Simulation de la diffusion de Rayleigh dans une fibre optique

MÉMOIRE pour l’obtention du DIPLÔME D’ÉTUDES APPROFONDIES EN PHYSIQUE
Option : Physique de la Matière et du Rayonnement

Introduction générale
Chapitre I : La fibre optique 
I.1 Présentation générale
I.2 Propagation d’onde lumineuse
I.3. Les différents types de fibre optique
I.4 Avantages et inconvénients de la fibre optique
I.5 Système de communication par fibre optique
Chapitre II. Problèmes liés à une liaison par fibre optique  
II.1 Les dispersions
II.2 Les pertes extrinsèques
II.3 Les pertes intrinsèques
II.4 Les effets non-linéaires
II.5 Les diffusions stimulées
Chapitre III : Simulation de la diffusion de Rayleigh dans une fibre optique  
III.1 Objectifs et algorithme de la simulation
III.2 Présentation de MATLAB et de l’interface de simulation
III.3 Evaluation de α R par rapport à α Total
III.4 Résultats avec le coefficient α RD
III.5 Comparaison des coefficients α R et α RD
Conclusion générale

Rapport PFE, mémoire et thèse avec la catégorie physique

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La fibre optique

Présentation générale

La fibre optique est un guide d’onde en forme d’un fil fin en verre ou en plastique qui exploite les propriétés réfractrices de la lumière.
Elle est habituellement constituée d’un cœur cylindrique en matériau transparent d’indice de réfraction n 1 entouré d’une gaine. Le cœur de la fibre a un indice de réfraction légèrement plus élevé (différence de quelques millièmes) que la gaine concentrique constituée d’un matériau ayant un indice de réfraction n 2 inférieur à n 1 et peut donc confiner la lumière qui se trouve entièrement réfléchie de multiples fois à l’interface entre les deux matériaux (en raison du phénomène de réflexion totale interne).
Figure I.1 : Représentation schématique d’une fibre optique
La fibre est protégée extérieurement par un revêtement dit primaire, réalisé en général par un matériau plastique.

Histoire de la fibre optique

Le phénomène du transport de la lumière dans des cylindres de verre était déjà connu depuis l’époque des Grecs anciens. Cela montre que l’utilisation du verre en conjonction avec la lumière n’est donc pas récente.
Au début de l’année 1840, la première démonstration scientifique du principe de la réflexion totale interne fut réalisée à Paris par les physiciens français Jean-Daniel Colladon et Jacques Babinet [3].
On a attendu jusqu’en 1854 la reprise de cette même expérience par l’irlandais John Tyndall devant la Société Royale Britannique. À cette époque, l’idée de courber la trajectoire de la lumière, était révolutionnaire car les chercheurs considéraient que la lumière se propageait rectilignement. Après avoir réussi à guider la lumière dans un jet d’eau déversé dans un trou à la base d’un réservoir, on a appris que la lumière pouvait être déviée de sa trajectoire rectiligne. Ils purent de cette manière démontrer le principe qui est à la base de la fibre optique. Depuis ce jour, de nombreuses inventions utilisant le principe de la réflexion totale interne sont apparues [4].
On doit la première tentative de communication optique à Alexander Graham Bell, connu pour l’invention du téléphone, il a mis au point le photophone (un appareil permettant de transmettre la lumière sur une distance de 200 mètres), au cours des années 1880. La possibilité de transporter de la lumière sur le long de fines fibres de verre fut exploitée au cours de la première moitié du 20 ème siècle [5].
En 1927, Baird et Hansell tentèrent de mettre au point un dispositif d’images de télévision à l’aide de fibres. Hansell a pu faire breveter son invention, mais elle ne fut jamais vraiment utilisée [6]. Trois ans plus tard, en 1930, Heinrich Lamm réussit à transmettre l’image d’un filament de lampe électrique grâce à un assemblage simple de fibre de quartz [7]. Cependant, il était encore difficile de concevoir que ces fibres de verre puissent trouver une application.
La première application fructueuse de la fibre optique eut lieu au début des années 1950, lorsque le fibroscope flexible fut inventé par van Heel et Hopkins [8].
Cet appareil permettait la transmission d’une image le long de fibres en verre. Il fut particulièrement utilisé en endoscopie, pour observer l’intérieur du corps humain, et pour inspecter des soudures dans des réacteurs d’avion. Malheureusement, la transmission ne pouvait pas être faite sur une grande distance étant donnée la piètre qualité de la fibre utilisée. En 1957, le fibroscope (endoscope flexible médical) est inventé par Basil Hirschowitz aux États-Unis [4].
Les télécommunications par fibre optique restèrent inexploitables jusqu’à l’invention du laser en 1960. Ce dernier offrit en effet la potentialité de transmettre un signal sans perte sur une grande distance. La publication de Charles Kao en 1964, des Laboratoires Standards de Télécommunications, décrivit un système de communication à longue distance et à faible perte en mettant à profit l’utilisation mélangée du laser et de la fibre optique. Peu après, soit en 1966, il démontra expérimentalement, avec la collaboration de Georges Hockman, qu’il était possible de transporter de l’information sur une grande distance sous forme de lumière grâce à la fibre optique. Cette expérience est souvent considérée comme la première transmission de données par fibre optique [9].

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