Comment se propage la lumière : réflexion, modes, ouverture numérique

Une fibre est un guide d’onde : un cœur de verre entouré de verre d’indice de réfraction légèrement plus faible, de sorte que la lumière qui rencontre la frontière sous un angle rasant est réfléchie plutôt que de s’échapper. De ce seul fait découlent les différences entre fibre monomode et multimode, l’angle d’acceptance qui détermine quelle part de la lumière d’une source entre dans la fibre, la raison pour laquelle une courbure serrée fait fuir la lumière, et les catégories OM1–OM5 et OS2 auxquelles renvoient les fiches techniques. Cette page couvre cette physique jusqu’au niveau de détail utilisé en conception de liaison.

Structure d’une fibre

Couche	Diamètre	Matériau	Rôle
Cœur	9 µm (monomode), 50 ou 62,5 µm (multimode)	silice dopée au germanium (indice plus élevé)	transporte la lumière
Gaine	125 µm	silice pure ou dopée au fluor (indice plus faible)	confine la lumière par réflexion totale interne
Revêtement	250 µm (ou 200 µm)	acrylate	protection mécanique ; codé par couleur dans les câbles
Gainage / enveloppe	revêtement serré 900 µm, ou tube lâche	plastique	manipulation ; ne fait pas partie de l’optique

La différence d’indice de réfraction entre le cœur et la gaine est minuscule — environ 0,3–0,5 % — mais elle suffit car la lumière voyage presque parallèlement à l’axe.

Réflexion totale interne et ouverture numérique

La lumière qui passe d’un milieu plus dense à un milieu moins dense s’écarte de la normale ; au-delà de l’angle critique, elle est totalement réfléchie. Dans une fibre, cela signifie que les rayons contenus dans un cône autour de l’axe sont piégés. Le demi-angle de ce cône dans l’air est fixé par l’ouverture numérique :

Fibre	ON	Demi-angle d’acceptance	Signification
Monomode G.652	≈ 0,12–0,14	≈ 7–8°	seul un faisceau étroit et bien dirigé se couple — sources laser uniquement
Multimode 50 µm (OM2–OM5)	0,20	≈ 11,5°	large acceptance — VCSEL et LED se couplent facilement
Multimode 62,5 µm (OM1)	0,275	≈ 16°	la plus large ; héritée

Une ON plus élevée = couplage plus facile mais plus de modes et plus de dispersion modale.

Modes

Un mode est une configuration de champ stable capable de se propager dans le guide. Leur nombre dépend de la taille du cœur, de l’ON et de la longueur d’onde (le nombre V) :

Fibre	Modes à 850 nm	Modes à 1310 nm	Conséquence
Monomode 9 µm	— (serait à peu de modes)	1	pas de dispersion modale ; portée fixée par l’atténuation et la dispersion chromatique
Multimode 50 µm	des centaines	~100	la dispersion modale limite le produit bande passante × distance (Dispersion et bande passante)
Multimode 62,5 µm	~1 000	—	pire dispersion modale

La fibre monomode n’est monomode qu’au-delà de sa longueur d’onde de coupure (≈ 1 260 nm pour le G.652) : à 850 nm, elle transporte plusieurs modes, ce qui explique pourquoi un module SR à 850 nm sur fibre monomode ne fonctionne pas correctement, et pourquoi « monomode à 1310/1550 » est l’association d’usage (Incompatibilités physiques).

Saut d’indice et gradient d’indice

Profil	Forme de l’indice	Utilisé dans	Effet
Saut d’indice	indice de cœur constant, saut abrupt vers la gaine	fibre monomode	sans effet pour un seul mode
Gradient d’indice	parabolique : maximal sur l’axe, décroissant vers la gaine	tout le multimode télécom (OM1–OM5)	les rayons externes parcourent une distance plus longue mais plus vite (indice plus faible), si bien que les modes arrivent presque ensemble — dispersion modale réduite d’un facteur 100 par rapport au saut d’indice

C’est la qualité du profil de gradient qui distingue l’OM3 (2 000 MHz·km) de l’OM4 (4 700 MHz·km) : même géométrie, courbe d’indice plus précise.

Diamètre de champ de mode et perte de couplage

Dans la fibre monomode, la lumière n’est pas confinée au cœur de 9 µm ; son diamètre de champ de mode (MFD) est ≈ 9,2 µm à 1310 nm et ≈ 10,4 µm à 1550 nm. Deux fibres de MFD différents, ou un désalignement latéral à un connecteur, perdent de la lumière :

Désadaptation	Perte
Désalignement latéral de 1 µm (SMF)	≈ 0,2 dB
Désalignement latéral de 2 µm	≈ 0,8 dB
MFD 9,2 contre 10,4 µm (G.652 vers G.657.B ou DSF)	≈ 0,1–0,3 dB
Cœur 50 µm vers 62,5 µm	≈ 0 dB (la perte se produit dans l’autre sens)
Cœur 62,5 µm vers 50 µm	2–4 dB
SMF vers MMF	≈ 0 dB à la jonction mais des modes excités → bruit modal
MMF vers SMF	> 10 dB

D’où les règles « ne jamais mélanger 50 et 62,5 » et « ne jamais mélanger monomode et multimode » (Connecteurs et types de fibre).

Perte par courbure

Type de courbure	Cause	Effet
Macrocourbure	rayon inférieur à ~30 mm (SMF standard), colliers de câble trop serrés, portes	la lumière s’échappe de la gaine ; la perte augmente fortement avec la longueur d’onde — une liaison correcte à 1310 nm échoue à 1550 nm, et un test à 1625 nm détecte des courbures que 1310 nm manque
Microcourbure	déviations microscopiques de l’axe dues à la contrainte du câble, au froid, à l’écrasement	augmentation de perte large bande
Fibre insensible aux courbures G.657.A1/A2/B3	profil d’indice assisté par tranchée	rayon de 10–7,5–5 mm autorisé ; utilisée en intérieur, dans les branchements FTTH et les panneaux denses

Le multimode tolère mieux les courbures mais perd d’abord les modes d’ordre élevé, ce qui modifie sa bande passante.

Catégories de fibre en un tableau

Catégorie	Cœur	Longueur(s) d’onde	Bande passante (EMB à 850 nm)	Atténuation	Norme
OM1	62,5 µm	850 / 1300	200 MHz·km	3,5 / 1,5 dB/km	ISO 11801, TIA-492AAAA
OM2	50 µm	850 / 1300	500	3,5 / 1,5	TIA-492AAAB
OM3	50 µm	850 (optimisée laser)	2 000	3,0 / 1,5	TIA-492AAAC
OM4	50 µm	850	4 700	3,0 / 1,5	TIA-492AAAD
OM5	50 µm	850–953 (large bande)	4 700 à 850, 2 470 à 953	3,0 / 1,5	TIA-492AAAE
OS1 / OS1a	9 µm	1310 / 1550	—	1,0 / 1,0 (intérieur, revêtement serré)	ISO 11801
OS2	9 µm	1310 / 1383 / 1550	—	0,4 / 0,4 / 0,4 (tube lâche, faible pic d’eau)	ISO 11801 ; ITU-T G.652.D
G.657.A/B	9 µm	comme OS2	—	comme OS2	insensible aux courbures
G.655 / G.654	9 µm	1550	—	0,2 / 0,17	NZ-DSF pour DWDM ; ultra-faible perte pour longue distance

Portée selon la PMD et la catégorie : Tableaux de portée.

Ce que cela signifie pour le transceiver

Le type de connecteur et le type de fibre du module doivent correspondre à l’infrastructure : SR/SR4 sur OM3/OM4, tout le reste sur OS2.
La condition de lancement d’un laser (flux encerclé pour les VCSEL) est définie par les normes pour que les chiffres de bande passante multimode tiennent — un module hors spécification donne une portée plus courte que celle promise par les tableaux.
Les modules monomodes sur fibre multimode (avec une jarretière de conditionnement de mode) étaient une astuce du 1G (1000BASE-LX sur OM1) ; cela ne s’étend pas au 10G et au-delà.

Dans CodingBox

Le module indique à l’hôte pour quelle fibre il est prévu : code de connecteur, longueur d’onde et champs de longueur pour SMF, OM1, OM2, OM3 et OM4 — les mêmes catégories que ci-dessus. CodingBox les affiche pour que la question de la fibre soit réglée avant que le module quitte le banc (Check transceiver, Plan mémoire).

Les fibres normalisées que ces principes produisent — ITU-T G.652 à G.657, catégories multimode OM1–OM5, fibres spéciales, pertes de jonction entre fibres dissemblables et comment identifier ce qui est installé : Types de fibre.

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