CCP Physique PC 2018

Thème de l'épreuve Procédés physiques de transmission d'un signal
Principaux outils utilisés optique géométrique, propagation d'onde, électromagnétisme, mécanique
Mots clefs fibre optique à saut d'indice, fibre optique à gradient d'indice, câble coaxial, atténuation, bande passante, multiplexage, réflexion totale, impédance, équation des télégraphistes

Corrigé

(c'est payant, sauf le début): - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

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SESSION 2018

!
!

!

PCPH003

!
ÉPREUVE SPÉCIFIQUE - FILIÈRE PC!
!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!"

PHYSIQUE
Mercredi 2 mai : 8 h - 12 h!
!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!"
N.B. : le candidat attachera la plus grande importance à la clarté, à la 
précision et à la concision de la
!"#$%&'()*+,'+-)+%$)#'#$&+./&+$0.)"+1+!.2"!.!+%.+3-'+2.-&+4-'+/.054.!+6&!.+-).+.!!.-!+#7")()%"8+'4+4.+
/'9)$4.!$+/-!+/$+%(2'.+.&+#.:!$+2(-!/-':!.+/$+%(02(/'&'()+.)+.;24'3-$)&+4./+!$'/()/+#./+')'&'$&':./+3-7'4+
a été amené à prendre.!

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!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!"
!
!
Les calculatrices sont autorisées
!
!
!
!
Le sujet est composé d'un problème constitué de deux parties indépendantes.
!
!
Dans chaque partie, les sous-parties sont globalement indépendantes.
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1/13

!

PROBLÈME
Procédés physiques de transmission d'un signal
Dans ce problème, on se propose d'étudier et de comparer le câble coaxial et la 
fibre optique
comme supports de distribution de signaux. La partie I traite du câble coaxial. 
Dans la sous-partie I.1,
on le supposera parfait, tandis que la sous-partie I.2 visera à en affiner la 
modélisation. La partie II
traite de la fibre optique. Après avoir rappelé quelques résultats généraux 
d'optique géométrique
dans la sous-partie II.1, on détaillera la propagation des rayons dans la fibre 
à saut d'indice (souspartie II.2) puis dans la fibre optique à gradient 
d'indice (sous-partie II.3), ce qui nous conduira à
analyser une technique d'augmentation de la capacité de transmission : le 
multiplexage (sous-partie
II.4). La sous-partie II.5 est consacrée aux pertes associées à l'usage de la 
fibre optique.

Partie I ! Le câble coaxial
Un câble coaxial, représenté en figure 1, est constitué d'un fil de cuivre 
cylindrique central, de
rayon a, appelé âme, et d'un conducteur cylindrique creux de même axe de 
révolution, également
en cuivre, appelé gaine et de rayon intérieur b. Un isolant occupe tout 
l'espace entre l'âme et la
gaine. À l'entrée du câble coaxial, on place un générateur de tension, non 
représenté, entre l'âme et
la gaine.
b

âme
a
x
gaine

Figure 1 ­ Structure d'un câble coaxial
On modélise le câble coaxial, milieu continu, par une ligne électrique à 
constantes réparties, pour
laquelle on note respectivement  et  les inductance et capacité par unité de 
longueur. La ligne est
modélisée par une succession de tronçons élémentaires de longueur dx, 
considérés comme des
quadripôles élémentaires auxquels sont associées une inductance dL =   dx et 
une capacité
dC =   dx . Le schéma électrique d'un tronçon de ligne de longueur dx est 
représenté en figure 2.
Dans ce modèle, on néglige toute perte résistive. On note i ( x, t ) et i ( x + 
dx, t ) les intensités des
courants dans la ligne, à l'instant t, aux abscisses respectives x et x + dx . 
On note u ( x, t ) et

u ( x + dx, t ) les tensions entre l'âme et la gaine, à l'instant t, aux 
abscisses respectives x et x + dx .
Les tensions et courants sont des signaux sinusoïdaux alternatifs de fréquence 
f.
i ( x, t )

âme

dL

i ( x + dx , t )

dC

u ( x, t )

u ( x + dx, t )

gaine
x + dx

x

x

Figure 2 ­ Schéma électrique d'un tronçon de ligne de longueur dx
2/13

I.1 ­ Le câble coaxial parfait
Q1. Comment le courant circulant dans l'âme revient-il jusqu'au générateur de 
tension ?
Q2. Démontrer que les deux équations différentielles couplées sur u et i sont :
u ( x, t )
i ( x, t )
i ( x, t )
u ( x, t )
= -
= -
et
.
x
t
x
t
u ( x + dx, t ) u ( x, t )
=
à l'ordre 0 en dx.
Vous considérerez, notamment, que :
t
t
Par ailleurs, on rappelle que, puisque dx tend vers zéro, nous avons les 
relations suivantes :
u ( x, t )
i ( x, t )
u ( x + dx, t ) - u ( x, t ) =
 dx
et
i ( x + dx, t ) - i ( x, t ) =
 dx .
x
x
Q3. Montrer que u ( x, t ) et i ( x, t ) obéissent à deux équations de 
propagation de D'Alembert.
En déduire l'expression de la vitesse de propagation v des signaux dans la 
ligne en fonction de
 et  . Vérifier sa dimension.
Q4. On étudie les solutions des équations de D'Alembert en régime permanent 
sinusoïdal. La
tension u ( x, t ) correspond à la partie réelle de la tension complexe u ( x, 
t ) . L'intensité i ( x, t )
correspond à la partie réelle de l'intensité complexe i ( x, t ) . On propose, 
avec j le nombre
complexe tel que j 2 = -1 , des solutions complexes des équations de 
propagation de la forme :

u ( x, t ) =   i0  exp ( j (  t - k  x ) ) -   i1  exp ( j (  t + k  x ) )
et
i ( x, t ) = i0  exp ( j (  t - k  x ) ) + i1  exp ( j (  t + k  x ) ) .
Vérifier que u ( x, t ) est compatible avec l'équation trouvée à la question 
Q3, à une condition
sur v,  et k qu'on explicitera.
Donner une interprétation physique de chacun des deux termes présents dans les 
expressions
de u ( x, t ) et i ( x, t ) .
Pour la suite, nous considérerons toujours i0 non nul.

Q5. Donner l'expression de  en fonction de l'impédance caractéristique Z c =

.

Préciser son unité.

Q6. L'extrémité du câble, de longueur d, est fermée sur une impédance Z . 
Exprimer i1 en
fonction de : i0 , Z , , k et d.
Q7. L'impédance totale de la ligne vue depuis l'abscisse x, notée Z l ( x ) , a 
pour expression :
Zl ( x ) =

u ( x, t )
i ( x, t )

. Donner l'expression de Z l ( x ) en fonction de : Z , , k, d et x. À quelle

condition sur Z , l'impédance Z l ( x ) est indépendante de l'abscisse x ? 
Quelle est alors
l'expression de Z l ( x ) ? Que dire dans ce cas de i1 et que peut-on alors 
conclure ?
!

3/13

Quelle impédance mettre en bout de câble pour s'assurer, dans le cadre des
télécommunications, que la puissance transmise est optimale ?

I.2 ­ Le câble coaxial avec pertes
La modélisation précédente ne décrit qu'imparfaitement la propagation du 
signal. Aussi on se
propose d'étudier le modèle représenté en figure 3 dans lequel on a inséré une 
résistance dR = r  dx
par rapport au modèle de la figure 2 de la page 2.
i ( x, t )

âme

dL

dR

u ( x, t )

i ( x + dx, t )

dC

u ( x + dx, t )

gaine
x
x + dx

x

Figure 3 ­ Schéma électrique d'un tronçon de ligne imparfait de longueur dx

Q8. Quelle est l'origine physique de la résistance dR ?
Q9. Montrer que l'équation de propagation de l'onde de tension u ( x, t ) est :
 2 u ( x, t )
 2 u ( x, t )
u ( x, t )
=  
+ r 
.
2
2
x
t
t

Q10. En considérant une solution de la forme u ( x, t ) = u0  exp ( j (  t - k  
x ) ) à l'équation de
propagation précédente, dans laquelle k est une pulsation spatiale complexe, 
trouver
l'équation de dispersion associée à la ligne.

Q11. On écrit k sous la forme : k =  - j   . Que représentent physiquement  et  
? Justifier,
par un raisonnement physique, le signe de  lorsque  > 0.
Q12. On définit l'atténuation linéique de puissance du signal entre le point 
d'entrée du câble
coaxial en x = 0 et un point d'abscisse x par la grandeur A, exprimée en 
décibel par unité de
! P "
! P "
10
 ln # 0 $
10  log # 0 $
# P ( x ) $ ln10 # P ( x ) $
%
&=
%
& , avec P x = 1 Re u x, t  i * x, t
longueur, A =
( )
( ( ) ( ) ) la
x
x
2
1
puissance moyenne de l'onde à l'abscisse x et P0 = P ( x = 0 ) = u0  i0 la 
puissance moyenne
2
de l'onde en entrée du câble.
En considérant que i ( x, t ) = i0  exp ( j (  t - k  x ) ) , exprimer A en 
fonction de .

4/13

Q13. À l'aide d'un développement limité à l'ordre 1, montrer que si r <<    , 
alors
10

A=
r 
.
ln10

Q14. Par ailleurs, on montre que, lorsque r >>    , l'atténuation linéique de 
puissance a pour
10
expression : A =
 2  r     . Ainsi, au vu de cette équation et de celle de la question
ln10
Q13, il semble que l'atténuation linéique de puissance progresse avec la 
fréquence puis
devienne indépendante de celle-ci lorsque les effets inductifs prennent le pas 
sur les effets
résistifs. Mais, en réalité, à cause d'un phénomène physique associé à la 
résistance r, en haute
fréquence, r augmente avec la racine carrée de la fréquence. Nommer et 
expliquer ce
phénomène.

Partie II ! La fibre optique
Dans toute cette partie, on notera c = 3, 00 108 m  s -1 la célérité de la 
lumière dans le vide.

II.1 ­ Généralités
Q15. Énoncer les lois de Snell ­ Descartes relatives à la réflexion et à la 
réfraction de la lumière en
les accompagnant de schémas.
Q16. Lors d'une séance de travaux pratiques, on dispose d'un disque métallique 
gradué en degrés,
d'un laser et d'un demi-cylindre de plexiglas dont la face plane est confondue 
avec un
diamètre du disque métallique. La lumière du laser arrive sur la face courbe du 
demi-cylindre
de plexiglas suivant un de ses rayons comme indiqué en figure 4. Le 
demi-cylindre peut
pivoter sur le disque métallique autour de l'axe (Oz), O étant le centre du 
disque.

y

Laser

O

x

z

air

plexiglas

air

Figure 4 ­ Expérience avec un demi-cylindre en plexiglas
Reproduire la figure 4 et tracer les rayons réfractés et réfléchis issus du 
laser. Quelles lois
peut-on vérifier avec cette expérience ? Quel phénomène pourra être mis en 
évidence à
l'occasion de cette expérience ? Pourquoi utiliser un laser comme source 
lumineuse ?

5/13

II.2 ­ La fibre optique à saut d'indice
Une fibre optique à saut d'indice, représentée en figure 5, est constituée d'un 
coeur cylindrique
transparent d'indice nc = 1,500 et de rayon rc, entouré d'une gaine 
transparente d'indice ng = 1,485.
L'axe Ox de la fibre est normal au dioptre air-coeur. En raison de la symétrie 
de révolution de la
fibre autour de l'axe Ox, on se restreint à une étude dans le plan (xOy).

y

air
gaine

air

coeur

!

O

x
gaine
air
Figure 5 ­ Fibre optique à saut d'indice

Q17. Un rayon lumineux monochromatique se propageant dans l'air, situé dans le 
plan (xOy),
pénètre dans le coeur de la fibre en O avec un angle d'incidence . Montrer que 
le rayon reste
dans le coeur si l'angle  est inférieur à un angle limite L, appelé angle 
d'acceptance de la
fibre optique, dont vous donnerez l'expression en fonction de nc et de ng. 
Calculer la valeur de
L. L'indice de l'air vaut na = 1,000.
On considère maintenant une fibre optique de longueur L. Le rayon entre dans la 
fibre avec un angle
d'incidence  variable compris entre 0 et L.

Q18. Quel est le rayon qui traverse le plus rapidement la fibre ? Exprimer, en 
fonction de L, c et nc,
la durée de parcours T1 de ce rayon.
Q19. Quel est le rayon qui met le plus de temps à traverser la fibre ? 
Exprimer, en fonction de L, c,
ng et nc, la durée de parcours T2 de ce rayon.
Q20. En déduire l'expression de l'intervalle de temps !T = T2 - T1 en fonction 
de L, c, ng et nc. On
2

! ng "
posera 2   = 1 - # $ avec  << 1 . Dans ces conditions, exprimer !T en fonction 
de L, c,
% nc &
nc et  . Calculer la valeur de !T pour L = 10 km.
On injecte à l'entrée de la fibre une impulsion lumineuse de durée e, 
représentée en figure 6,
formée par un faisceau de rayons ayant un angle d'incidence compris entre 0 et 
L.
Amplitude
(unité arbitraire)

e!
t

Figure 6 ­ Impulsion lumineuse en entrée de fibre optique
6/13

Q21. Reproduire la figure 6. Représenter l'allure de l'impulsion en sortie de 
fibre. Préciser sa durée
approximative s. On négligera ici tout phénomène d'absorption de la lumière par 
la fibre.
Q22. Le codage binaire de l'information consiste à envoyer des impulsions 
lumineuses, appelées
bits, périodiquement avec une fréquence f. En supposant e négligeable devant !T 
, quelle est
la fréquence maximale de transmission fmax qui empêche le recouvrement des 
impulsions à la
sortie de la fibre ?
Q23. En considérant Lmax la longueur maximale de fibre optique qui permet 
d'éviter le phénomène
de recouvrement des impulsions, on définit le produit B = Lmax  f comme étant 
la bande
passante de la fibre optique. Exprimer B en fonction de c, nc et  . Expliquer 
l'intérêt
d'introduire cette grandeur. Pour un débit de 100 Mbits par seconde, évaluer et 
commenter la
longueur maximale de fibre optique que l'on peut utiliser pour transmettre le 
signal.

II.3 ­ La fibre optique à gradient d'indice
Pour remédier à l'élargissement des impulsions, on a fabriqué des fibres dites 
à gradient d'indice
dans lesquelles on a remplacé le coeur par un milieu inhomogène d'indice n(y) 
vérifiant la relation
2
!
# y$ "
2
2
n ( y ) = nc  %1 - 2    ' ( & pour y  rc , où y désigne la distance algébrique 
du point considéré à
%+
) rc * &,
l'axe Ox et rc le rayon du coeur de la fibre. La gaine reste homogène d'indice 
ng et on a encore
n ( y = 0 ) = nc = 1,500 . Le rayon entre dans la fibre en O avec un angle 
d'incidence  compris entre
0 et L. Dans ces conditions, la trajectoire du rayon lumineux est celle 
indiquée en figure 7.

air

y

gaine
air

!

coeur
O

x
gaine
air

Figure 7 ­ Fibre à gradient d'indice
!!!!!"
Q24. Reproduire la figure 7. Justifier puis dessiner, sans respect d'échelle, 
les vecteurs grad n ( y )
au sein du coeur pour y > 0 et y < 0 .

Q25. Soit un point M du rayon lumineux repéré par ses coordonnées (x, y). On 
introduit , l'angle
formé en M entre la tangente au rayon lumineux et l'axe Ox comme indiqué en 
figure 8a de la
page 8. En considérant le coeur comme un milieu stratifié formé de milieux 
d'indices n0,
n1,...nj,... limités par des dioptres plans parallèles, d'équation y = cste 
(figure 8b page 8),
quelles relations lient les indices nj-1, nj, et nj+1 aux angles d'incidence 
ij-1, ij, ij+1 ? En
considérant que cette propriété est valable pour une fibre à gradient d'indice, 
que peut-on dire
# n  sin  $
de la quantité n ( y )  cos  ? Exprimez-la en fonction de nc et 0 = Arcsin ' a
(.
) nc
*
7/13

nj+1
nj
nj-1

gaine
M

0!
!

coeur!

y

y

!
coeur!

ij+1
ij
ij-1

O

O

x

Figure 8a

x

Figure 8b

Trajectoire du rayon lumineux dans une fibre à gradient d'indice
Relier,

dy
, la pente de la tangente du rayon lumineux en M, à l'angle . Montrer alors que 
:
dx
2

2
! dy " ! n ( y ) "
$ -1.
# $ =#
% dx & % nc  cos 0 &

2
'
! y" (
Q26. En considérant que n ( y ) = nc  )1 - 2    # $ * et en dérivant l'équation 
précédente, on
)+
% rc & *,
d2 y
2
obtient l'équation différentielle suivante :
=-
 y . Donner l'équation de la
2
2
dx
( rc  cos  0 )
2

2

trajectoire d'un rayon, y ( x ) , en fonction de rc,  ,  0 et x. Montrer que le 
rayon lumineux
coupe l'axe Ox en des points régulièrement espacés d'une distance d que l'on 
exprimera en
fonction de rc,  ,  0 .

Q27. On appelle ouverture numérique, O.N., la quantité sin  L où L est l'angle 
limite défini à la
question Q17. Existe-t-il une différence d'O.N. entre une fibre optique à saut 
d'indice et une à
gradient d'indice ? Quel est l'intérêt de cette caractéristique de la fibre 
optique ?
Q28. On considère une impulsion lumineuse identique à celle de la question Q21. 
Cette impulsion,
en sortie d'une fibre optique à gradient d'indice de longueur L, possède un 
élargissement
n L !
cos 0 "
1
-1 +
temporel, !T ' = c  #
$ . Evaluer cette durée pour L = 10 km et l'angle
c % 2  cos  0
2 &

0 maximum. Commenter. Interpréter physiquement pourquoi l'élargissement 
temporel est
plus petit dans une fibre à gradient d'indice.

Q29. À quelle condition sur le rayon de la fibre le modèle utilisé jusqu'à 
présent est-il valable ?
II.4 ­ Le multiplexage par longueurs d'onde
Un article d'un ouvrage sur les fibres optiques décrit la technique du 
multiplexage par longueurs
d'onde de la façon suivante :
[...] « Pour augmenter la capacité de transmission on peut utiliser la 
technique du multiplexage par
répartition de longueurs d'onde (wavelength division multiplexing : WDM). 
L'idée est de
transmettre plusieurs signaux optiques à différentes longueurs d'onde et de les 
combiner pour les
envoyer sur une même fibre. Le multiplexage WDM utilise des multiplexeurs de 
longueur d'onde,
composants sélectifs et réciproques. Au contraire des coupleurs, où le même 
signal est réparti entre
les différentes sorties, les multiplexeurs possèdent un accès commun et n accès 
sélectifs.

8/13

Des signaux portés par des longueurs d'onde différentes arrivant par l'accès 
commun sont aiguillés
vers des sorties différentes. En sens inverse, des signaux de longueurs d'onde 
différentes arrivant
par leur accès propre sont multiplexés, en théorie sans pertes, sur la sortie 
commune. On peut ainsi
citer la technologie CWDM qui multiplexe 4 à 8 longueurs d'ondes espacées de 10 
à 20 nm ».

Q30. Quel est l'avantage du multiplexage par longueurs d'onde par rapport à une 
transmission avec
une seule longueur d'onde ?
Q31. Illustrer, à l'aide d'un schéma, le principe de multiplexage par longueurs 
d'onde pour quatre
signaux de longueur d'ondes différentes.
Q32. Expliquer le terme de réciproque.
Q33. L'article s'accompagne de la figure 9 suivante. En vous basant sur cette 
dernière, expliquer le
principe de multiplexage / démultiplexage par réseau de diffraction.
Multiplexage en
longueur d'onde
Rouge

Démultiplexage en
longueur d'onde

Jaune

Lasers

Photodétecteurs
Vert
Bleu

Réseau de
diffraction

Fibre

Réseau de
diffraction

Figure 9 ­ Multiplexage / démultiplexage par réseau de diffraction

II.5 ­ Pertes associées à l'usage de la fibre optique
Les inévitables impuretés présentes dans la fibre diffusent la lumière hors de 
celle-ci. Ainsi, la
puissance lumineuse diminue le long du trajet. On souhaite établir la loi 
d'évolution de la puissance
P(x) en fonction de l'abscisse x. Pour cela, on considère une densité volumique 
nv d'impuretés
identiques, modélisées par des sphères présentant chacune une surface apparente 
notée  et appelée
section efficace microscopique, contenues dans une tranche de faible épaisseur 
dx entre les
abscisses x et x+dx (figure 10). On suppose, par ailleurs, que la lumière se 
propage rectilignement
selon l'axe Ox, que la puissance est également répartie sur la section S du 
coeur de la fibre et que
toute lumière arrivant sur une impureté est diffusée et ne franchit donc pas la 
tranche dx. Enfin, on
négligera le recouvrement éventuel des sections efficaces microscopiques.
impureté

section efficace 
d'une impureté

O
x
x

x+dx!

section S du coeur de la fibre

Figure 10 ­ Impuretés dans une fibre
!

9/13

Q34. Effectuer un bilan de puissance au sein de la tranche dx. En considérant 
une tranche
d'épaisseur infinitésimale, l'évolution de la puissance lumineuse entre les 
abscisses x et x+dx
dP ( x )
 dx . En déduire l'équation différentielle vérifiée par
est telle que : P ( x + dx ) - P ( x ) =
dx
la fonction P(x). En prenant pour condition limite P ( x = 0 ) = P0 , donner 
l'expression de P(x)
en fonction de x, P0 , nv et .

Q35. On définit, comme pour le câble coaxial, l'atténuation linéique de 
puissance lumineuse entre
le point d'entrée de la fibre en x = 0 et un point d'abscisse x par la grandeur 
A, exprimée en
! P "
! P "
10
 ln # 0 $
10  log # 0 $
# P ( x ) $ ln10 # P ( x ) $
%
&=
%
& . Donner l'expression
décibel par unité de longueur : A =
x
x
de A en fonction de nv et .
Q36. Pour un verre standard, cette atténuation linéique est de l'ordre de 0,1 
dB/mm, alors que dans
les fibres optiques, elle est de l'ordre de 0,2 dB/km. En supposant que le 
signal doit être réamplifié dès que sa puissance est inférieure à 1 % de sa 
valeur d'émission, calculer la distance
maximale qui sépare deux amplificateurs lors d'une liaison par fibres optiques. 
Comparer et
commenter à celle que l'on aurait avec une liaison par câble coaxial 
d'atténuation 10 dB/km.
Q37. La section efficace microscopique d'une impureté donnée n'est pas 
constante mais dépend de
la longueur d'onde  du signal lumineux. Aussi, l'atténuation linéique A d'une 
fibre optique
dépend également de celle-ci comme indiqué en figure 11. Quelle longueur d'onde 
choisiriezvous pour des télécommunications mettant en oeuvre des fibres 
optiques ? À quel domaine du
spectre électromagnétique cela correspond-il ?

Atténuation linéique
(dB/km)

courbe
expérimentale

limite
théorique

Longueur d'onde (µm)

!

Figure 11 ­ Atténuation linéique de puissance en fonction de la longueur d'onde
Le coeur de la fibre est fabriqué en verre de silice. Le pic principal de la 
figure 11 est dû à la
présence, en son sein, d'impuretés que sont les ions HO­. Un modèle simple 
permettant de justifier
ce pic consiste à modéliser l'interaction entre les deux atomes d'oxygène O et 
d'hydrogène H par
un ressort, de longueur à vide l0 et de raideur k, les reliant. Dans l'étude 
qui suit, on considère que

10/13

les deux atomes, de masses respectives mO et mH, sont seuls et ne subissent 
aucune force de liaison
extérieure. On se place dans un référentiel galiléen auquel on associe le 
repère de centre C,
!!"
correspondant au centre de l'atome d'hydrogène au repos, et de vecteur unitaire 
ex parallèle à l'axe
du ressort dirigé de l'atome O vers l'atome H (figure 12). On repère la 
position de l'atome H à un
instant quelconque t par l'abscisse x(t). Les effets liés à la gravité sont 
négligés.

O

H

C
l0

!!"
ex
x(t)

Figure 12 ­ Modélisation de l'interaction entre les atomes O et H de l'impureté 
HO­

Q38. Justifier qualitativement que l'on puisse considérer l'atome d'oxygène 
fixe et que seul
l'atome d'hydrogène soit mobile.
Q39. La différence d'électronégativité entre les atomes d'oxygène et 
d'hydrogène entraîne
l'apparition d'une charge électrique q au voisinage de l'atome d'hydrogène. 
Expliquer
pourquoi la lumière guidée dans la fibre va donc, en arrivant sur une impureté 
HO­, mettre en
mouvement l'atome d'hydrogène.
Q40. En considérant une lumière monochromatique, de fréquence f, à laquelle on 
associe un champ
!"
!!"
électrique E ( t ) = E0  cos ( 2    f  t )  ex , établir l'équation 
différentielle vérifiée par x(t).
Préciser l'expression de la fréquence propre du système f0.
Q41. Résoudre, en régime sinusoïdal établi, l'équation différentielle de la 
question Q40.
Représenter graphiquement l'amplitude (positive) de la solution particulière en 
fonction de la
fréquence f. Que peut-on observer et que manque-t-il au modèle pour mieux 
correspondre à la
réalité ? Comment serait alors modifié le graphe précédent ?
Q42. Le pic principal de la figure 11 correspond, en fait, au premier 
harmonique de l'oscillation de
la liaison entre les atomes d'hydrogène et d'oxygène. Pour ce modèle, la 
raideur du ressort a
pour valeur k = 7,7.102 N.m-1. En prenant mH = 1,7.10-27 kg, évaluer la 
longueur d'onde OH
de ce grand pic d'absorption.
Les lois de l'électromagnétisme montrent que seulement une fraction T de la 
puissance de la
lumière injectée dans la fibre optique passe effectivement dans le coeur de 
celle-ci. Pour trouver, en
considérant une incidence normale du faisceau lumineux vis-à-vis de la fibre, 
l'expression du
coefficient T en fonction de na et nc, nous allons considérer le cas d'une onde 
plane
monochromatique. On s'intéresse au cas de deux milieux diélectriques 
transparents, 1 et 2,
d'indices réels n1 et n2, séparés par le plan d'équation x = 0 comme indiqué en 
figure 13 de la page
12. On considère une onde électromagnétique incidente, de pulsation , polarisée 
rectilignement,
qui se propage dans le milieu 1 en direction du milieu 2 normalement au 
dioptre. Le champ
!!"
!!"
électrique de l'onde incidente, dans le milieu 1, a pour expression : E1 = E01  
e j ( t - k1  x )  ey . L'étude
!!" !!" !!"
s'effectue dans le référentiel galiléen () muni d'un repère cartésien O, ex , 
ey , ez .

(

11/13

)

!!"
E1 !
!"
k1 !

!!"
ey !
0

milieu 1

x

!!"
ex !
milieu 2

!!"
ez !

Figure 13 ­ Coefficient de transmission

!!"
Q43. Donner l'expression du vecteur champ magnétique B1 de l'onde incidente, 
dans le milieu 1.
Rappeler la relation qui existe entre k1, n1,  et c.
Q44. Le champ électrique de l'onde réfléchie, dans le milieu 1, a pour 
expression :
!!" !!"
!!"
!!"
"
j ( t - kr  xex ) !!
Er = E0 r  e
 ey . Quel lien existe-t-il entre le vecteur d'onde de l'onde réfléchie kr et
!"
le vecteur d'onde de l'onde incidente k1 ? Donner l'expression du vecteur champ 
magnétique
!!"
Br de l'onde réfléchie, dans le milieu 1.
Q45. Les champs électromagnétiques de l'onde transmise dans le milieu 2 ont 
pour expression :
!!" n
!!"
!!"
!!"
j  t - k  x
E2 = E02  e j ( t - k2  x )  ey et B2 = 2  E02  e ( 2 )  ez . On admet la 
continuité du champ
c
!" !!" !!" !!"
électromagnétique. Après avoir représenté sur une même figure les vecteurs k1 , 
E1 , B1 , kr ,
!!" !!" !!" !!"
!!"
Er , Br , k2 , E2 et B2 , indiquer les deux relations qui lient E01 , E0r et 
E02 . En déduire, en
fonction de n1 et n2, l'expression du coefficient en amplitude  défini par : 
E02 =   E01 .
Y-a-t-il un changement de phase lors de la transmission ?

Q46. Pour un milieu transparent, d'indice n réel, la valeur moyenne du vecteur 
de Poynting associé
!" !!!"
!"
1 ! E  B*"
à une onde électromagnétique a pour expression : R = Re #
$ . Donner les
2 % µ0 &
expressions :
!!"
de la valeur moyenne du vecteur de Poynting R1 associé à l'onde 
électromagnétique
incidente du milieu 1 en fonction de E01 , E01 * , n1, µ0, c et d'un vecteur 
unitaire,
!!"
et de la valeur moyenne du vecteur de Poynting R2 associé à l'onde 
électromagnétique
transmise dans le milieu 2 en fonction de E02 , E02 * , n2, µ0, c et d'un 
vecteur unitaire.
En déduire l'expression du facteur de transmission en puissance T entre les 
milieux 1 et 2 (en
incidence normale et pour des milieux transparents) en fonction de n1, n2 et , 
puis en fonction
uniquement de n1 et n2.

12/13

Q47. En considérant une incidence normale en entrée et en sortie de fibre du 
faisceau lumineux, le
4  na  nc
.
coefficient de transmission entre l'air et le coeur de la fibre a pour 
expression T =
2
( na + nc )
Sans tenir compte des pertes à l'intérieur de la fibre, calculer la perte de 
puissance totale, en
décibels, entre l'entrée et la sortie de la fibre. Commenter ce résultat.
Q48. Si la fibre peut être courbée sans grand inconvénient mécanique, cette 
courbure peut
néanmoins conduire à une perte de l'énergie guidée. En raisonnant sur la figure 
14, expliquer
la raison de cette perte dans une fibre optique à saut d'indice. En considérant 
un rayon
pénétrant dans la fibre, perpendiculairement à sa section, à la limite du bord 
inférieur, donner
en fonction de nc, ng, rc et rg le rayon de la gaine, l'expression du rayon de 
courbure r à partir
duquel la perte de courbure apparaîtra. Calculer ce rayon en considérant que rg 
+ rc = 1, 0 mm,
rc - rg  0 , nc = 1,500 et ng = 1,485. Conclure.

Rayon incident

2.rc

gaine
coeur

r
r

2.rg

Figure 14 ­ Perte de courbure dans la fibre optique à saut d'indice!
Q49. Pour assurer les transmissions à grande distance, il faut raccorder de 
nombreuses fibres
optiques. La difficulté pour abouter deux fibres réside dans les dimensions en 
jeu : le coeur
d'une fibre optique unimodale est de l'ordre de 9 microns... Cependant, la 
liaison entre fibres
optiques doit être particulièrement soignée sinon il peut y avoir une perte de 
puissance du
signal et donc une moindre distance parcourue. Commenter et illustrer, par un 
schéma simple,
chacun des trois problèmes rencontrés lors de la jonction entre deux fibres de 
même diamètre
de coeur et de gaine : la concentricité, l'écartement longitudinal et le 
désalignement angulaire.
Q50. Les fibres optiques multimodales OM1, aussi appelées 62,5/125, ont un 
coeur de diamètre de
62,5 microns et une gaine de diamètre extérieur de 125 microns. Peuvent-elles 
être aboutées à
des fibres optiques multimodales OM2, aussi appelées 50/125, dont le coeur a un 
diamètre de
50 microns et la gaine un diamètre extérieur de 125 microns ? Discuter selon le 
sens de
propagation de la lumière dans les fibres.

FIN

13/13

Extrait du corrigé obtenu par reconnaissance optique des caractères



CCP Physique PC 2018 -- Corrigé
Ce corrigé est proposé par Tom Morel (professeur en CPGE) ; il a été relu par
Jérôme Lambert (enseignant-chercheur à l'université) et Louis Salkin 
(professeur en
CPGE).

Ce sujet porte sur les procédés de transmission d'un signal. Il est composé de
deux parties indépendantes.
· La première partie, très classique, traite du câble coaxial. Dans un premier
temps, on établit les équations électriques d'un câble coaxial parfait sans 
pertes.
Puis on étudie l'atténuation d'une onde qui se propage dans un câble avec
une résistance électrique. Cette partie s'appuie essentiellement sur des notions
d'électrocinétique et de propagation d'ondes.
· La seconde partie, tout aussi classique, s'intéresse à la fibre optique. On 
étudie les propriétés d'une fibre optique à saut d'indice puis celles d'une 
fibre à
gradient d'indice. Enfin, on caractérise différentes pertes lors de la 
propagation
d'une onde dans une fibre optique. Cette partie repose sur les cours d'optique
géométrique, de mécanique et d'électromagnétisme.
Ce problème bien construit est représentatif des épreuves posées au concours
CCP. Ses deux parties sont des incontournables qu'il faut avoir vus au moins 
une fois
pendant la prépa. Elles donnent en outre l'occasion de réviser une bonne partie 
des
programmes de première et de deuxième année.

Indications
2 Écrire les lois des noeuds et des mailles.
6 En x = d, la loi d'Ohm s'écrit u(d, t) = Z i(d, t).
7 La puissance transmise est optimale lorsque toute l'onde est absorbée en 
sortie
de la fibre.
17 Appliquer la loi de Descartes relative à la réfraction au niveau de 
l'interface
gaine/coeur puis air/coeur.
21 Les premiers rayons sortant de la fibre ont été émis les premiers et mettent 
un
temps T1 à traverser la fibre. Les derniers rayons à sortir ont été émis le 
plus tard
et mettent un temps T2 .
24 Le gradient est orienté vers les indices optiques les plus grands.
25 L'angle  est pris par rapport au dioptre. Faire un schéma au point M et faire
apparaître dx et dy, puis exprimer tan .
26 Les conditions aux limites sont
y(0) = 0

et

dy
(x = 0) = tan 0
dx

27 Dans une fibre à gradient d'indice, il n'y a plus de réflexion totale si y 
max > rc .
29 Les lois sont valables dans le cadre de l'approximation géométrique.
34 Chaque impureté diffuse une fraction P/S de la puissance incidente.
36 Utiliser l'expression de l'atténuation linéique A pour déterminer la valeur 
numérique de nv .
45 Écrire la continuité des champs électrique et magnétique totaux en x = 0. Il 
y a un
changement de phase lors de la transmission si le rapport E02 /E01 est complexe.
46 Le facteur de transmission en puissance est T = hR2 i / hR1 i.

47 Il y a un facteur de transmission en entrée et en sortie de la fibre.
48 Relier l'angle d'incidence limite au rayon de courbure r en travaillant dans 
un
triangle rectangle dont l'hypoténuse est r + rc + rg .

Procédés physiques de transmission d'un
signal
1 On doit brancher un fil ou une impédance au bout du câble coaxial pour
que le courant puisse retourner au générateur via la gaine.
2 La loi des noeuds s'écrit
i(x, t) = i(x + dx, t) + idC (x + dx, t)
u
(x + dx, t)
t
u
i(x, t) = i(x + dx, t) + dC
(x, t)
t
De même, la loi des mailles donne
i
u(x, t) = udL (x, t) + u(x + dx, t) = dL (x, t) + u(x + dx, t)
t
Développons ces deux équations à l'ordre le plus bas non nul en dx, avec dC =  
dx
et dL =  dx.
u
u
i
i
= -
et
= -
x
t
x
t
3 Dérivons la première équation par rapport à x et la deuxième par rapport à t
= i(x + dx, t) + dC

2i
2u
=
-
x2
tx
Avec

 2u
2u
=
,
xt
tx

et

2u
2i
= - 2
xt
t

2i
2u
=
-
x2
tx

2i
t2
De la même façon, on obtient une équation équivalente pour la tension
= 

2i
2i
=  2
2
x
t

et

 2u
2u
=  2
2
x
t

Ces deux équations sont bien des équations de d'Alembert. On définit la vitesse 
de
propagation v telle que v 2 = 1/(), c'est-à-dire
1
v= 

D'après l'expression de la tension aux bornes d'une bobine,

udL
V.T
[] =
=
dx idL /t
L.I
où V est la dimension d'une tension. De même, utilisons la relation de 
l'intensité qui
traverse un condensateur,

idC
I.T
[] =
=
dx udC /t
L.V
Par conséquent, [1/()] = L2 .T-2 .
L'expression de v est bien homogène à une vitesse.
4 À partir de l'expression de u,

2u
= - 2 u
t2

2u
= -k 2 u
x2

et

D'après la question précédente, l'équation de d'Alembert est
2u
1 2u
=
x2
v 2 t2
En notation complexe, u est solution de cette équation si
k=+
-

v

L'exponentielle d'argument t - kx (respectivement t + kx) correspond à un
terme qui se propage vers les x croissants (respectivement vers les x 
décroissants).
5 Prenons une des deux relations obtenues à la question 2,
i
u
= -
x
t
Utilisons par exemple le terme qui se propage vers les x croissants,
u+ (x, t) = u0 e j(t-kx)
Il vient

et

i+ (x, t) = i0 e j(t-kx)

-jk i0 = - j u0
u0
=
i0
k
=

1
=
v
r

=

Or,

 = Zc

avec k =

v

d'après la question 3
r

avec Zc =

La grandeur  est en Ohm.
On aurait trouvé la même expression avec le terme qui se propage vers les x
décroissants.
6 En x = d, la loi d'Ohm de l'impédance Z donne
u(d, t) = Z i(d, t)
Avec les expressions de u et i en x = d et après factorisation par e jt , on 
arrive à

 i0 e -jkd - i1 e jkd = Z i0 e -jkd + i1 e jkd

i1 Z +  e jkd = i0  - Z e -jkd

d'où
c'est-à-dire

i1 = i0

 - Z -2jkd
e
+Z

7 De la même façon,