Pourquoi la perte par kilomètre est-elle plus faible à 1550 nm qu’à 1310 nm ?
Dans la fibre optique monomode à silice standard (telle que la série G.652), le coefficient d’atténuation à 1550 \text{ nm} (généralement d’environ 0,18 \sim 0,22 \text{ dB/km}) est nettement inférieur à celui à 1310 \text{ nm} (généralement d’environ 0,32 \sim 0,35 \text{ dB/km}). Ce phénomène est principalement déterminé par les mécanismes intrinsèques d’absorption physique et de diffusion du matériau de la fibre, la raison principale étant l’effet combiné de la diffusion Rayleigh et de l’absorption multiphonon infrarouge.
1. Dépendance en longueur d’onde de la diffusion Rayleigh (facteur dominant)
Le verre de silice, lorsqu’il est fondu à haute température pendant la fabrication et refroidi pour se solidifier, conserve inévitablement des inhomogénéités de densité microscopiques et de minuscules fluctuations d’indice de réfraction, formant ainsi la diffusion Rayleigh intrinsèque.
Le coefficient de perte par diffusion Rayleigh \alpha_{\text{R}} est inversement proportionnel à la quatrième puissance de la longueur d’onde de la lumière :
\alpha_{\text{R}} \propto \frac{1}{\lambda^4}
- Lorsque la longueur d’onde est \lambda = 1310 \text{ nm}, en raison de la courte longueur d’onde, la perte par diffusion Rayleigh est plus élevée, représentant environ 0,30 \sim 0,33 \text{ dB/km}.
- Lorsque la longueur d’onde se déplace vers \lambda = 1550 \text{ nm}, la perte par diffusion diminue considérablement :
\frac{\alpha_{\text{R}}(1550)}{\alpha_{\text{R}}(1310)} \approx \left(\frac{1310}{1550}\right)^4 \approx 0,51
La seule diffusion Rayleigh réduit la perte à 1550 \text{ nm} de près de 50\% par rapport à 1310 \text{ nm} (la faisant descendre à environ 0,15 \text{ dB/km}).
2. Le point d’équilibre de l’absorption intrinsèque multiphonon infrarouge
Les molécules de verre de silice (liaisons \text{Si-O}) possèdent des fréquences de vibration intrinsèques spécifiques du réseau. Leur forte absorption infrarouge fondamentale se situe dans la bande moyen-loin infrarouge (environ 9 \ \mu\text{m}), et leurs harmoniques forment le bord d’absorption infrarouge (Infrared Absorption Edge) dans la bande proche infrarouge :
- Pour \lambda < 1500 \text{ nm}, la perte par absorption infrarouge intrinsèque est extrêmement faible et peut être presque négligée.
- À mesure que la longueur d’onde augmente (en particulier au-delà de 1600 \text{ nm}), la perte par absorption infrarouge augmente de manière exponentielle.
- À \lambda = 1550 \text{ nm}, la perte par absorption infrarouge commence à apparaître, mais sa valeur absolue reste très faible (environ 0,02 \sim 0,03 \text{ dB/km}).
3. La fenêtre de perte totale minimale (fenêtre de bande C)
Le coefficient d’atténuation intrinsèque total d’une fibre monomode peut être exprimé comme la superposition de divers mécanismes d’atténuation :
\alpha_{\text{total}}(\lambda) = \alpha_{\text{Rayleigh}}(\lambda) + \alpha_{\text{IR}}(\lambda) + \alpha_{\text{UV}}(\lambda) + \alpha_{\text{impurity}}(\lambda)
- Dans la fenêtre de 1310 \text{ nm} (bande O) : Principalement limitée par la diffusion Rayleigh plus forte, la perte totale se situe entre 0,32 \sim 0,35 \text{ dB/km} (l’avantage principal de cette bande est que la dispersion chromatique est proche de zéro, c’est-à-dire la longueur d’onde de dispersion nulle).
- Dans la fenêtre de 1550 \text{ nm} (bande C) : La diffusion Rayleigh est considérablement réduite, tandis que l’absorption infrarouge du matériau de silice n’a pas encore considérablement augmenté. La courbe de diffusion Rayleigh décroissante et la courbe d’absorption infrarouge croissante se croisent près de cette fenêtre pour former un minimum physique en forme de vallée de la perte totale (environ 0,18 \sim 0,20 \text{ dB/km}).
Résumé
La raison physique fondamentale pour laquelle 1550 \text{ nm} a une perte par kilomètre plus faible que 1310 \text{ nm} est que : l’augmentation de la longueur d’onde de la lumière réduit la perte par diffusion Rayleigh d’un facteur \propto \frac{1}{\lambda^4} de moitié, tout en n’atteignant pas encore la zone d’arrêt d’absorption multiphonon infrarouge intense du matériau de silice, formant ainsi la fenêtre optique de plus faible perte de transmission pour la fibre de silice.