Le matériau utilisé pour fabriquer les fibres optiques absorbe l'énergie lumineuse. Après avoir absorbé cette énergie, les particules qui le composent produisent des vibrations et de la chaleur, dissipant ainsi l'énergie et entraînant des pertes par absorption.Cet article analysera les pertes par absorption des matériaux de fibres optiques.
Nous savons que la matière est composée d'atomes et de molécules, et que les atomes sont composés d'un noyau atomique et d'électrons extranucléaires qui gravitent autour du noyau sur une orbite précise. C'est ainsi que la Terre sur laquelle nous vivons, ainsi que des planètes comme Vénus et Mars, tournent autour du Soleil. Chaque électron possède une certaine quantité d'énergie et occupe une orbite spécifique ; autrement dit, chaque orbite correspond à un niveau d'énergie particulier.
Les niveaux d'énergie orbitaux les plus proches du noyau atomique sont plus bas, tandis que les niveaux d'énergie orbitaux les plus éloignés du noyau atomique sont plus élevés.L'amplitude de la différence de niveau d'énergie entre deux orbites est appelée différence de niveau d'énergie. Lors d'une transition d'un niveau d'énergie bas à un niveau d'énergie élevé, les électrons absorbent de l'énergie correspondant à cette différence de niveau d'énergie.
Dans les fibres optiques, lorsque des électrons d'un certain niveau d'énergie sont irradiés par une lumière d'une longueur d'onde correspondant à la différence de niveau d'énergie, les électrons situés sur des orbitales de basse énergie passeront à des orbitales de niveaux d'énergie plus élevés.Cet électron absorbe l'énergie lumineuse, ce qui entraîne une perte de lumière par absorption.
Le dioxyde de silicium (SiO2), matériau de base pour la fabrication des fibres optiques, absorbe la lumière, notamment dans les ultraviolets et les infrarouges. Actuellement, les communications par fibre optique fonctionnent généralement dans la gamme de longueurs d'onde de 0,8 à 1,6 μm ; nous n'aborderons donc que les pertes dans cette plage.
Le pic d'absorption dû aux transitions électroniques dans le verre de quartz se situe autour de 0,1-0,2 μm dans l'ultraviolet. L'absorption diminue progressivement avec l'augmentation de la longueur d'onde, mais la zone d'influence est étendue, atteignant des longueurs d'onde supérieures à 1 μm. Cependant, l'absorption UV a peu d'effet sur les fibres optiques en quartz fonctionnant dans l'infrarouge. Par exemple, dans le domaine du visible, à une longueur d'onde de 0,6 μm, l'absorption UV peut atteindre 1 dB/km, valeur qui diminue à 0,2-0,3 dB/km à 0,8 μm et à seulement 0,1 dB/km environ à 1,2 μm.
L'absorption infrarouge des fibres de quartz est due aux vibrations moléculaires du matériau dans cette région spectrale. Plusieurs pics d'absorption vibratoire sont présents dans la bande de fréquences supérieure à 2 μm. En raison de la présence de divers dopants dans les fibres optiques, les fibres de quartz ne peuvent pas présenter de faibles pertes dans cette bande de fréquences. La perte limite théorique à une longueur d'onde de 1,85 μm est de ldB/km.Des recherches ont également révélé la présence de « molécules destructrices » à l'origine de problèmes dans le verre de quartz. Il s'agit principalement d'impuretés de métaux de transition nocifs, comme le cuivre, le fer, le chrome et le manganèse. Ces « éléments indésirables » absorbent avidement l'énergie lumineuse sous l'effet de la lumière, se propageant de manière incontrôlée et entraînant ainsi une perte d'énergie. L'élimination de ces éléments perturbateurs et la purification chimique des matériaux utilisés pour la fabrication des fibres optiques permettent de réduire considérablement ces pertes.
Une autre source d'absorption dans les fibres optiques en quartz est la phase hydroxyde (OH⁻). Il a été constaté que l'hydroxyde présente trois pics d'absorption dans la bande passante de la fibre, à 0,95 μm, 1,24 μm et 1,38 μm. Parmi ceux-ci, la perte par absorption à la longueur d'onde de 1,38 μm est la plus importante et a le plus fort impact sur la fibre. À cette longueur d'onde, la perte due au pic d'absorption généré par les ions hydroxyde, même à une concentration de seulement 0,0001, atteint 33 dB/km.
D'où proviennent ces ions hydroxyde ? Leurs sources sont multiples. Premièrement, les matériaux utilisés pour la fabrication des fibres optiques contiennent de l'humidité et des composés hydroxydés, difficiles à éliminer lors de la purification des matières premières et qui se retrouvent finalement sous forme d'ions hydroxyde dans les fibres optiques. Deuxièmement, les composés d'hydrogène et d'oxygène utilisés dans la fabrication des fibres optiques contiennent une faible quantité d'humidité. Troisièmement, de l'eau est générée lors du processus de fabrication des fibres optiques par des réactions chimiques. Quatrièmement, l'air extérieur apporte de la vapeur d'eau. Cependant, les procédés de fabrication sont aujourd'hui suffisamment perfectionnés pour que la teneur en ions hydroxyde soit suffisamment faible pour que son impact sur les fibres optiques soit négligeable.
Date de publication : 23 octobre 2025