fonctions de Bessel
 r
R(r ) = J  u 
 a
Cœur de la fibre : fonction de Bessel de
première espèce -fonction oscillante amortie
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r = x2  y2
 r
R(r ) = K  q 
 a
Gaine de la fibre : fonction de Bessel
modifiée de première espèce
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Contexte
1. LASER
2. Guides d’Onde Optique
3. Détection Optique
Notions de mode optique
Profil transverse des modes, en intensité, pour une fibre optique :
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Contexte
1. LASER
2. Guides d’Onde Optique
3. Détection Optique
Etude des paramètres clés
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Contexte
1. LASER
2. Guides d’Onde Optique
3. Détection Optique
Comparaison fonction trigo - Gaussienne
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Contexte
1. LASER
2. Guides d’Onde Optique
3. Détection Optique
Effet de la largeur du guide – autres paramètres fixes – illustration :
Rayon de cœur a
Confinement dans le cœur
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Indice effectif
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Contexte
1. LASER
2. Guides d’Onde Optique
3. Détection Optique
Comparaison cos 2(t) et cos 2(2t) :
cos2 2x  = cos2 2.(x  T) = cos(2x) cos(2T)  sin(2x) sin(2T)
2
cos2 2T = 1  cos2T =  1  T =  / 2
Alors que la période de cos2(x) est 
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Contexte
2. Guides d’Onde Optique
1. LASER
3. Détection Optique
Effet de la longueur d’onde – autres paramètres fixes :
Ecriture du mode TE0 dans le cœur d’un guide plan :
A cos( ux ) avec
Rappel :
2
u = n12 k 02   2 = k 0 n12  n eff
 = n eff .k 0
Longueur d’onde dans le vide l0
Période du cosinus
Indice effectif
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u
Hypothèse : neff varie peu
Confinement dans le coeur
Cohérent avec l’évolution de l0
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Contexte
1. LASER
2. Guides d’Onde Optique
3. Détection Optique
Effet de la longueur d’onde – autres paramètres fixes – illustration :
Longueur d’onde dans le vide l0
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Indice effectif
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Contexte
1. LASER
2. Guides d’Onde Optique
3. Détection Optique
Les 3 paramètres clés
V paramètre de fréquence
spatiale normalisée :
caractérise la capacité d’un guide
à propager différents modes
Choix de la longueur d’onde, du matériau et de la géométrie du guide
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Contexte
1. LASER
2. Guides d’Onde Optique
3. Détection Optique
Paramètre de fréquence normalisée :
2a
V=
n12  n 22
l
ON = n12  n 22
cf TD2
Réseau de courbes précédent  fonctionnement monomode si V < 2,405
Application numérique avec fibre Corning SMF28 : ON = 0,14
l = 1,55 μm
2a < 8,5 μm
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Contexte
2. Guides d’Onde Optique
1. LASER
3. Détection Optique
Paramètre de fréquence normalisée, approche graphique :
V1 = 2
V2 = 5
V3 = 10
6
2
 V1  u2 4
 
 2
2
 V2  u2 2
 
 2
2
 V3  u2 0
 
 2
u tan( u)
2
u
tan( u)
4
6
0
1
2
3
4
5
6
7
u
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2. Guides d’Onde Optique
3. Détection Optique
Constante de propagation normalisée b :
2
n eff
 n 22
b= 2
n1  n 22
La condition d’un couplage d’un mode s’écrit :
0  b 1
Ainsi un mode est guidé si sa constante b est comprise entre 0 et 1 ;
la valeur b=0 correspond à la fréquence de coupure de ce mode.
Travail sur réseau de courbes neff(V) et b(V) : cf TD2
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Contexte
2. Guides d’Onde Optique
1. LASER
3. Détection Optique
QUIZZ : Synthèse de l’influence des différents paramètres
PARAMETRES PHYSIQUES
NOMBRE de MODES de
PROPAGATION
n1
n2
2a
l0
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2. Guides d’Onde Optique
3. Détection Optique
Mise en évidence dispersion modale
Fibre à saut d’indice :
 monomode : réseaux mondiaux
 multimode : réseaux locaux LAN
Fibre monomode : propagation en ligne droite - Portée : 100km - Débit : 100 Gbits/s
Fibre multimode : propagation en dents de scie - Portée : 2km - Débit : 100 Mbit/s
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Contexte
1. LASER
2. Guides d’Onde Optique
3. Détection Optique
Mise en évidence dispersion modale
Fibre à gradient d’indice
Fibre multimode à gradient d’indice : Portée : 2km - Débit : 1 Gbits/s
suite …
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1. LASER
2. Guides d’Onde Optique
3. Détection Optique
Atténuation de la silice
Intérêt à développer des sources @ 1.55 mm
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