Qu’est ce que la fibre optique ?

Nous sommes habitués à l’idée que l’information voyage de différentes façons. Lorsque nous parlons dans un téléphone fixe, un câble métallique transporte les sons de notre voix dans une prise murale, où un autre câble le conduit au central téléphonique local. Les téléphones cellulaires fonctionnent différemment : ils envoient et reçoivent de l’information en utilisant des ondes radio invisibles – une technologie appelée sans fil parce qu’elle n’utilise aucun câble. La fibre optique fonctionne d’une troisième façon. Il envoie de l’information codée dans un faisceau de lumière le long d’un tuyau en verre ou en plastique. Il a été développé à l’origine pour les endoscopes dans les années 1950 pour aider les médecins à voir à l’intérieur du corps humain sans avoir à l’ouvrir au préalable. Dans les années 1960, les ingénieurs ont trouvé un moyen d’utiliser la même technologie pour transmettre les appels téléphoniques à la vitesse de la lumière (normalement, c’est 300 000 km par seconde dans le vide, mais ralentit à environ deux tiers de cette vitesse dans un câble à fibre optique).

Technologie optique

Un câble à fibre optique est constitué de brins de verre ou de plastique incroyablement fins, appelés fibres optiques ; un câble peut avoir aussi peu que deux brins ou plusieurs centaines. Chaque brin a moins d’un dixième de l’épaisseur d’un cheveu humain et peut transporter environ 25 000 appels téléphoniques, de sorte qu’un câble complet en fibre optique peut facilement transporter plusieurs millions d’appels.

Les câbles à fibres optiques transportent l’information entre deux endroits en utilisant une technologie entièrement optique (basée sur la lumière). Supposons que vous vouliez envoyer de l’information de votre ordinateur à la maison d’un ami au bout de la rue en utilisant la fibre optique. Vous pourriez brancher votre ordinateur à un laser, qui convertirait l’information électrique de l’ordinateur en une série d’impulsions lumineuses. Ensuite, vous allumeriez le laser sur le câble à fibre optique. Après avoir descendu le câble, les faisceaux lumineux sortaient à l’autre extrémité. Votre ami aurait besoin d’une cellule photoélectrique (composant de détection de la lumière) pour transformer les impulsions de lumière en informations électriques que son ordinateur pourrait comprendre. L’ensemble de l’appareil serait donc comme une version très soignée et de haute technologie du genre de téléphone que l’on peut fabriquer avec deux boîtes de fèves au lard et une longueur de ficelle !

Comment fonctionne la fibre optique ?

Comment la réflexion interne totale maintient les rayons lumineux à l’intérieur d’un câble à fibre optique ?

La lumière se déplace le long d’un câble à fibres optiques en rebondissant de façon répétée sur les murs. Chaque minuscule photon (particule de lumière) rebondit le long du tuyau comme un bobsleigh qui descend une piste de glace. Maintenant, vous pouvez vous attendre à ce qu’un faisceau de lumière, se déplaçant dans un tube de verre transparent, s’échappe simplement par les bords. Mais si la lumière frappe le verre à un angle très faible (moins de 42 degrés), elle se réfléchit à nouveau – comme si le verre était vraiment un miroir. Ce phénomène est appelé réflexion interne totale. C’est une des choses qui maintient la lumière à l’intérieur du tuyau.

L’autre élément qui maintient la lumière dans le tuyau est la structure du câble, qui est composé de deux parties séparées. La partie principale du câble – au centre – s’appelle le noyau, et c’est le morceau que traverse la lumière. Une autre couche de verre, appelée bardage, entoure l’extérieur de l’âme. La fonction du revêtement est de maintenir les signaux lumineux à l’intérieur du noyau. Il peut le faire parce qu’il est fait d’un type de verre différent de l’âme. (Plus techniquement, l’indice de réfraction de la gaine est inférieur.)

Types de câbles à fibres optiques

Les fibres optiques transportent des signaux lumineux dans ce qu’on appelle des modes. Cela peut sembler technique, mais cela signifie simplement qu’il y a différentes façons de voyager : un mode est simplement le chemin qu’un faisceau lumineux suit le long de la fibre. L’un des modes consiste à descendre directement au milieu de la fibre. Un autre est de rebondir le long de la fibre à un angle peu profond. D’autres modes impliquent de rebondir le long de la fibre à d’autres angles, plus ou moins raides.

Le type le plus simple de fibre optique est appelé monomode. Il a un noyau très mince d’environ 5-10 microns (millionièmes de mètre) de diamètre. Dans une fibre monomode, tous les signaux se déplacent directement au centre sans rebondir sur les bords (ligne jaune sur le diagramme). Les signaux de télévision par câble, d’Internet et de téléphone sont généralement transportés par des fibres monomodes, enveloppées ensemble dans un énorme faisceau. Des câbles comme celui-ci peuvent envoyer des informations sur plus de 100 km.

Un autre type de câble à fibre optique est appelé multimode. Chaque fibre optique d’un câble multimode est environ 10 fois plus grande que celle d’un câble monomode. Cela signifie que les faisceaux lumineux peuvent traverser le noyau en suivant une variété de trajectoires différentes (lignes jaunes, orange, bleues et cyan) – en d’autres termes, en plusieurs modes différents. Les câbles multimodes ne peuvent envoyer des informations que sur des distances relativement courtes et sont utilisés (entre autres) pour relier les réseaux informatiques entre eux.

Des fibres encore plus épaisses sont utilisées dans un outil médical appelé gastroscope (un type d’endoscope), que les médecins enfoncent dans la gorge pour détecter les maladies à l’intérieur de l’estomac. Un gastroscope est un câble à fibres optiques épais composé de nombreuses fibres optiques. À l’extrémité supérieure d’un gastroscope, il y a un oculaire et une lampe. La lampe éclaire une partie du câble dans l’estomac du patient. Lorsque la lumière atteint l’estomac, elle se réfléchit sur les parois de l’estomac dans une lentille située au bas du câble. Ensuite, il remonte une autre partie du câble dans l’oculaire du médecin. D’autres types d’endoscopes fonctionnent de la même manière et peuvent être utilisés pour inspecter différentes parties du corps. Il existe également une version industrielle de l’outil, appelée fibroscope, qui peut être utilisée pour examiner des pièces de machines inaccessibles dans les moteurs d’avion.

Utilisations de la fibre optique

Tirer de la lumière le long d’un tuyau semble être un tour de passe-passe scientifique, et vous ne pensez peut-être pas qu’il y aurait beaucoup d’applications pratiques pour quelque chose comme ça. Mais tout comme l’électricité peut alimenter de nombreux types de machines, les faisceaux de lumière peuvent transporter de nombreux types d’informations – ils peuvent donc nous aider de nombreuses façons. Nous ne remarquons pas à quel point les câbles à fibre optique sont devenus monnaie courante parce que les signaux laser qu’ils transportent vacillent sous nos pieds, sous les planchers des bureaux et dans les rues des villes. Les technologies qui l’utilisent – les réseaux informatiques, la radiodiffusion, le balayage médical et l’équipement militaire (pour n’en nommer que quatre) – le font de façon assez invisible.

Réseaux informatiques

Les câbles à fibres optiques sont maintenant le principal moyen de transport de l’information sur de longues distances parce qu’ils présentent trois grands avantages par rapport aux câbles en cuivre de style ancien :

• • Moins d’atténuation : (perte de signal) L’information voyage environ 10 fois plus loin avant d’avoir besoin d’être amplifiée, ce qui rend les réseaux à fibre optique plus simples et moins coûteux à exploiter et à entretenir.
  • Pas d’interférence : Contrairement aux câbles en cuivre, il n’y a pas de « diaphonie » (interférence électromagnétique) entre les fibres optiques, ce qui leur permet de transmettre l’information de manière plus fiable avec une meilleure qualité de signal.
  • Bande passante plus élevée : Comme nous l’avons déjà vu, les câbles à fibre optique peuvent transporter beaucoup plus de données que les câbles en cuivre de même diamètre.

Vous lisez ces mots maintenant grâce à Internet. Vous avez probablement découvert cette page par hasard grâce à un moteur de recherche comme Google, qui exploite un réseau mondial de centres de données géants reliés par des câbles à fibre optique de grande capacité (et qui essaie maintenant de mettre en place des connexions rapides par fibre optique pour le reste d’entre nous). Après avoir cliqué sur un lien de moteur de recherche, vous avez téléchargé cette page Web à partir de mon serveur Web et mes mots ont sifflé la majeure partie du chemin vers vous en utilisant plus de câbles à fibre optique. En effet, si vous utilisez la fibre optique rapide à large bande, les câbles à fibre optique font presque tout le travail chaque fois que vous allez en ligne. Avec la plupart des connexions haut débit à large bande, seule la dernière partie du trajet de l’information (ce qu’on appelle le » dernier kilomètre » entre l’armoire reliée à la fibre optique de votre rue et votre maison ou appartement) fait appel à des fils électriques démodés. Ce sont les câbles à fibres optiques, et non plus les fils de cuivre, qui transportent désormais les « goûts » et les « tweets » sous nos rues, à travers un nombre croissant de zones rurales, et même profondément sous les océans qui relient les continents. Si vous imaginez l’Internet (et le World Wide Web qui le parcourt) comme une toile d’araignée mondiale, les fils qui le maintiennent ensemble sont des câbles à fibres optiques ; selon certaines estimations, les câbles à fibres optiques couvrent plus de 99 % du kilométrage total de l’Internet et assurent plus de 99 % du trafic international des communications.

Plus les gens accèdent rapidement à Internet, plus ils peuvent le faire – et le feront – en ligne. L’arrivée de l’Internet à large bande a rendu possible le phénomène de l’informatique dans les nuages (où les gens stockent et traitent leurs données à distance, en utilisant des services en ligne plutôt qu’un ordinateur personnel ou professionnel dans leurs propres locaux). De la même façon, le déploiement constant de la fibre optique à large bande (généralement 5 à 10 fois plus rapide que la large bande DSL classique, qui utilise des lignes téléphoniques ordinaires) fera en sorte qu’il sera beaucoup plus courant pour les gens de faire des choses comme regarder des films en continu en ligne au lieu de regarder la télévision ou louer des DVD. Avec une plus grande capacité de fibre optique et des connexions plus rapides, nous suivrons et contrôlerons beaucoup plus d’aspects de notre vie en ligne en utilisant ce qu’on appelle l’Internet des objets.

Mais il n’y a pas que les données publiques de l’Internet qui sont diffusées en continu sur les lignes à fibre optique. Autrefois, les ordinateurs étaient connectés sur de longues distances par des lignes téléphoniques ou (sur de plus courtes distances) par des câbles Ethernet en cuivre, mais les câbles en fibre optique sont de plus en plus la méthode préférée de mise en réseau des ordinateurs car ils sont très abordables, sûrs, fiables et ont une capacité bien supérieure. Au lieu de relier ses bureaux sur l’Internet public, il est tout à fait possible pour une entreprise de mettre en place son propre réseau de fibre optique (si elle peut se le permettre) ou (plus probablement) d’acheter de l’espace sur un réseau de fibre privé. De nombreux réseaux informatiques privés fonctionnent sur ce qu’on appelle la fibre noire, ce qui semble un peu sinistre, mais c’est simplement la capacité inutilisée sur un autre réseau (les fibres optiques attendant d’être allumées).

Radiodiffusion

Au début du XXe siècle, la radiodiffusion et la télédiffusion sont nées d’une idée relativement simple : il était techniquement très facile de diffuser des ondes électromagnétiques dans l’air à partir d’un seul émetteur (à la station de radiodiffusion) jusqu’à des milliers d’antennes dans les maisons des gens. De nos jours, alors que la radio rayonne encore dans les airs, il est tout aussi probable que la télévision passe par des câbles à fibres optiques.

Les câblodistributeurs ont été les pionniers de la transition à partir des années 1950, en utilisant à l’origine des câbles coaxiaux (câbles de cuivre entourés d’une gaine de blindage métallique pour éviter les interférences dues à la diaphonie), qui ne transmettaient qu’une poignée de signaux de télévision analogique. Alors que de plus en plus de gens se connectaient au câble et que les réseaux commençaient à offrir un plus grand choix de chaînes et de programmes, les câblo-opérateurs ont constaté qu’ils devaient passer des câbles coaxiaux aux fibres optiques et de la radiodiffusion analogique au numérique. Heureusement, les scientifiques se demandaient déjà comment cela pourrait être possible ; dès 1966, Charles Kao (et son collègue George Hockham) avaient fait le calcul, prouvant comment un seul câble à fibre optique pouvait transporter suffisamment de données pour plusieurs centaines de chaînes de télévision (ou plusieurs centaines de milliers d’appels téléphoniques). Ce n’était qu’une question de temps avant que le monde de la télévision par câble ne s’en rende compte – et la » réalisation révolutionnaire » de Kao a été dûment reconnue lorsqu’il a reçu le prix Nobel de physique 2009.

En plus d’offrir une capacité beaucoup plus élevée, les fibres optiques souffrent moins des interférences et offrent donc une meilleure qualité de signal (image et son) ; elles ont besoin de moins d’amplification pour amplifier les signaux et se déplacer sur de longues distances ; et elles sont tout à fait plus rentables. À l’avenir, la fibre à large bande pourrait bien être la façon dont la plupart d’entre nous regardons la télévision, peut-être grâce à des systèmes comme la télévision sur protocole Internet (IPTV), qui utilise la méthode standard de transmission de données sur Internet ( » commutation par paquets « ) pour diffuser des programmes de télévision et des films sur demande. Bien que la ligne téléphonique en cuivre demeure la principale voie d’accès à l’information dans les foyers de nombreuses personnes, à l’avenir, notre principale connexion au monde sera un câble à fibre optique à grande largeur de bande qui transportera toute sorte d’information.

Médecine

Les gadgets médicaux qui pourraient aider les médecins à regarder à l’intérieur de notre corps sans les ouvrir ont été la première application correcte de la fibre optique il y a plus d’un demi-siècle. Aujourd’hui, les gastroscopes (comme on les appelle) sont tout aussi importants que jamais, mais la fibre optique continue d’engendrer de nouvelles formes importantes d’imagerie médicale et de diagnostic.

L’un des derniers développements s’appelle un laboratoire sur fibre optique et consiste à insérer dans le corps d’un patient des câbles en fibre optique fins comme des cheveux, munis de capteurs intégrés. Ces types de fibres sont semblables en échelle à celles des câbles de communication et plus minces que les guides de lumière relativement épais utilisés dans les gastroscopes. Comment fonctionnent-ils ? La lumière zappe à travers eux d’une lampe ou d’un laser, à travers la partie du corps que le médecin veut étudier. Lorsque la lumière siffle à travers la fibre, le corps du patient modifie ses propriétés d’une manière particulière (modifiant très légèrement l’intensité ou la longueur d’onde de la lumière, peut-être). En mesurant la façon dont la lumière change (à l’aide de techniques comme l’interférométrie), un instrument fixé à l’autre extrémité de la fibre peut mesurer certains aspects critiques du fonctionnement du corps du patient, comme la température, la tension artérielle, le pH cellulaire ou la présence de médicaments dans son sang. En d’autres termes, plutôt que d’utiliser simplement la lumière pour voir à l’intérieur du corps du patient, ce type de câble à fibres optiques utilise plutôt la lumière pour la détecter ou la mesurer.

Militaire

Il est facile d’imaginer les internautes reliés entre eux par des réseaux géants de câbles à fibres optiques ; il est beaucoup moins évident que les forces militaires de haute technologie du monde sont reliées de la même façon. Les câbles à fibres optiques sont peu coûteux, fins, légers, légers, de grande capacité, résistants aux attaques et extrêmement sûrs. Ils offrent donc des moyens parfaits pour relier les bases militaires et autres installations, telles que les sites de lancement de missiles et les stations de poursuite radar. Comme ils ne transportent pas de signaux électriques, ils n’émettent pas de rayonnement électromagnétique qu’un ennemi peut détecter, et ils sont robustes contre les interférences électromagnétiques (y compris les attaques systématiques de « brouillage » de l’ennemi). Un autre avantage est le poids relativement léger des câbles en fibre optique par rapport aux câbles traditionnels faits de cuivre métal lourd et coûteux. Les chars, les avions militaires et les hélicoptères sont tous passés lentement des câbles métalliques aux câbles à fibre optique. Il s’agit en partie de réduire les coûts et de gagner du poids (les câbles en fibre optique pèsent près de 90 % de moins que les câbles comparables en cuivre « à paire torsadée »). Mais il améliore aussi la fiabilité ; par exemple, contrairement aux câbles traditionnels d’un avion, qui doivent être soigneusement blindés (isolés) pour les protéger contre la foudre, les fibres optiques sont totalement immunisées contre ce type de problème.