Principes clés et limites de performance des fibres optiques multimodes

Les fibres optiques, en tant que composants critiques des guides d'ondes optiques, sont de plus en plus utilisées dans les télécommunications, la spectroscopie, l'éclairage et les applications de capteurs. La compréhension de leurs principes de fonctionnement et des techniques d'optimisation des performances est essentielle pour maximiser leur potentiel dans les implémentations pratiques.

Les fibres optiques fonctionnent comme des guides d'ondes en utilisant la réflexion interne totale (RIT) pour confiner et diriger la lumière à l'intérieur de structures solides ou liquides. Le type de fibre le plus répandu — la fibre à saut d'indice — comprend un cœur à indice de réfraction plus élevé entouré d'une gaine. Lorsque la lumière frappe l'interface cœur-gaine à un angle supérieur à l'angle critique, la RIT se produit, piégeant la lumière à l'intérieur du cœur.

L'angle d'acceptation (θ^acc) dicte l'angle d'incidence maximal pour la RIT et est calculé à l'aide de la loi de Snell :

θ^acc= arcsin(√(n^cœur² - n^gaine²) / n)

où n^cœuret n^gainereprésentent respectivement les indices de réfraction du cœur et de la gaine, et n désigne l'indice de réfraction du milieu externe. Les fabricants caractérisent généralement la capacité de collecte de la lumière par l'ouverture numérique (AN) :

AN = √(n^cœur² - n^gaine²)

Pour les fibres multimodes à saut d'indice à grand cœur, cette formule fournit des valeurs d'AN précises. La détermination expérimentale via la mesure du profil du faisceau en champ lointain (identification de l'angle où l'intensité tombe à 5 % du maximum) offre une vérification alternative.

Chaque trajet lumineux potentiel à travers une fibre constitue un mode guidé. La géométrie de la fibre et les propriétés des matériaux déterminent le nombre de modes, allant du monomode à des milliers de modes. La fréquence normalisée (nombre V) estime les modes pris en charge :

V = (2πa/λ) × AN

où a est le rayon du cœur et λ est la longueur d'onde dans l'espace libre. Les fibres multimodes présentent des valeurs V >>1 (par exemple, V≈40,8 pour une fibre de 50µm/0,39NA à 1,5µm), supportant environ V²/2 modes. Les fibres monomodes maintiennent V<2,405 grâce à des cœurs plus petits et une AN plus faible.

• Les interactions intrinsèques des phonons dans la silice fondue dominent au-delà de 2000 nm
• Les contaminants comme les ions OH⁻ créent des pics d'absorption à 1300 nm et 2,94µm
• L'ingénierie des dopants permet des fenêtres de transmission personnalisées

• La diffusion de Rayleigh (∝1/λ⁴) prédomine aux longueurs d'onde plus courtes
• Les imperfections dues à la fabrication ou à la manipulation augmentent la diffusion extrinsèque

• Diamètre du faisceau <70 % de la taille du cœur
• Préfère les modes d'ordre inférieur
• Sensibilité réduite à la courbure
• Densité de puissance du cœur plus élevée

• Le faisceau dépasse les dimensions du cœur
• Excite tous les modes de manière égale
• Débit de puissance initial plus élevé
• Atténuation rapide des modes élevés sur la distance

• Induit par la courbure :Chauffage localisé aux courbures serrées
• Photodécoloration :Atténuation induite par les UV/courtes longueurs d'onde

1. Inspecter et nettoyer toutes les interfaces de fibres avant l'installation
2. Vérifier les épissures à faible puissance avant le fonctionnement à haute puissance
3. Augmenter progressivement la puissance tout en surveillant les performances
4. Sélectionner les types de fibres appropriés pour des applications spécifiques
5. Mettre en œuvre des techniques appropriées d'enroulement et de réduction de la contrainte