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Fibre optique et guide de lumière

À propos de cette simulation

La fibre optique et le guide de lumière montrent comment des brins de verre fins comme des cheveux transportent le trafic Internet mondial à la vitesse de la lumière. Une fibre optique 3D translucide affiche son cœur interne à haut indice (n₁), sa gaine externe à plus faible indice (n₂), son cône d'acceptance d'entrée et son photodétecteur de sortie. Lorsque les étudiants font glisser l'émetteur laser rouge ou ajustent l'angle de lancement, un rayon laser continu et un flux d'impulsions de photons lumineux se réfractent sur la face du cœur et frappent la paroi cœur-gaine à l'angle d'incidence θᵢ. Tant que θᵢ reste au-dessus de l'angle critique θc = arcsin(n₂/n₁), 100% de la lumière se réfléchit en interne le long du guide d'ondes ; le fait de faire glisser l'anneau de courbure central de manière trop abrupte fait descendre l'angle d'incidence local sous θc et révèle des rayons de fuite de la gaine.

Ce que les élèves peuvent explorer

  • Faites glisser l'émetteur laser rouge de haut en bas sur la face d'entrée et trouvez l'angle de lancement exact où l'angle d'incidence du cœur θᵢ tombe en dessous de l'angle critique θc, déclenchant des rayons de fuite rouges.
  • Faites glisser l'anneau central doré vers le haut pour courber la fibre optique et voir comment une courbure serrée fait fuir la lumière qui était auparavant piégée vers la gaine.
  • Augmentez l'indice du cœur n₁ de 1,50 à 1,80 tout en maintenant l'indice de la gaine n₂ à 1,38 et observez le cône d'acceptance vert s'élargir à mesure que l'ouverture numérique (ON) augmente.
  • Élevez l'indice de la gaine n₂ plus près de n₁ et observez comment l'angle critique θc s'approche de 90°, rendant plus difficile le piégeage de la lumière.
  • Cliquez sur l'émetteur laser ou l'anneau de courbure pour basculer entre les modes de réflexion totale interne sans perte et de fuite de la gaine.

Objectifs d'apprentissage

  1. 1Calculez l'angle critique θc = arcsin(n₂ / n₁) pour une interface entre un cœur à haut indice (n₁) et une gaine à plus faible indice (n₂).
  2. 2Énoncez les deux conditions physiques requises pour la réflexion totale interne : la lumière doit voyager d'un indice de réfraction plus élevé vers un indice plus faible (n₁ dépasse n₂) et frapper à un θᵢ dépassant θc.
  3. 3Reliez l'ouverture numérique ON = √(n₁² − n₂²) d'une fibre optique à son angle de cône d'acceptance maximal.
  4. 4Expliquez pourquoi des courbures macroscopiques dans un câble à fibre optique peuvent provoquer une atténuation du signal (perte par courbure).

Questions fréquentes des enseignants

Pourquoi la lumière reste-t-elle piégée à l'intérieur d'une fibre optique en verre courbée ?

Le cœur en verre intérieur a un indice de réfraction plus élevé (n₁) que le verre de la gaine environnante (n₂). Lorsque la lumière à l'intérieur du cœur frappe la frontière selon un angle rasant faible (ce qui signifie un grand angle θᵢ mesuré par rapport à la normale, supérieur à θc), la loi de Snell n'a pas de solution réfractée et 100% de la lumière se réfléchit vers le cœur.

Pourquoi une fibre optique a-t-elle besoin d'une gaine si l'air a déjà un faible indice de réfraction (n = 1,00) ?

Une fibre de verre nue touchant de la poussière, de l'humidité, des rayures ou une autre fibre fuirait de la lumière à chaque point de contact. Entourer le cœur d'une gaine de verre protectrice et propre d'indice n₂ garantit une interface de réflexion irréprochable le long de tout le câble.

Qu'est-ce que l'ouverture numérique (ON) ?

L'ouverture numérique ON = √(n₁² − n₂²) mesure la capacité de capture de la lumière de la fibre. Elle est égale à sin(θ_max), où θ_max est le demianangle du cône d'acceptance vert sur la face d'entrée dans lequel la lumière entrante subira avec succès une réflexion totale interne.

Pourquoi ne devriez-vous pas courber un câble à fibre optique autour d'un angle vif ?

À un angle vif, la paroi externe du cœur se courbe vers le rayon arrivant, réduisant l'angle θᵢ entre le rayon et la normale à la paroi. Une fois que θᵢ tombe en dessous de l'angle critique θc, la lumière se réfracte dans la gaine et le signal s'affaiblit.

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