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Fibre optique plastique à large ouverture numérique

Fibre optique plastique à large ouverture numérique

Mode de propagation dans la fibre optique plastique

Une fibre optique plastique avec saut d’indice est constituée d’un cœur transparent en PMMA (Polymethyl Methacrylate) et d’une gaine optique / cladding en polymère fluoré avec un indice de réfraction inférieur à celui du cœur. Le confinement de la lumière au sein de la fibre se fait grâce au phénomène de réflexion totale interne.

Les fibres supportant de nombreux trajets de propagation pour la lumière ou de mode transversaux, s’appellent des fibres multimodes par opposition aux fibres monomodes qui ne supportent qu’un seul mode.


La fibre optique est un guide d'onde qui exploite les propriétés réfractrices de la lumière. Une fibre optique à saut d’indice est aussi caractérisée par son ouverture numérique ON qui définit l’angle maximale de la lumière à l’entrée de la fibre, soit l’ouverture du cône d’acceptance. La valeur théorique de l’ouverture numérique se calcule en fonction des indices de réfraction nc du cœur et ng de la gaine optique /cladding:


L’indice de réfraction du PMMAest autour de 1.49. L’indice de réfraction de la gaine optique ng est toujours légèrement inférieur à l’indice de réfraction de cœur nc

On peut aussi déterminer le nombre demodes pouvant se propager dans la fibre optique plastique grâce à la fréquence normalisée V. Cette fréquence normalisée dépend de la longueur d’onde dans levide 𝛌, du rayondu cœur de la fibre ainsi que de l’ouverture numérique ON de la fibre. Elle peutse calculer par la formule suivante:

Une fibre devient monomode pour une fréquence normalisée V inférieure à 2.405. On voit que les fibres optiques plastiques à gros cœur dans le domaine visible ne peuvent se comporter qu’en fibre multimode. Dans une fibre multimode à saut d’indice, le nombre de mode est approximativement égal à V2/2.

Cône lumineux en sortie de fibre optique plastique

On peut montrer facilement que le cône lumineux en sortie de la fibre est équivalent au cône d’acceptance en entrée de fibre, c’est-à-dire à son ouverture numérique.

Comme le montre la figure ci-dessous, plus l’ouverture numérique de la fibre sera importante, plus la zone lumineuse en sortie de fibre sera grande.

Pour une ouverture numérique 0.5 d’une fibre optique plastique standard dia 1mm, on calcule un angle d’acceptance de 60°. On peut en déduire le diamètre du cercle lumineux à 50cm de la fibre; savaleur est de 58cm.

En prenant cette fois-ci une grande ouverture numérique de 0.64, l’angle d’acceptance passe à 79°, le diamètre du cercle lumineux à 50cm de la fibre passe à 82,5cm. On montre que la surface d’éclairage d’une fibre à ouverture numérique de 0.64 est de 2 fois plus élevée (le rayon de couverture élevé au carré) qu’une fibre avec un eouverture numérique de 0.5. Les deux dessins ci-dessous montrent bien les différences de zone d’éclairage en sortie de fibre selon l’ouverture numérique de la fibre.



Rayon de courbure de la fibre optique plastique


Une courbure supérieure au rayon de courbure d’une fibre provoque une réfraction du signal optique et des fuites à travers la gaine. Celasignifie de l’atténuation sur le signal lumineux.

 

 

Pour que la lumière s’échappe dansle cœur, il faut que l’angle de réfraction Θ1 de la lumière soit inférieure à l’angle de réfraction maximum limite Θmax. Cette angle maximum limite se retrouve grâce à la loi Snell-Descartes et s’exprime comme:Θmax = arc sin (ng/nc).

 


On voit bien que lorsque l’ouverture numérique augmente,l’angle maximum limite décroît. Ce qui permet alors diminuer les pertes parcourbure; dans ce cas le rayon de courbure de la fibre a alors bien diminué.

Fibre optique plastique à large ouverture numérique de la marque Toray

Toray produit une gamme complète de fibres optiques plastiques dont des fibres à large ouverture numérique. Le tableau ci-dessous donne l’ouverture numérique des fibres Toray selon leur classification.

Toray définit le rayon de courbure de la fibre lorsque celui-ci induit 20% de perte dans la fibre(correspondant à une perte de 1dB). Toray a comparé les rayons de courbure de fibre avec des ouvertures numériques de 0.5 (standard) 0.64 (large ouverture).On voit qu’une fibre dia 1mm a un rayon de courbure de 5mm pour une ouverture numérique 0.64 contre 9mm pour une ouverture numérique standard 0.5.

 


D’autre part ces fibres à large ouverture numérique ontd’autres qualités, cela provient du fait de la structure de la gaine optique /cladding à deux couches contre 1 seule couche pour une fibre standard comme lemontre le schéma ci-dessous.

 


Ce type de fibre augmente la résistance aux dommages sur la surface grâce à sa couche externe de cladding.

Ce type de fibre résiste mieux à certains composants chimiques notamment aux adhésifs acryliques.

Toray a développé une qualité de fibre spécifique PQE (grande ouverture numérique à 0.64) exclusivement pour un usage médical notamment pour l’endoscopie (odontologie, ophtalmologie,orthopédie, pneumologie et urologie) et l’éclairage chirurgical ophtalmique(sondes laser et sondes lumineuses).

 Pour les autres usages que médical, Toray a développé une qualité de fibre spécifique PH équivalente à la qualitéde fibre PQE.



Rédigé le  17 avril 2020 9:54  -  Lien permanent

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