La fibre optique

Pour faire un tuyau dans lequel on peut faire passer de la lumière.

Nous avons vu que la lumière avait une certaine tendance à se propager en ligne droite. Pour transporter de l'information d'un point quelconque vers un autre point quelconque, ce n'est pas très pratique; un tuyau, c'est mieux, ça peut prendre des virages.

Dans un premier temps, faisons simple. Une lumière incohérente et pas forcément monochromatique, dans une fibre construite sans trop de précautions.

Le principe de base, c'est le coup du dioptre. la fibre de verre va être gainée d'un autre matériau tel que le dioptre ainsi formé soit avantageux pour nos besoins, à savoir:

• Un angle critique le plus grand possible (tel que nous l'avons défini dans la page précédente), ceci afin de supprimer autant que possible tout rayon diffracté.
• Des absorptions d'énergie les plus minimes possibles lors de la réflexion sur le dioptre.

Je vous entends me dire : « Oui, et dans les virages ? » Parce que c'est bien le but, prendre des virages. Dans les virages, c'est l'angle d'incidence qui va être malmené. Il faut s'arranger pour ne pas passer l'angle critique. Naturellement, tel que c'est dessiné ici, il y aura forcément des rayons qui arriveront dans le virage avec un angle trop grand et il y aura donc un rayon diffracté, perdu pour tout le monde.

Personne n'a jamais dit que les fibres optiques transmettaient la lumière sans pertes ! Et ce n'est d'ailleurs pas la seule source de pertes.

Il serait possible de faire des calculs pour définir, en fonction du rayon de courbure, du diamètre de la fibre et de l'indice de réfraction, les pertes d'énergie lumineuse… Nous n'allons pas le faire, mais en regardant le schéma ci dessus, on comprend bien que plus de diamètre du cœur de la fibre sera petit, plus on minimisera les risques d'un angle d'incidence trop grand. D'un autre côté, ce sera plus délicat de faire passer dans cette fibre une quantité de lumière donnée. C'est le même problème que dans un tuyau de plombier, à débit constant (m³/s), plus le diamètre sera petit, plus il faudra augmenter la pression.

Ce n'est pas la peine de faire des calculs compliqués pour voir sur l'illustration que les divers rayons qui vont pénétrer dans la fibre vont suivre des chemins différents, plus ou moins longs suivant le nombre de réflexions subies. Comme ils vont tous à la même vitesse (du moins pour une longueur d'onde donnée), ils ne vont pas tous arriver à l'autre bout en même temps.

De plus, nous pouvons assister à des phénomènes d'interférences.

La nature du verre ¹⁾ et celle du dioptre font qu'il y a des pertes dans la fibre. Pertes dues à la turbidité du verre et pertes dues aux réflexions. Il ne faudra pas s'attendre à ce que la longueur utile d'une fibre optique soit infinie.

Le verre et ses équivalents sont des milieux dispersifs. La vitesse de propagation va varier en fonction de la longueur d'onde. Si l'on introduit une lumière qui n'est pas monochromatique, on va récupérer en sortie plusieurs lumières « différentes » et ça ne va pas aider à reconstituer le signal.

Tous ces inconvénients vont imposer des limites d'utilisation:

• Une « bande passante » maximale. Si l'on envoie des impulsions lumineuses, elles seront récupérées avec une certaine distorsion et si cette distorsion devient trop grande, on ne pourra plus reconstituer l'information. Nous comprendrons mieux cet effet sur les illustrations qui suivent.
• Une longueur maximale. Il est assez compréhensible que, plus la fibre va être longue, plus ces perturbations vont être observées. Pour une performance attendue, il y aura une longueur maximale définie, en fonction des technologies utilisées.

Il va falloir construire des fibres capable de limiter le plus possible ces problèmes.

Dans cette famille, nous trouvons deux sous catégories:

C'est la plus « ordinaire ». Le cœur a un relatif gros diamètre, par rapport à la longueur d'onde de la lumière (de l'ordre du µm dans l'infrarouge). Tous les inconvénients vus plus haut se manifestent ici. Observez l'allure de l'impulsion de sortie, comparée à celle de l'impulsion d'entrée. Ce sont bien entendu des informations non quantitatives.

Ici, deux améliorations sont apportées:

1. Le diamètre du cœur est de deux à quatre fois plus petit.
2. Le cœur est constitué de couches successives, à indice de réfraction de plus en plus grand. Ainsi, un rayon lumineux qui ne suit pas l'axe central de la fibre est ramené « en douceur » dans le droit chemin.

Comme vous pouvez l'observer, les résultats sont déjà de meilleure qualité.

C'est le « top ». Le diamètre du cœur est très petit, les angles d'incidence le sont donc aussi. Les résultats sont excellents, mais, compte tenu de la faible section de cette fibre, seul la lumière laser est ici exploitable. Il n'y a pas de miracle, c'est la solution la meilleure, mais aussi la plus onéreuse.

Illustrations extraites du site: www.httr.ups-tlse.fr/pedagogie/cours/fibre/fotheori.htm. Site que je vous invite par ailleurs à visiter si vous souhaitez en savoir plus sur ce domaine. (Et sur d'autres domaines aussi).

Non. Par rapport au câble en cuivre, elle aurait même tendance à couter moins cher, surtout avec l'envolée du prix des métaux. En revanche, la connectique et les convertisseurs d'énergie électrique/lumineuse et réciproquement à placer aux extrémités coutent cher, très cher même, suivant les technologies mises en œuvre.

Oui. Cependant, on ne l'utilise souvent que dans un seul sens, pour simplifier les convertisseurs placés aux extrémités. Si l'on souhaite exploiter une fibre optique dans les deux sens, il faudra:
- Utiliser des longueurs d'onde différentes pour chaque sens.
- Utiliser des extrémités capables de capter de la lumière pour la convertir en électricité ET émettre de la lumière en fonction d'un signal électrique. C'est réalisable, mais ça a un cout.

Oui, il y a même deux méthodes pour le faire:
- Si l'on utilise plusieurs longueurs d'ondes lumineuses. Là aussi, il y a une incidence sur la complexité des équipements aux extrémités. C'est du multiplexage spatial, à rapprocher du « large bande » sur le cuivre ou la HF.
- On peut également faire du multiplexage temporel.

Ces techniques seront vues plus loin dans ce chapitre.

- La fibre optique est totalement insensible aux rayonnements électromagnétiques dans lesquels nous baignons.
- L'atténuation du signal est inférieure à celle d'un conducteur électrique et les distances couvertes sans nécessité d'installer des amplificateurs sont bien plus grandes.
- La bande passante est généralement bien supérieure à celle que l'on peut obtenir avec un câble électrique.

Pas particulièrement. C'est la connectique qui peut l'être. Le seul problème, c'est le rayon de courbure minimum qui la rend assez peu souple d'emploi pour les installations « volantes ».

D'une grosse centaine de Méga bits par seconde, comparable à ce que l'on sait faire avec du cuivre, au record actuel (à l'heure où ces lignes sont écrites) détenu par Alcatel:10,2 Tbit/s (10 200 Gbit/s), sur une distance de 100 kilomètres. Un autre record: 3 Tbit/s (3 000 Gbit/s), sur une distance record de 7 300 kilomètres

Je vous le demande. Notez que l'on commence à en parler sérieusement, au moins dans les zones à forte concentration urbaine.