Kalain Hündin

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INTRODUCTION

Dans le monde actuel, où l'importance des nouvelles technologies de l'information et de la
communication occupent une place grandissante, il arrive fréquemment d'entendre parler de la fibre
optique pour ses vertus de transmission de l'information à grande vitesse.

La fibre optique paraît au premier abord un outil quelque peu obscur, mystérieux de par son
fonctionnement, fascinant et qui, étudié dans les moindres détails, devient très compliqué.

En tant que lycéens, nous pouvons néanmoins nous questionner sur quelques aspects, à notre
portée de la fibre optique et pouvons tenter de trouver des réponses à nos questionnements par une
démarche scientifique qui sera mise en oeuvre tout au long de nos TPE :

Une grande découverte de l'homme fut d'observer que la lumière se déplace dans le vide de façon
rectiligne.

Or nous savons que dans le monde dans lequel nous vivons, le moyen de la transmission de
l'information le plus performant exploite la lumière comme vecteur du transport d'informations.

A priori, la lumière ne peut pas se déplacer en lignes courbes, ce qui rendrait quasiment impossible
l'exploitation de la lumière pour transmettre l'information, ou limiterait son utilisation sur de très
courtes distances.

Pourquoi l'homme a-t-il donc eu besoin de développer la fibre optique afin d'exploiter la lumière
comme moyen de transport de l'information?

L'utilisation de la fibre optique permettrait-elle de véhiculer la lumière de façon curviligne, permettant
d'exploiter le transport de l'information, fondé sur le déplacement de la lumière, sur de plus grandes
distances? Pourrions-nous alors bénéficier de la haute performance de la transmission de
l'information par la lumière jusqu'aux portes de nos domiciles?

Pourquoi exploiter la fibre optique pour le transport de l'information? Son utilisation présente-t-elle
des avantages significatifs? Quel enjeux implique-t-elle pour l'environnement?





Sur quels principes repose sont fonctionnement?

Nous allons tenter de répondre à nos questionnements dans deux grandes parties qui constitueront
le contenu de nos TPE : la fibre optique en Physique (A) et en SVT(B).



Introduction:

Dans cette grande partie (A), nous définirons ce qu'est une fibre optique, nous exposerons les
principes physiques sur lesquels repose son fonctionnement, ainsi que sa capacité à
transmettre l'information ...

1- Mise en lumière de la fibre optique

Principe: Nous savons par principe que la lumière se déplace de façon rectiligne à la vitesse
de 3 x 1 08 m.s -1 dans le vide.

L'invention du laser dans les années 1960 a ensuite permis d'étudier de façon plus concrète le
déplacement et le comportement de la lumière dans la fibre optique après l'invention du
principe de celle-ci dans les années 1970.

En effet, cela nous a, par exemple, permis d'observer que la fibre optique a la capacité de
conduire la lumière de façon curviligne. En effet, le signallurnineux "suit" alors la fibre tout
au long de celle-ci sur des distances plus ou moins 'étendues.

Ainsi, le signal est véhiculé tout au long de la fibre par succession de rayons rectilignes
réfléchis à l'intérieur du cœur de la fibre, comme nous le montre l'animation suivante (les
rayons cités précédemment sont colorés ici en rouge) :



Figure 1.

Il s'agit bien entendu d'une simplification abusive. En effet, les traits noirs dans la figure 1.
représentent en réalité la surface de séparation entre le cœur et la gaine optique.

Pour mieux comprendre le lien entre cœur et gaine optique, prenons en considération la figure
2. suivante présentant une coupe d'une fibre optique.



Figure 2.

Nous distinguons alors parfaitement la séparation cœur - gaine optique, ici représentée en
pointillés noirs.

Observations: Le signal, représenté ici par un laser (en pointillés rouges), est donc bien
transmis d'un bout à l'autre de la fibre, aussi bien dans la figure 2. que dans la figure 1. En
effet, même en donnant à la fibre un état courbé, elle véhicule le rayon lumineux jusqu'à
son extrémité.

11- Phénomènes physiques mis en oeuvre dans l'utilisation de fibres optiques

Nous nous sommes donc questionnés et avons rédigé le protocole expérimental suivant:

Problématique: Pourquoi et comment s'assure la transmission de l'information (ex: lumière)
au travers d'une fibre optique?

Première Hypothèse:

Un certain angle incident pour une information donnée (ex: lumière) doit être choisi afin de
propager l'information tout au long de la fibre optique.

Expérience 1 :

Nous voulons comprendre à plus grande échelle ce qui se produit dans la fibre. Nous allons
donc prendre une plaque de plexiglas (mesurant approximativement 10 centimètres de
longueur, 5 centimètres de largeur et 1 centimètre d'épaisseur) d'indice de réfraction 1,5
environ et un laser émettant un rayon lumineux de radiations rouges.

Déroulement de l'expérience 1:

- Nous positionnons alors la plaque de plexiglas à plat sur un support et le laser dans le même
plan. Nous faisons parcourir un courant électrique dans le laser afin qu'il émette un rayon
lumineux, qui est ici de couleur rouge.

- Le cas nOI représente le montage tel qu'il est après avoir posé le laser allumé dans la
direction de la plaque de plexiglas. Le rayon généré par le laser provient de l'angle inférieur
gauche de notre montage, comme nous pouvons le voir dans la Figure 3. ci-dessous. Le sens
de son déplacement est indiqué par des flèches à différents endroits distincts du rayon.

- En conservant l'emplacement du laser nous le faisons pivoter dans le sens inverse des
aiguilles d'une montre.

Après l'avoir fait pivoter, nous observons dans le cas n02 que l'angle du rayon réfracté, à
l'intérieur du plexiglas, tout comme celui du rayon qui ressort de la plaque de plexiglas, est
supérieur par rapport à celui du cas nOI .

Après avoir observé la variation des angles à l'œil nu entre les Cas nOI et n02, nous faisons de
nouveau pivoter le laser dans le sens inverse des aiguilles d'une montre.

Le passage du Cas n02 au Cas n03 se traduit par une nouvelle modification des angles des
rayons incidents, et par conséquent l'angle des rayons réfractés par rapport à la normale
devrait lui aussi varier, et sa valeur devrait être plus grande que dans le cas n02. Or, au fur et à
mesure que nous avons fait pivoter le laser avant qu'il ne possède sa position dans le cas n03,
nous voyons que le rayon n'était progressivement plus réfracté lors de son habituel passage du
plexiglas à l'air, mais était réfléchi à l'intérieur du plexiglas lui-même.

(Rappel: L'angle réfracté comme l'angle incident sont établis par rapport à la normale du
milieu incident dans chacun des cas. Dans la Figure 3. ci-dessous, les normales sont
représentées dans le Cas n03 par de fins pointillés noirs)

Entre le stade du Cas N°2 et du cas N°3, il existe une période de transition où l'on peut voir
en même temps un rayon réfracté qui sort de la plaque et passe dans l'air et un rayon réfléchi
dans la plaque de plexiglas. Plus nous faisons pivoter le laser pour qu'il atteigne la position
N°3 que nous avons relevée, plus le rayon réfracté disparaît pour laisser place au rayon
réfléchi uniquement.

- Le cas n03 nous indique que le rayon lumineux est entièrement réfléchi à l'intérieur de la
plaque de plexiglas jusqu'à son extrémité.

Nous comprenons alors qu'il existe un angle incident limite pour que se produise la réflexion
totale de la lumière dans un milieu.

Animation de l'expérience:







Figure 3.



Expérience 2:



Nous proposons d'utiliser un laser et et un demi cylindre de plexiglas d'indice 1.5 que nous
plaçons dans le même plan.



source

en plexiglas



Première étape:

Nous positionnons le laser allumé sur la graduation 0° du support (représenté en pointillés ci-
dessus).

Cette graduation correspond à la position de la normale du milieu incident. Le point
d'incidence du rayon est confondu avec la normale du milieu incident.

Puis, en conservant la position du laser, nous faisons pivoter le support dans le sens inverse
des aiguilles d'une montre jusqu'à atteindre un angle incident Î=20°.

Nous observons alors que pour un milieu incident avec un indice de réfraction n = 1,5
(puisqu'il s'agit de l'indice de réfraction du plexiglas utilisé) pour un angle incident Î1= 20°,
l'angle réfracté h (ou r) a une valeur h = 30°.



Figure 4.

Deuxième étape:

On continue à faire tourner le demi cylindre de plexiglas jusqu'à ce qu'il y ait réflexion totale,
ce phénomène se caractérise par le renvoi de la lumière selon un angle égal à l'angle incident.
Ici l'angle limite de la réflexion totale vaut 42°, en effet lorsque le rayon incident atteint cette
valeur, le rayon réfracté est "confondu" avec l'interface entre les deux milieux et donc l'angle
réfracté (par rapport à la normale) vaut 90°. Lorsque pour le plexiglas, l'angle du rayon
incident par rapport à la normale est inférieur à 42°, nous n'observons pas le phénomène de la
réflexion totale.

Figure 5.

Observations:

A partir d'un angle d'incidence supérieur ou égal à 42°, on observe le phénomène de la
réflexion totale. On ne voit plus de rayon réfracté.



Dans ce cas on observe donc que:



Exploitation de la loi de Snell - Descartes:

En effet, il existe une loi appelée loi de Snell - Descartes, qui définit le comportement de la
lumière, c'est à dire sa propriété de réfraction ou de réflexion à l'interface de deux milieux.



Selon la loi de Snell-Descartes, nous savons que:





















Repère illustrant la réfraction :































Ici avec n1< n2



















Ici n' 1 = n" 1 car le rayon est réfléchi dans le même milieu.











Comparons par le calcul les résultats obtenus et les résultats observés:



Pour l'expérience 1 :

n1= 1,5 (plexiglas)

n2 = 1 (air)

i1 = 20°

i2 = 30°

Application numérique:

n1 . Sin(i1) = 1,5 x Sin(20) = 0.5

n2 . Sin(i2) = 1 x Sin(30) = 0.5

alors n1 . Sin(i1) = n2 . Sin(i2)

La loi de Descartes est alors vérifiée.



Pour l'expérience 2 :

Il faut vérifier que l'angle limite i' 1 vaut bien 42°

n'1 = 1,5 (plexiglas)

n'2 = 1 (air)





Application numérique:

n'2. Sin(i'2) = 1 x Sin(90) = 1

n' 1. Sin(i' 1)= 1 (selon les lois de Snell-Descartes)

Donc Sin(i' 1)= (n'2. Sin(i'2))/n' 1 =111.5

Donc i' 1 =arcSin(1Il.5)=42°

Ainsi l'angle limite de réfraction vaut 42°

Et ainsi nos observations sont vérifiées par la loi de Snell - Descartes









Conclusion:

Les rayons sont donc véhiculés dans le cœur de la fibre optique d'un bout à l'autre grâce au
phénomène de réflexion totale qui a lieu entre deux milieux: le cœur (constitué de silice ou de matière plastique d'indice de réfraction Ne) et la gaine optique ( constituée de silice ou de
matière plastique d'indice de réfraction Ng strictement inférieur à Ne)

III - La transmission de l'Information par fibre optique:



Experience 3 :



Comportement de la diode soumise à une tension sinusoïdale:

Une diode soumise à une tension sinusoïdale se comporte alternativement comme un
interrupteur fermé (si la tension est positive) et comme un interrupteur ouvert (si la tension est
négative).

Voici le schéma du montage :



Dans le circuit principal (ici à gauche), un GBF délivre une tension sinusoïdale ue de
fréquence F .

Un circuit secondaire (ici à droite) est relié au circuit principal au moyen d'une fibre optique.

Une photodiode convertissant l'énergie électrique en énergie lumineuse est reliée à la fibre
optique.

On récupère ensuite cette énergie lumineuse à l'aide d'un phototransistor à 1'autre extrémité
de la fibre.

On visualise la tension us dans le circuit secondaire au moyen d'un oscilloscope placé aux
bornes de la résistance.









Observation :Les deux courbes us et ue ont la même allure et la même fréquence.	

































Voici une photographie légendée de notre montage :



Puis une photographie d'ensemble


Réception de l'information véhiculée par fibre optique:

La photodiode génère alors une lumière grâce au courant électrique qui lui parvient du GBF.
Puis, le phototransistor récupère l'information lumineuse (qui est ici le rayon lumineux rouge
de la photodiode véhiculé par la fibre optique) et la convertit en information électrique. Le
courant électrique alors généré est donc mesuré aux bornes de la résistance R= 1 KQ grâce à

l' oscilloscope (courbe us visualisée par l ' oscilloscope).

Selon nos observations et les informations relevées par les deux courbes sur l'oscilloscope,
nous pouvons dire que l'énergie lumineuse véhiculée par la fibre, qui produit un courant
électrique une fois traduit en signal électrique, véhicule un courant électrique ayant la même
nature, une tension sans presque aucune perte (en effet la tension aux bornes du GBF, en noir
à gauche sur la photographie, est légèrement supérieure à la tension aux bornes du
phototransistor, qui est en fin du montage) et enfin en conservant la même fréquence F.

En établissant une relation entre ces trois données, cette dernière expérience nous a permis
donc de montrer que la fibre optique a la capacité de transmettre l'information: ici, il s'agit
de l'allure du signal, de sa tension et de sa fréquence.



La transmission d'une donnée informatique·:

Nous avons vu que la fibre optique avait la capacité de véhiculer une information. Par
conséquent, elle peut véhiculer un flux de données, comme des données informatiques par
exemple.

C'est cet aspect de la fibre optique qui est exploité par les entreprise de communication et
fournisseurs d'accès internet (FAI) et qui est utilisé par de plus en plus d'entreprises, de
professionnels ou de particuliers, pour se connecter au réseau mondial Internet, ou qui permet
encore de passer des appels par exemple ...

En effet, en informatique, les données sont codées par des séries de 0 et de 1.

Par exemple:





Symbole Code

A 01000001

B 01000010

C 01000011













La réception des données informatiques est alors possible grâce à l'utilisation de récepteurs
tels une photodiode (qui modulera le courant en fonction de l'information lumineuse reçue).
Dans ce cas il faut associer au capteur un préamplificateur de signal ou encore un
phototransistor (qui amplifie directement le signal lumineux qu'il reçoit grâce au gain de
courant électrique que produit l'arrivée de la lumière).

En simplifiant le système, globalement, nous pouvons dire qu'à 0 on associe une intensité de
lumière donnée tout comme à 1, et les variations d'intensités sont captées à l'autre bout de la
fibre, puis reconverties en séries de données informatiques codées par des suites de 0 et de 1.

Le système informatique recevant ces suites de 0 et de 1 codant les données informatiques
transmises par la lumière dans la fibre peut alors les interpréter et les exploiter.

Maintenant que nous avons traité la partie du fonctionnement de la fibre optique, nous allons
aborder les fibres optiques dans le cadre des SVT.

La transmission de l'information de l'œil au cerveau par la rétine et le nerf optique
s'effectuant par des signaux électriques et non lumineux, ne peut donc pas être traitée par
analogie avec les fibres optiques.

Nous avons donc décidé d'aborder les SVT en traitant de l'application des fibres optiques
dans le milieu médical (comme l'endoscopie ou les opérations par laser) ainsi que l'impact au
niveau environnemental des fibres optiques.

En médecine, les fibres optiques sont utilisées dans deux cas spécifiques:

Pour le diagnostic, un câble de fibres optiques transporte de la lumière à l'intérieur du corps.
Cette lumière est réfléchie par les organes internes et est captée par un autre câble de fibres
optiques qui achemine cette lumière vers un système d'imagerie vidéo. Il est donc possible
d'avoir un aperçu de grande qualité de ce qui se passe dans le corps, et ce, en temps réel. Un
exemple de cette utilisation est l'endoscope, particulièrement utilisé en gastro-entérologie.
Voici un endoscope: celui-ci est composé à un bout de deux fibres optiques placées côte à
côte, l'une d'elle sert à faire entrer la lumière dans le corps, la seconde sert à recevoir cette
lumière pour la transmettre au chirurgien.



Pour un traitement chirurgical, la fibre optique sert à transporter la lumière intense d'un laser
à l'intérieur du corps humain où elle interagira par effet thermique avec les tissus, ce qui
permet de pulvériser un calcul rénal, découper une tumeur, réparer une rétine ...

-Dans le cas d'un calcul rénal, la technique utilisée est nommée lithotripsie au laser; elle n'est
utilisée que lorsque les calculs atteignent une taille trop importante pour être extraits
naturellement ou par ondes de chocs. Le principe de cette lithotripsie est d'introduire une fibre
optique supplémentaire dans l'endoscope puis de faire parvenir celle-ci au contact du calcul
qui grâce au laser à haute énergie détruira le calcul.

-Dans le cas du traitement des tumeurs, le laser est une des méthodes les plus fiables et
rapides actuellement. Le principe est simple: envoyer une lumière infrarouge pulsée à haute
intensité en utilisant des femtolasers (comme leur nom l'indique, ces derniers émettent durant
une femtoseconde soit E-15 secondes), ces derniers permettant de plus, une grande précision
dans le «tir» sur la tumeur. Cette technique a été utilisée pour la première fois en 2006 où,
sur 6 tumeurs traitées ainsi, la propagation des métastases a été stoppée dans 5 cas, sans
récidive dans les 9 mois suivants.

-Dans le cas d'une réparation de la rétine, pour un décollement, le laser sert à coaguler
l'oeil grâce à la chaleur dégagée au point d'impact du faisceau. Pour l'oeil le laser est aussi
utilisé pour prévenir le glaucome.

Dans tout les cas précédemment induits, la fibre optique est un élément central, en effet, de
par sa flexibilité la fibre optique permet une visée extrêmement flexible. Les opérations
suscitées n'auraient donc pas pu être réalisées sans les fibres optiques.

Du point de vue environnemental, les fibres optiques présentent de nombreux avantages par
rapports aux fils de cuivre traditionnels. Voici un tableau comparatif des fils de cuivre et des

fibres optiques :




Fibre optique

-matériau diélectrique

-sensibilité nulle aux interférences

électromagnétiques

-faible atténuation du signal: 0,2 dBIkm

-grande séparation entre les répéteurs pour les

longues distances : 100 km

-réseau flexible et s'adaptant facilement aux
nouvelles technologies-faible masse et très
petite taille

-grande durabilité : plus de 20 ans-faible coût

-entretien facile et presque nul

-grande largeur de bande : grande quantité

d'informations transportées simultanément

























Fil de cuivre

- matériau conducteur


- grande sensibilité aux interférences
électromagnétiques





- répéteurs rapprochés : 1km



-réseau rapidement désuet-masse considérable
et taille encombrante


- dégradation rapide par la corrosion-onéreux

- nécessite beaucoup d'entretien

- largeur de bande limitée: la quantité
d'information transmise est très limitée

































On voit ici que:

-Les fibres optiques ne sont pas sensibles aux interférences électromagnétiques, celles-ci n'en
émettent donc pas.

- Le signal est très peu atténué, les pertes de données lors du transport sont donc plus que
négligeables.

-Le réseau à base de fibres flexibles s'adapte donc bien dans un monde en continuel
développement.

-Elle sont peu onéreuses et ont une bonne durabilité ; de plus, les fibres optiques ne sont pas
aussi susceptibles d'être volées que les fils de cuivre.

- L'entretien des fibres est simple car ces dernières ne subissent pas la corrosion.

-Le débit d'informations pouvant transiter dans une fibre est bien plus grand que dans un fil
de cuivre.