Un expert en optique explique comment de minces fils de verre qui transmettent la lumière rendent possibles les télécommunications modernes.
De minces fils de verre regroupés en câbles et tendus à travers les continents et les océans rendent possible une grande partie de ce que nous considérons aujourd’hui comme acquis, comme Internet, les appels Zoom, les services bancaires électroniques et les médias en streaming. Les câbles à fibres optiques, qui sont des faisceaux de fibres optiques capables de transmettre des informations à la vitesse de la lumière sur de grandes distances, sont une technologie souvent invisible qui est essentielle au fonctionnement du monde moderne.
Govind Agrawal, professeur d’optique Dr James C. Wyant à l’université de Rochester, a consacré sa carrière dans l’industrie et le monde universitaire à la recherche et au développement de la technologie de la fibre optique. Ses manuels sur les systèmes de communication par fibre optique et l’optique non linéaire sont des ouvrages de référence utilisés dans les universités du monde entier, contribuant à former des générations de scientifiques et d’ingénieurs en télécommunications. Il explique comment fonctionnent les câbles à fibre optique, comment ils sont fabriqués et ce que l’avenir réserve à cette technologie.
Comment fonctionne la fibre optique ?
Les données transitent par les fibres optiques sous forme d’impulsions lumineuses extrêmement courtes.
« Si vous regardez un film sur Netflix, par exemple, celui-ci vous est transmis simplement par des clignotements lumineux », indique M. Agrawal.
Chaque élément du film est converti en une série d’impulsions électriques codées, numérisées, puis converties en ce que nous appelons des bits, c’est-à-dire des zéros et des uns. Un dispositif appelé modulateur transfère le signal électrique à un laser qui s’allume et s’éteint à chaque impulsion, transmettant les informations à travers la fibre optique comme un code Morse.
« Une fois que la lumière laser pénètre dans la fibre, elle ne la quitte plus », ajoute M. Agrawal. « Peu importe à quel point vous tordez et tournez le câble, votre signal sortira intact à l’autre extrémité. »
Contrairement aux fils de cuivre utilisés dans l’électronique traditionnelle, les câbles à fibre optique transmettent les informations à la vitesse de la lumière, offrant la bande passante et les débits nécessaires pour transmettre des contenus riches tels que les films 4K. Une fois que les impulsions lumineuses atteignent l’autre extrémité de la fibre, le processus s’inverse et le signal est reconverti en impulsions électriques.
Comment sont fabriqués les câbles à fibre optique ?
Le processus de fabrication des câbles à fibre optique commence par la fabrication de fibres optiques individuelles à partir de tubes de verre spécialement composés, d’environ un mètre de long et de moins d’un centimètre d’épaisseur. Les tubes sont rigides comme la plupart des formes de verre, mais acquièrent la flexibilité nécessaire lorsqu’ils sont étirés à environ un centième de pouce.
« Vous placez ce tube de verre dans un four situé dans un bâtiment de trois étages, vous le laissez fondre, et lorsque la gravité le tire vers le bas, la fibre devient de plus en plus fine », explique M. Agrawal. « Au final, à un certain moment, elle est suffisamment fine pour être enroulée autour d’un tambour. »
Les câbles à fibres optiques sont fabriqués à partir d’une fibre individuelle ou d’un faisceau de fibres auxquels on ajoute un revêtement et des couches protectrices. Les câbles à fibres optiques tels que ceux qui traversent les océans peuvent comporter 10 à 20 fibres optiques individuelles dans leur cœur afin d’offrir davantage de voies pour l’envoi et la réception de données.
Comment les câbles à fibres optiques sont-ils tendus à travers les continents ?
Pour chaque connexion par câble à fibres optiques reliant les continents, d’énormes bobines de câbles à fibres optiques sont chargées sur deux navires de fret. Les navires partent de rives opposées et posent les câbles sur le fond océanique jusqu’à ce qu’ils se rejoignent au milieu de l’océan et établissent la connexion finale.
« Cela nécessite des mois de préparation et des sommes colossales », précise M. Agrawal. « Ces câbles coûtent des milliards de dollars une fois terminés, ils appartiennent donc principalement à de grandes entreprises telles que Google, Meta, Microsoft et Amazon. »
Le premier câble à fibre optique transcontinental a été posé à travers l’océan Atlantique en 1988, explique M. Agrawal, et aujourd’hui, près de 600 systèmes de câbles sont actifs ou en cours de construction sous les océans. Il précise que ces câbles à fibre optique submergés ont une durée de vie prévue d’au moins 25 ans chacun, même si des réparations coûteuses sont parfois nécessaires.
À quoi ressemble l’avenir de la fibre optique ?
« L’avenir s’annonce très prometteur », commente M. Agrawal. « Étant donné que nous disposons de toutes les infrastructures basées sur la fibre optique, celle-ci restera probablement notre principal outil de communication, d’envoi et de transmission de données pendant les 30 à 40 prochaines années. Il nous suffit de continuer à améliorer la capacité, soit en envoyant plus de signaux, plus de données par seconde, soit en installant davantage de fibres partout. »
Il souligne le potentiel des récentes avancées techniques telles que le multiplexage par répartition spatiale, qui crée davantage de canaux au sein d’une même fibre pour transmettre des données.
M. Agrawal précise que les chercheurs de l’Institut d’optique de Rochester continuent d’être à la pointe non seulement des avancées en matière de fibre optique, mais aussi dans des domaines tels que l’optique non linéaire et la nanophotonique, qui pourraient également être utilisés pour les télécommunications. Un exemple en est une équipe de recherche qui utilise des lignes de télécommunication à fibre optique pour développer un réseau quantique expérimental reliant l’université de Rochester à l’Institut de technologie de Rochester.
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