Télécommunication_optique_première partie

Télécommunication Optique
❖ La communication peut être définie d’une manière large comme étant la
transmission de l’information d’un point à un autre, de la source à la
destination, de l’émetteur (Tx) au Récepteur (Rx).
❖ La communication optique met en ouvre les mécanismes permettant
d’échanger les informations en utilisant des variations ou signaux lumineux.
❖ Les méthodes de communication optique représentent une particularité
des procédés de communication qui étaient utilisés dans la période
ancestrale.
❖ L’exemple le plus typique est l’utilisation des signaux de feu pour annoncer
un évènement, alerter, demander de l’aide etc.
❖ Les systèmes de communication optique n’avaient pas été capitalisés durant
la période d’émergence de la communication à distance, cela suite aux
limitations technologiques de l’époque.
❖ La première démonstration technologique parut en 1880, dans laquelle
Alexander Graham Bell effectue une transmission de la voix en utilisant
l’onde lumineuse comme porteuse de l’information.
Le Chemin vers la communication Optique

❖ Aucune avancée significative dans le sens de la communication optique n’est
apparue qu’après l’invention de la diode laser (long-life laser diode ) en 1960-
1962.
❖ En 1961, Elias Snitzer effectue une transmission à fibre optique en utilisant une
fibre médicale en verre, mais, les caractéristiques de cette fibre ne pouvaient
pas permettre une application dans le monde courant, ceci du fait qu’elle
présentait des grandes pertes de lumière et donc ne pouvait pas attendre des
longues distances.
❖En 1964, des recherches théoriques ont démontré que les pertes dans les fibres
en verre prouvaient être dramatiquement réduites en diminuant les impuretés
lors de la fabrication de la fibre.
❖En 1970, l’objectif de construire une fibre aux pertes ou atténuations ne
dépassant pas 20dB/km a été atteint en effectuant le dopage du verre de silice
avec du titane.

❖En 1973, Bell Laboratory mit au point un procédé modifié de
déposition chimique des vapeurs et d’oxygène pour former un verre ultra-
transparent qui pourrait être utilisé dans la fabrication des fibres à faible perte.
Ce processus reste la norme pour de fabrication de câbles à fibres optiques
❖Pour atteindre de longues distances, des amplificateurs optique-électrique-
optique devraient être utilisés, cela jusqu’à l’invention de EDFA(erbium-doped
fiber amplifier) utilisant une fibre dopée à l’erbium en 1986.
❖En 1991, Desurvire et Payne firent une démonstration des amplificateurs
optiques intégrés dans le câble à fibre optique lui-même. Ce système est 100 fois
plus performant que le système utilisant les amplificateurs optique-électrique-
optique.
❖En 1996, le premier câblage sous-marin à fibre optique ; Réseau câblé Trans-
Pacifique 5 (TPC-5), qui utilise des amplificateurs optiques, a été posé à travers
l'Océan Pacifique, reliant le Japon, Guam, Hawaï et États-Unis.
•

❖Lancé en 1970, Fiber-Optic Link Around the Globe (FLAG) est devenu le
plus long réseau à câble unique dans le monde et fournit l’infrastructure
pour les prochaines générations d’applications Internet. FLAG offre une
vitesse de 10 Gbit/s et transporte plus de 120 000 canaux vocaux via 27
000 km de câbles, principalement sous-marins.
❖FLAG utilise les amplificateurs optiques erbium-doped fiber amplifiers
❖Aujourd’hui, une variété d’industries, y compris le médical, militaire,
télécommunication, industriel, stockage de données, mise en réseau et
les industries de la radiodiffusion sont en mesure d’appliquer et d’utiliser
la technologie de la fibre optique dans une variété d’Applications.
❖Les systèmes de première génération pourraient transmettre à plusieurs
kilomètres sans répéteurs, mais ont été limités par la perte d’environ 2
dB/km dans la fibre

❖La deuxième génération utilise des nouveaux lasers InGaAsP qui
émettent à 1,3 micromètre, où l’atténuation est aussi faible que 0,5
dB/km,
❖Une nouvelle génération de systèmes monomodes fonctionnant à
1,55 micromètre, où les pertes sont entre 0,2 et 0,3 dB/km est en
application.
❖À partir des années 1990, il y avait une demande croissante pour des
services gourmands en bande passante tels que le online shopping,
vidéo interactive haute définition, éducation à distance, télémédecine,
e-santé, etc. en raison de la prolifération rapide des PC
❖Afin de faire face à cette demande toujours croissante, les entreprises
de télécommunications à large bande passante ont considérablement
amélioré la capacité de lignes de fibre en ajoutant plusieurs longueurs
d’onde sur des fibres individuelles.

Câble à fibre Sous marine autour d’Afrique

Avantages de la fibre optique
❖Transmission à longue distance:
✓Faible perte du signal (généralement inférieure à 0,3dB/km), donc
transmission sans répéteur sur une longue distance,
✓La faible atténuation et l’intégrité supérieure du signal trouvé dans
les systèmes optiques permettent beaucoup plus des longs intervalles
de transmission sans répéteur que les intervalles des systèmes
métalliques.
✓Il n’est pas rare pour les systèmes optiques d’aller au-delà de 100 km
sans actif ou traitement passif.

❖Capacité de transport
✓Grande capacité de transport de données atteignant
des vitesses jusqu’à 1,6 Tbps dans les systèmes
déployés sur le terrain et jusqu’à 10 Tbps dans les
systèmes de laboratoire
✓Plus d’informations peuvent être envoyées sur une
seule ligne physique

❖Immunité aux interférences électromagnétiques
✓Étant donné que la fibre optique n’a pas de composants métalliques,
elle peut être installée dans des zones avec interférences
électromagnétiques (EMI), y compris les interférence radiofréquences
(RFI).
✓Les zones à EMI élevée comprennent : lignes de services publics,
lignes de transport d’électricité et chemins de fer.
✓Les câbles entièrement diélectriques sont également idéaux pour les
zones d’incidence élevée de coups de foudre
✓Pas de diaphonie entre les câbles et difficile à écouter discrètement

❖Sécurité du signal
✓Contrairement aux systèmes à base métallique; « le diélectrique », la
nature de la fibre optique rend impossible de détecter à distance le
signal transmis à l’intérieur du câble.
✓L’accès à la fibre nécessite une intervention qui est facilement
détectable par la surveillance de sécurité.
✓Ces circonstances rendent la fibre extrêmement attrayante pour les
organismes gouvernementaux, les banques et d’autres ont des
préoccupations majeures en matière de sécurité.

• Faible poids et prête pour les besoins futurs
✓Le diamètre relativement petit et le poids léger de câble optique rendre les
installations faciles et pratique, économisant un espace de conduit
précieux
✓Conçu pour répondre aux besoins futurs des applications
✓La fibre optique est abordable aujourd’hui, comme les prix baissent dans
l’industrie électronique et les prix des câbles optiques restent bas.
✓Dans de nombreux cas, les solutions de fibre sont moins coûteuses que
celles à base du cuivre.
✓Comme les demandes de bande passante augmentent rapidement avec les
avancées technologiques, la fibre continuera à jouer un rôle essentiel dans
le succès à long terme de télécommunication.

Bande spectrale optique
❖Tous les systèmes de télécommunications utilisent une forme ou une autre
de l’énergie pour transmettre des signaux.
❖L’énergie électromagnétique est une combinaison des champs électriques
et magnétiques, et comprend l’énergie contenue dans les ondes radio,
micro-ondes, lumière infrarouge, lumière visible, lumière ultraviolette,
rayons X et rayons gamma
❖Chaque discipline occupe une partie (bande) du spectre
électromagnétique
❖La division du spectral est basée sur les appareils qui peuvent être utilisés
pour capter des types particuliers d’énergie, tels que thermiques, énergie
infrarouge à ondes courtes et micro-ondes.
❖En réalité, il n’y a pas de véritables changements brusques sur l’amplitude
de l’énergie spectrale. Les spectres sont classiquement divisés en diverses
parties comme indiqué ci-dessous

• Les scientifiques trouvent parfois pratique de se référer à des « sous-
bandes »; plus petites répartitions conventionnelles des bandes
spectrales.
• Par exemple, la région infrarouge est parfois divisée en « proche
infrarouge » (le plus proche du spectre optique du rouge) et
infrarouge lointain (le plus proche de la région micro-ondes ou radio).
La bande spectrale ultraviolette souvent brisée en trois, le proche
ultraviolet, l’ultraviolet lointain, et ultraviolet extrême
NB. La nature fondamentale de tous les rayonnements au sein du
spectre est qu’il peut être considéré comme ondes électromagnétiques
qui se déplacent à la vitesse de lumière.

Les propriétés physiques
❖Les propriétés physiques des ondes dans différentes parties du spectre
peuvent être mesurées de plusieurs manières interdépendantes
notamment :
✓Durée d’une période d’onde ou la longueur de l’onde
✓L’énergie contenue dans l’onde
✓La fréquence oscillante de l’onde
❖Alors que la transmission du signal électrique tend à utiliser la
fréquence pour désigner l’occupation spectrale, la communication
optique utilise des longueurs d’onde pour désigner la région
d’exploitation spectrale et l’énergie photonique ou puissance optique

❖En outre, Il existe trois façons
différentes de mesurer les propriétés
physiques d’une onde,
✓Longueur d’onde (λ) en mètres
✓Fréquence (f) en Hz
✓Énergie des photons (E) dans eV

• La lumière optique (bande visible) n’est qu’une petite partie du
spectre électromagnétique avec des longueurs d’onde entre 400 nm à
700 nm
• Les « extrémités » violettes et rouges du spectre optique ne sont pas
vraiment des « fins », mais plus simplement des limites
conventionnelles de la partie du spectre EM à laquelle nos yeux sont
sensibles
• Il n’y a pas de limites rigides entre différentes régions du spectre; ils
s’agit simplement d’un continuum de longueurs d’onde changeant en
douceur

• La communication par fibre optique utilise le proche bande spectrale
infrarouge allant de 770nm à 1675 nm
• Les désignations des bandes découlent des caractéristiques d’atténuation de
la fibre optique et du comportement des amplificateurs optiques. Ceci du fait
que chaque effet qui contribue à l’atténuation et la dispersion dépend de la
longueur d’onde optique.
• Les bandes de longueur d’onde (ou fenêtres) qui existent là où ces effets sont
les plus faibles, sont les plus favorables à la transmission.
• Ces fenêtres ont été normalisées, trois fenêtres IR sont actuellement définies,
800 nm, 1310 nm et 1550 nm
• .

• L’Union internationale des télécommunications (UIT) a désigné six
bandes spectrales à utiliser dans les communications par fibre
optique dans le 1260nm à la région 1675nm
• Les deux dernières fenêtres ont été normalisées comme suit:

• Historiquement, il y avait une fenêtre utilisée entre 770 - 910 nm; il s’agit
de la bande appelée première fenêtre,
• Cependant, les pertes sont élevées dans cette région, de sorte que la
fenêtre est principalement utilisée pour les courtes distances de
communication (bande de fibre multimode).
• Les fenêtres inférieures actuelles (O et E) autour 1300 nm ont des pertes
beaucoup plus faibles. Cette région a une dispersion nulle.
• Les fenêtres du milieu (S et C) vers 1500 nm sont les plus utilisées.
• Cette région a les pertes d’atténuation les plus faibles et atteint la plus
longue portée. Elle a une certaine dispersion, une dispersion pouvant être
palliée par des dispositifs compensateurs.

• L’échange d’informations entre deux appareils sur un canal de communication
implique l’utilisation d’un certain type du signal électrique ou d’optique qui
porte cette information
• Le canal pourrait être : un fil, radio, micro-ondes, satellite, liaison infrarouge
atmosphérique ou optique
• Chaque type de support, canal ou média a des caractéristiques de transmission
qui lui sont associées et qui doivent correspondre aux propriétés du signal.
• Quel que soit le type du support, le passage dans tout média de transmission
dégrade la fidélité du signal transmis en raison d’une reproduction imparfaite
du signal, la présence des bruits et d’interférences
Rappel sur les fondamentaux de transmission de l’information

• Le Tx injecte le message dans le canal de transmission sous un format ou
propriétés de transfert adaptées;
• Au fur et à mesure que le signal traverse le canal, diverses imperfections du
canal et divers composants de liaison induisent des déficiences dans le
signal
• Il s’agit notamment des effets des bruits électriques ou optiques,
distorsions et atténuation du signal
• En réception, le Rx extrait le signal affaibli et déformé, l’amplifie et le
restaure autant que possible à son original
• Le format d’un signal est un facteur important dans l’envoi efficace et fiable
d’un signal à travers un réseau,
• Les signaux émis par les sources d’information peuvent être classés en
formats analogiques et numériques
Rappel sur les fondamentaux de transmission
de l’information

• Un signal analogique transmet des informations par l’intermédiaire
des variations continues et lisses dans le temps
• Un signal analogique a fondamentalement trois caractéristiques
principales.
• Amplitude (A)
• Période (T) ou Fréquence (f)
• Phase (φ )
de l’information

• Un signal numérique est une séquence ordonnée de symboles d’un
ensemble fini d’éléments
• Une configuration de signal numérique courante est la forme d’onde
binaire qui se compose de deux impulsions, les informations
contenues dans un signal numérique sont données par la séquence
particulière de 1 et de 0
de l’information

• Lors de l’analyse de tout réseau de communication, un facteur
important est la capacité du canal
• La capacité du canal est la vitesse maximale à laquelle les données
peuvent être envoyées de Tx à Rx.
• Le théorème fondamental et important pour la capacité du canal est
la capacité de Shannon:
• Le théorème stipule que si un canal a un bande passante B (en Hz) la
capacité maximale de transmission C du canal est donnée en bits par
seconde par:
de l’information

• Log2 représente la base 2 logarithmique, S et N sont la puissance
moyenne du signal et la puissance du bruit respectivement mesurées
au niveau du récepteur
• Le paramètre S/N est le rapport signal/bruit (SNR) qui est le rapport
de puissance d’un signal à la puissance contenue dans le bruit à un
moment donné au point de prélèvement.
• Le SNR est représenté en décibels (dB) avec la formule
de l’information

• La réduction ou l’atténuation du signal se produit de diverses manières par des
pertes dans un média de transmission
• Par exemple, la puissance optique est atténuée par diffusion et absorption dans
une fibre de verre ou dans un canal d’atmosphère
• Une méthode standard et conventionnelle de mesure de l’atténuation dans une
liaison ou dispositif consiste à référencer le niveau du signal de sortie à celui à
l’entrée
• Pour les supports guidés telle que la fibre optique, le signal s’atténue de façon
exponentielle
• Ainsi, pour plus de commodité, on peut le désigner en termes d’un rapport de
puissance logarithmique mesuré en décibels (dB). Avec P1 et P2 la puissance
électrique ou optique transmise et celle reçue respectivement, on a un rapport
des puissances suivant
.
de l’information

• Dans une fibre ou un autre composant avec une puissance d’entrée Pin et
une puissance de sortie Pout, la perte est donnée par:
• Perte du signal est
• Par convention, l’atténuation dans une fibre ou autre composant optique
est spécifié comme un chiffre positif, de sorte que la formule ci-dessus
devient:
• Atténuation en
de l’information

• Il est très utile de pouvoir spécifier en dB une puissance absolue en watts
ou mW.
• Pour ce faire, la puissance de référence dans la formule dB est fixée à une
valeur de référence convenue, de sorte que le dB ait est toujours une
valeur liée à ce niveau de puissance de référence.
• Cela rend le calcul de la puissance facile à n’importe quel moment point
dans un système
• Lorsque la puissance de référence est de 1 mW, le niveau de puissance du
signal optique P est donné en dBm comme :
• Puissance en
de l’information

Tableau de conversion Watts en dBm

❖ Semblable aux systèmes de communication électrique, la fonction
de base de la liaison par fibre optique est de transporter le signal
de la source à la destination avec un degré de fiabilité et de
précision
Les composants clés sont les suivants :
➢Émetteur constitué d’une source lumineuse
➢Canal de transmission (câble à fibre optique et les amplificateurs)
➢Récepteur composé d’un photodétecteur
Composition d’un système de communication optique

Composition d’un système de communication
optique

• Le câble optique est l’un des plus importants éléments d’une liaison à
fibre optique
• Le câble peut contenir des fils de cuivre pour l’alimentation dispositifs
optiques qui sont périodiquement nécessaires dans une liaison
interurbaine.
• Les câbles peuvent être installés à l’intérieur, sous terre, en dehors
sur poteaux, ou sous l’eau.
• Les connecteurs optiques et les épissures (splices) à très faible perte
sont nécessaire pour assembler des câbles
optique

• À la suite des limitations dans l’installation et/ou de la fabrication, les
longueurs de câble individuelles vont de plusieurs centaines de mètres à
plusieurs km
• Les considérations pratiques telles que la taille du rouleau et le poids du
câble déterminent la taille réelle d’une seule section de câble
• Des segments plus courts sont utilisés lorsque les câbles sont tirés à travers
des conduits.
• Des longueurs plus longues sont utilisées dans des applications aériennes,
des liens directs non contrariés ou sous-marins
• Les longueurs de câble transocéaniques sont de plusieurs centaines de km
de long
optique

• Différents dispositifs sont Inclus dans la fibre optique pour aider à
contrôler et à guider les signaux lumineux
• Les dispositifs passifs sont ceux qui ne nécessitent aucun contrôle
électronique pour leur fonctionnement.
• p. ex. filtres optiques, séparateurs optiques, multiplexeurs optiques et
coupleurs
• Les dispositifs actifs sont des composants optiques qui nécessitent le
contrôle électronique pour leur fonctionnement, par exemple les
modulateurs de signaux lumineux, les atténuateurs optiques,
commutateurs optiques, etc.
optique: Eléments d’une liaison optique

• L’amplificateur optique est utilisé pour une augmentation de la
puissance d’un signal atténué
• Avant 1990, seuls les répéteurs étaient disponibles pour
l’amplification du signal. Le répéteur effectue conversion photon-
électron, amplification, réalignement de l’intervalle entre les
impulsions, la mise en forme d’impulsions, puis la conversion
électron-photon.
• Ce processus peut être assez complexe pour une vitesse élevée et
pour les systèmes multi-longueurs d’onde.
• Les Amplificateurs toute fibre ont été développés pour augmenter la
puissance lumineuse au niveau du domaine optique
optique: Eléments d’une liaison optique

Fenêtre d’opération des fibres et éléments
optiques
• L’atténuation du signal optique est fonction de longueur d’onde
comme indiquée sur la figure ci-dessous :

• La figure montre trois fenêtres des bandes de longueur d’onde de
fonctionnement des systèmes à fibre optique, c’est-à-dire région à ondes courtes,
bande O (O Band) et bande C (C band)
• Les Premières applications (fin des années 1970) utilisaient exclusivement des
longueurs d’onde entre 770 – 910nm
• La considération d’une fenêtre dépend des pertes et de la disponibilité des
dispositifs optiques.
• Fin des années 1970, il y avait une fenêtre à faible perte entre 770 – 910nm, les
sources optiques GaAlAs et photodétecteurs Si étaient disponibles pour travailler
dans cette fenêtre. Cette fenêtre a été appelée la première fenêtre
• Vers 1000nm, il y avait une grande atténuation pic due à l’absorption par les
molécules d’eau
• À la suite du pic, les premières fibres ont présenté un minimum local dans la
courbe d’atténuation autour 850 nm
optiques

• En réduisant la concentration des ions hydroxy et les impuretés métalliques dans
le matériau fibreux, les fibres des années 1980 avaient présenté des très faibles
pertes dans la région entre 1260-1675 nm.
• Cette bande spectrale est appelée région des longues longueurs d’onde
• Puisque le verre contenait encore des molécules de l’eau, un autre Pic
d’absorption est resté à environ 1400nm.
• Ce pic a séparé deux fenêtres à faible perte, la deuxième et troisième fenêtres
• La deuxième fenêtre est centrée à 1310nm et la troisième fenêtre est centrée à
1550nm
• Cette deuxième fenêtre est maintenant appelée bande O (Origine) parce qu’il
s’agit de la (première) région d’origine utilisée pour les liaisons à fibre optique
monomode
• La troisième fenêtre est appelée bande C (conventionnelle) puisque c’est la
région de longueur d’onde utilisée par un EDFA conventionnel
optiques

• Le désir d’utiliser les longues longueurs d’onde à faible perte a motivé
le développement sources lumineuses InGaAsP et les
photodétecteurs InGaAs fonctionnant à 1310nm et 1550nm
• Les Fibres optiques dopées avec des éléments de terres rares tels que
Pr, Th et Er, ont crée des amplificateurs optiques PDFA, TDFA et EDFA.
• Le processus de purification de matériaux spéciaux peut éliminer
presque toutes les molécules d’eau dans le verre et réduire
considérablement le Pic d’atténuation autour de 1400nm.
• Ce processus ouvre la bande E (étendue) entre 1360 – 1460nm, cette
fenêtre de transmission a fourni 100nm de bande passante spectrale
pour les fibres monomodes.
optiques

• Un émetteur est utilisé pour injecter un signal lumineux dans la fibre
• Il se compose d’une source lumineuse dimensionnelle et compatible
avec le cœur de la fibre et associé aux appareils électroniques
• Les diodes électroluminescentes (DEL) semi-conductrices et les
diodes laser conviennent sont des sources lumineuses dans les
liaisons optiques.
• Dans la région 770 – 910nm, les sources lumineuses sont
généralement des alliages de GaAlAs.
• À des longueurs d’onde plus longues 1260 – 1675nm un alliage
InGaAsP est utilisé.
optique: Emetteurs optiques

optique: Emetteurs optiques

• Une fois qu’un signal optique est injecté dans la fibre, il s’atténuera
progressivement et déformera avec l’augmentation de la distance à cause
de diffusion, absorption et dispersion dans le verre.
• Un récepteur intègre une photodiode qui détecte le signal optique affaibli,
décalé et déformé au niveau de l’extrémité d’une fibre optique et le
convertit en un signal électrique (appelé photocourant).
• D’autres fonctionnalités du récepteur incluent, mais pas limitées à
l’amplification du signal, la reformation du signal et le réalignement de
l’intervalle entre les impulsions.
• Ces fonctionnalités devront permette une restauration de l’information
avec un niveau de fidélité jugé acceptable pour une communication
spécifique.
optique: Récepteurs optiques

Récepteurs optiques:
Photo détecteur

❖ Afin d’autoriser les composants et les équipements de différents
fournisseurs de s’interfacer les uns des autres, un certain nombre
de Normes internationales ont été développés
Les trois classes de base pour la fibre optique sont :
✓ Normes primaires
✓ Normes d’essai des composants
✓ Normes des systèmes
Normalisation en communication optique

Normes primaires
• Se réfère à la mesure et à la caractérisation paramètres physiques fondamentaux
tels que :
➢Atténuation
➢Bande passante
➢Caractéristiques opérationnelles des fibres
➢Niveaux de puissance optique
➢Largeur spectrale
• La principale organisation impliquée dans le primaire est l’Institut national des
normes et Technologie (National Institute of Standards and Technology: NIST)

Normes d’essai des composants
• Définissent les tests de performance pour les composants à fibre optique et
spécifient les procédures d’étalonnage des équipements optiques.
• Quelques organisations actives impliquées dans la formulation les normes
comprennent :
• Association de l’industrie des télécommunications (Telecommunications Industry
Association : TIA)
• Alliance des industries électroniques (EIA: Electronic Industries Alliance)
• Commission électrotechnique internationale (IEC: International Electrotechnical
Commission)
• Union internationale des télécommunications (ITU-T: International
Telecommunication Union)

Normes d’essai des composants
• Une norme comprend une grande variété de méthodes et
procédures recommandées pour tester la réponse de fibres,
câbles, dispositifs passifs, etc.
• Par exemple, TIA/EIA-455-60-1997 ou FOTP-60 est une
méthode publiée en 1997 pour mesurer la longueur de la
fibre ou du câble optique.
• Il existe également des normes IEC, par exemple IEC 61290 est
une méthode d’essai d’amplificateur optique.

Normes des systèmes
Un ensemble des processus par lesquels une série d’équipements ou systèmes
d’équipements peuvent interagir dans une structure cohérente. Elles établissent
les mesures de performances des liens et Réseaux.
• Les principales organisations impliquées sont :
• Institut national américain de normalisation (ANSI:American National Standards
Institute)
• Institut des ingénieurs électriciens et électroniciens (IEEE:Institute of Electrical
and Electronic Engineers)
• Union internationale des télécommunications (UIT-T:International
Telecommunication Union)
• Telecordia Technologies

Normes des systèmes
Les normes d’essai des systèmes à fibre optique sont des
recommandations offertes par l’ UIT-T.
Elles sont données en série G dans le nombre allant de G.650 et plus.
Ces recommandations concernent les câbles à fibres, les amplificateurs
optiques, réseaux de transport optique, fiabilité et disponibilité du
système, etc.

C’est quoi une onde lumineuse ?
La vitesse calculée pour les ondes électromagnétiques correspond
exactement à la vitesse de la lumière.
Les équations de maxwell ont donné une prédiction de la vitesse d’une
onde électromagnétique dans l’éther qui s’est avérée être la vitesse
mesurée de la lumière, suggérant son caractère électromagnétique
Dès lors, la lumière a été considérée comme une région du spectre
électromagnétique
Les ondes lumineuses sont également appelées électromagnétiques parce
qu’elles sont composées des deux champs électriques (E) et magnétiques
(H)
Le champ électromagnétique oscille perpendiculairement à la direction de
voyage de l’onde, et (E) et (H) sont perpendiculaires l’un de l’autre.
Conception de l’onde lumineuse

C’est quoi une onde lumineuse?
• La lumière est dès lors définie comme étant une portion du spectre électromagnétique
qui est visible à l’œil nu.
• En physique, le terme lumière désigne parfois rayonnement électromagnétique de toute
longueur d’onde, visible ou non.
• Le spectre est la collection de toutes les ondes, qui comprennent la lumière visible, les
micro-ondes, la radio ondes (AM, FM, SW), rayons X et gamma.
• .

• Les ondes ont deux caractéristiques importantes -longueur d’onde et
fréquence.
• Longueur d’onde (λ) : Distance entre les pics d’une onde mesurée en
mètres.
• les longueurs d’onde lumineuses sont de l’ordre de nanomètres (1 x 10-9)
• Fréquence (f) : C’est le nombre de fois que les pics se reproduisent en une
unité de temps, mesuré en cycles par seconde ou Hertz (Hz)
• .

• La vitesse d’une onde peut être trouvée par multiplication de la longueur
d’onde et de la fréquence. La vitesse de l’onde est mesurée en unités de
longueur (distance) par seconde et est donnée par:
• La vitesse des ondes lumineuses dans le vide est une constante universelle,
environ 300 000 km/s ou 186 000 miles par seconde.
• La vitesse exacte de la lumière est : 299 792,458 km/s.

La lumière est-elle composée de particules, ou est-ce que c’est
Une onde?
• Théorie d’Isaac Newton : la lumière est faite de minuscules particules
(théorie des particules)
• Théorie de Christian Huygens : La lumière est composée d’ondes
vibrant perpendiculairement à la direction des déplacements de la
lumière (théorie des ondes)
• La lumière est un mouvement d’onde, s’étendant à partir d’une
source lumineuse dans toutes les directions et propagation à travers un
milieu élastique omniprésent appelé Ether

Une onde?
• Adoptant une théorie des ondes, Huygens était capable de dériver les
lois de la Réflexion et Réfraction
• Les deux théories ne sont pas appropriées lorsqu’on traite
l’interaction de la lumière et de la matière telles que la dispersion,
l’émission et l’absorption de lumière.
• La théorie quantique est de nos jours utilisée, celle-ci indique
que le rayonnement optique a des particules ainsi que propriétés des
ondes

Une onde?
•La nature particulaire découle de l’observation que l’énergie lumineuse est
toujours émis ou absorbés dans des unités discrètes appelées quanta ou
photons
Selon Einstein, la lumière est composée des photons, un très petit paquet
d’énergie.
La raison pour laquelle les photons sont capables de voyager à des vitesses
de la lumière est due au fait qu’ils n’ont pas de masse.
Considérant la masse de zéro, l’équation d’Einstein 𝐸 = 𝑚𝑐2
ne peut pas
être utilisée pour décrire l'Energie de propagation de photon.

Une onde?
•Une autre formule conçue par Planck, est utilisée pour décrire la relation
entre l’énergie des photons et fréquence –
Constante de Planck (h) =6,625x10-34 Joule-seconde = 4,14eV-s
• En 1900, Max Planck a proposé l’existence d’un quantum de lumière, un
paquet fini d’énergie qui dépend de la fréquence et de la vitesse du
rayonnement donné par:
E = hf ou E = hc/λ
E est l’énergie photonique en Joules, h est la Constante de Planck et f est la
fréquence en Hz,

Réflexion et réfraction des ondes lumineuses planes
Lorsque la lumière se déplace d’un milieu d’indice de réfraction n1 vers
un second milieu avec indice de réfraction n2, il se peut que la réflexion
et la réfraction de la lumière se produisent simultanément.

• La réflexion optique est le changement de direction de propagation d'une onde
lumineuse qui après changement de direction reste dans le milieu de propagation
initial. Il existe deux types de réflexion de la lumière : spéculaire ou diffuse,
suivant la nature du matériau et de l'interface.
• La réfraction est le changement de direction que subit un rayon lumineux lorsqu'il
traverse la surface de séparation entre deux milieux transparents.
➢La réfraction se produit en raison des différences de vitesses auxquelles
les ondes se déplacent dans différentes substances.
➢ La vitesse à laquelle les ondes lumineuses se déplacent dans un milieu
est déterminée par une propriété appelée indice de réfraction absolue
du milieu.
➢L’indice de réfraction d’un milieu est une mesure à laquelle la vitesse de la
lumière réduit à l’intérieur du support
➢Par exemple, le verre typique a un indice de réfraction de 1,5; ce qui signifie que
dans le verre, la lumière se déplace à une vitesse de 1/1,5 = 0,67 fois que dans le
vide, en outre moins vite que dans le vide

• Deux propriétés communes du verre et d’autres les matériaux
transparents sont directement liés à leur indice de réfraction
(i) Les rayons lumineux changent de direction lorsqu’ils traversent
l’interface air-autre-matière
ii) La lumière se réfléchit partiellement à la surface séparant deux
environnements (verres) d’indice de réfraction différent
• L’indice de réfraction, n, est défini comme étant le rapport entre la
vitesse de propagation dans le vide (célérité) c et la vitesse v de
propagation dans le média lui-même ou matière concernée.
•

• où εr est la permittivité relative du matériau, et μr est sa perméabilité
relative.
• La perméabilité relative c'est la mesure de la capacité d'un certain
matériau à être traversé par un flux sans perdre ses caractéristiques, par
rapport à celle d'un autre matériau qui sert de référence. Il est calculé
comme le rapport entre la perméabilité du matériau étudié et celle du
matériau de référence.
• Pour la plupart des matériaux, μr est très proche de 1 à des fréquences
optiques, donc n est approximativement
• .

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