Fibre optique

Une fibre optique est un fil en verre ou en plastique très fin qui a la propriété d'être un conducteur de la lumière et sert dans la transmission de données et de lumière. Elle offre un débit d'information nettement supérieur à celui des câbles coaxiaux et peut servir de support à un réseau « large bande » par lequel transitent aussi bien la télévision, le téléphone, la visioconférence ou les données informatiques. Le principe de la fibre optique a été développé au cours des années 1970 dans les laboratoires de l'entreprise américaine Corning Glass Works .

Entourée d'une gaine protectrice, la fibre optique peut être utilisée pour conduire de la lumière entre deux lieux distants de plusieurs centaines, voire milliers, de kilomètres. Le signal lumineux codé par une variation d'intensité est capable de transmettre une grande quantité d'information. En permettant les communications à très longue distance et à des débits jusqu'alors impossibles, les fibres optiques ont constitué l'un des éléments clef de la révolution des télécommunications optiques. Ses propriétés sont également exploitées dans le domaine des capteurs (température, pression, etc.), dans l'imagerie et dans l'éclairage.

Un nouveau type de fibres optiques, fibres à cristaux photoniques, a également été mis au point ces dernières années, permettant des gains significatifs de performances dans le domaine du traitement optique de l'information par des techniques non linéaires, dans l'amplification optique ou bien encore dans la génération de supercontinuums utilisables par exemple dans le diagnostic médical. Dans les réseaux informatiques du type Ethernet, pour la relier à d'autres équipements, on peut utiliser un émetteur-récepteur.

• Principe de fonctionnement: 

  =>>fonctionnement:

La fibre optique est un guide d'onde qui exploite les propriétés réfractrices de la lumière. Elle est habituellement constituée d'un cœur entouré d'une gaine. Le cœur de la fibre a un indice de réfraction légèrement plus élevé  que la gaine et peut donc confiner la lumière qui se trouve entièrement réfléchie de multiples fois à l'interface entre les deux matériaux . L’ensemble est généralement recouvert d’une gaine plastique de protection.

Lorsqu'un rayon lumineux entre dans une fibre optique à l'une de ses extrémités avec un angle adéquat, il subit de multiples réflexions totales internes. Ce rayon se propage alors jusqu'à l'autre extrémité de la fibre optique sans perte, en empruntant un parcours en zigzag. La propagation de la lumière dans la fibre peut se faire avec très peu de pertes même lorsque la fibre est courbée.

Une fibre optique est souvent décrite selon deux paramètres :

• la différence d'indice normalisé, qui donne une mesure du saut d'indice entre le cœur et la gaine :    , où    est l'indice de réfraction du cœur, et  celui de la gaine.
• l'ouverture numérique de la fibre ((en) numerical aperture), qui est concrètement le sinus de l'angle d'entrée maximal de la lumière dans la fibre pour que la lumière puisse être guidée sans perte, mesuré par rapport à l'axe de la fibre. L'ouverture numérique est égale à   .

Il existe essentiellement deux types de fibres optiques qui exploitent le principe de la réflexion totale interne: la fibre à saut d'indice et la fibre à gradient d'indice. Dans la fibre à saut d'indice, l'indice de réfraction chute brutalement d'une valeur dans le cœur à une valeur moindre dans la gaine. Dans la fibre à gradient d'indice, ce changement d'indice est beaucoup plus progressif. Un troisième type de fibre optique utilise le principe de la bande interdite des cristaux photoniques pour assurer le guidage de la lumière, plutôt que la réflexion totale interne. De telles fibres sont appelées des fibres à cristaux photoniques, ou fibres micro-structurées. Ces fibres présentent habituellement un contraste d'indice beaucoup plus élevé entre les différents matériaux (en général la silice et l'air). Dans ces conditions, les propriétés physiques du guidage diffèrent sensiblement des fibres à saut d'indice et à gradient d'indice.

Dans le domaine des télécommunications optiques, le matériau privilégié est la silice très pure car elle présente des pertes optiques très faibles. Quand l'atténuation n'est pas le principal critère de sélection, on peut également mettre en œuvre des fibres en matière plastique. Un câble de fibres optiques contient en général plusieurs paires de fibres, chaque fibre conduisant un signal dans chaque sens. Lorsqu'une fibre optique n'est pas encore alimentée, on parle de fibre optique noire.

=>>système de transmission :

Tout système de transmission d’information possède un émetteur et un récepteur. Pour un lien optique, deux fibres sont nécessaires. L’une gère l’émission, l’autre la réception. Il est aussi possible de gérer émission et réception sur un seul brin mais cette technologie est plus rarement utilisée car l’équipement de transmission est plus onéreux.

Le transpondeur optique a pour fonction de convertir des impulsions électriques en signaux optiques véhiculés au cœur de la fibre. À l’intérieur des deux transpondeurs partenaires, les signaux électriques sont traduits en impulsions optiques par une LED et lus par un phototransistor ou une photodiode.

Les émetteurs utilisés sont de trois types :

• les diodes électroluminescentes LED , qui fonctionnent dans le proche infrarouge,
• les lasers, utilisés pour la fibre monomode, dont la longueur d’onde est 1 310 ou 1 550 nm,
• les diodes à infrarouge qui émettent dans l’infrarouge à 1 300 nm.

Les récepteurs sont les photodiodes PIN  et les photodiodes à avalanche. Pour tous les types de détecteurs optiques, le principe de fonctionnement est le même : l’effet photoélectrique. Entre les deux transpondeurs, l’information est portée par un support physique (la fibre) appelé le canal de transmission. Au cours de son parcours, le signal est atténué et déformé : des répéteurs et des amplificateurs placés à intervalles réguliers permettent de conserver l’authenticité du message. 

En général, la modulation du signal optique est une modulation d’intensité lumineuse obtenue par la modulation du signal électrique dans la diode ou le laser.

L’atténuation et la déformation du signal sont des conséquences directes de la longueur du canal de transmission. Afin de conserver le signal optique de la source, les systèmes de transmission optique utilisent trois types d’amplificateurs :

• regeneration (amplification seule).
• regeneration-reshaping (amplification et remise en forme).
• regeneration-reshaping-retiming (amplification, remise en forme et synchronisation).

Il existe des répéteurs à amplification optique ou des répéteurs-régénérateurs électroniques. Les liaisons actuelles utilisent principalement des amplificateurs optiques à fibres dopées erbium et sont entièrement optiques sur des distances pouvant aller jusqu’à 10 000 km.

Comme dans tous les systèmes de transmission, on cherche à transmettre dans la même fibre optique un maximum de communications d’origines différentes. Afin de ne pas brouiller les messages, on les achemine sur des longueurs d’onde différentes : c’est le multiplexage en longueur d’onde ou WDM (wavelength division multiplexing). Il existe plusieurs techniques de multiplexage chacune adaptée au type de transmission sur fibre optique  : Dense WDM (beaucoup de signaux à des fréquences très rapprochées), Ultra WDM (encore plus), Coarse WDM (moins de canaux mais moins coûteux)…

• Fabrication :

   =>> fibre optique en silice: 

La première étape est la réalisation d’une  préforme  : barreau de silice très pure, d’un diamètre de plusieurs centimètres. Il existe un grand nombre de processus pour concevoir une préforme, des internes comme la méthode PCVD (plasma chemical vapor deposition), ou externes comme la méthode VAD (vapor axial deposition). Le paragraphe suivant décrit la méthode MCVD (modified chemical vapor deposition, dépôt chimique en phase vapeur modifié) qui est la plus utilisée.

Un tube substrat est placé en rotation horizontale dans un tour verrier. Des gaz sont injectés à l’intérieur et vont se déposer à l’intérieur sous l’effet de la chaleur produite par un chalumeau. Ces gaz vont modifier les propriétés du verre (par exemple l’aluminium permet d’augmenter l’indice). Les couches déposées sont ensuite vitrifiées au passage du chalumeau. Ensuite le tube est chauffée à haute température, et va se refermer sur lui-même pour former la préforme.

L’opération de manchonnage permet par la suite de rajouter une couche de silice autour de la préforme pour obtenir le ratio cœur/gaine voulu pour la future fibre.

La société ALCATEL a développé une technologie propriétaire APVD (Advanced Plasma and Vapour Deposition) pour remplacer l’opération de manchonnage qui est très coûteuse. Le procédé APVD (communément appelé recharge plasma) consiste à faire fondre des grains de quartz naturel très pur sur la préforme primaire à l’aide d’un chalumeau plasma inductif. L’association du procédé MCVD et de la recharge plasma pour la fabrication de fibres optiques monomodes a fait l’objet d’une publication en 1994 par la société ALCATEL. Le procédé concerné consiste essentiellement à nourrir le plasma en grains de silice naturels ou synthétiques avec un composé additionnel fluoré ou chloré mélangé à un gaz porteur . Ce procédé de purification constitue la seule alternative connue rentable aux techniques de dépôt externe.

Lors de la seconde étape, la préforme est placée en haut d’une tour de fibrage d’une quinzaine de mètres de hauteur. L’extrémité de la préforme est alors dans un four porté à une température voisine de 2 000 °C. Elle est alors transformée en une fibre de plusieurs centaines de kilomètres, à une vitesse de l’ordre du kilomètre par minute. La fibre est ensuite revêtue d’une double couche de résine protectrice  avant d’être enroulée sur une bobine. Cette couche est particulièrement importante pour éviter toute humidité, car la fibre devient cassante sous l’effet de l’eau : l’hydrogène interagit avec la silice, et toute faiblesse ou micro-entaille est amplifiée.

=>>vitesse de transmission:

Le record actuel, en laboratoire, de vitesse de transmission a été établi par NEC et Corning en septembre 2012. Il est de 1 pétabit par seconde sur une distance de 52,4 km.

• Applications:

=>>utilisation pur la télécommunication :

La fibre optique, grâce aux performances qu'elle offre, est de plus en plus utilisée dans les réseaux de télécommunications. Avec l'essor d'Internet et des échanges numériques, son utilisation se généralise petit à petit jusqu'à venir chez le particulier. Les opérateurs et les entreprises ont été les premiers acquéreurs de fibres optiques. Elle est particulièrement appréciée par les militaires pour son insensibilité aux IEM (Interférences électromagnétiques) mais aussi pour sa légèreté.

Il faut distinguer les fibres multimodes et monomodes. Les fibres multimodes sont réservées aux réseaux informatiques à courtes distances  alors que les fibres monomodes sont installées pour des réseaux à très longues distances. Elles sont notamment utilisées dans les câbles sous-marins intercontinentaux. En arrivant dans les habitations via les réseaux FTTH, la fibre optique apporte une révolution dans les télécommunications aux particuliers, notamment en termes de débits et de services.

Une fibre optique est un guide d'onde dans lequel une onde lumineuse est modulée en intensité afin de transmettre des informations. Pour les courtes distances, et une optique à bas-coût, une simple DEL peut jouer le rôle de source émettrice tandis que sur des réseaux hauts débits et à longue distance, c'est un laser qui est de préférence utilisé.

=>>utilisation dans les réseaux informatiques :

Historiquement, les réseaux informatiques locaux ou LAN, qui permettaient de relier des postes informatiques qui jusque là ne pouvaient pas communiquer entre eux, furent construits avec des câbles réseaux à base de fils de cuivre. Le gros inconvénient de ces câbles est qu'ils sont très sensibles aux perturbations électromagnétiques en tout genre . Dans des milieux à forte concentration d'ondes, il devenait donc difficile d'utiliser ce type de câbles même en les protégeant par un blindage. Mais surtout, inconvénient majeur : le signal électrique qu'ils transportent s'atténue très rapidement. Si l'on veut relier deux équipements distants ne serait-ce que de quelques centaines de mètres , cela devient compliqué car le signal n'est presque plus perceptible une fois arrivé à l'autre bout du câble.

Sauf cas particuliers liés notamment à des contraintes électromagnétiques spécifiques, les réseaux locaux (quelques dizaines de mètres) sont généralement réalisés sur du cuivre. Lorsque la distance entre deux machines augmente, il devient intéressant d'utiliser une fibre optique. Une fibre optique peut notamment relier deux bâtiments, ou constituer un maillon d'un réseau informatique local, régional, continental, ou intercontinental.

La fibre optique fut très vite introduite dans les réseaux informatiques pour pallier les points faibles des câbles de cuivre. En effet, la lumière qui y circule n'est pas sensible aux perturbations électromagnétiques et elle s'atténue beaucoup moins vite que le signal électrique transporté sur du cuivre. On peut ainsi facilement relier des équipements distants de plusieurs centaines de mètres, voire plusieurs kilomètres. Elle reste efficace dans des environnements perturbés et ce, à des débits au moins dix fois supérieurs aux simples câbles réseaux, mais pour un prix généralement supérieur.

   =>>types:

Dans les réseaux informatiques,  les fibres vont souvent par deux : l'interface d'une machine utilise une fibre pour envoyer des données et l'autre fibre pour en recevoir. Toutefois il est possible de réaliser une liaison bidirectionnelle sur une seule fibre optique.

Plusieurs types de fibres optiques sont aujourd'hui utilisés dans les réseaux informatiques :

• Monomode ou multimode.
• Avec des tailles de cœur et de gaine variables. La plus commune : la 50/125, fibre multimode, a un cœur de 50 µm de diamètre pour une gaine de 125 µm.
• Avec des types de connecteurs différents : ST (section ronde à visser), SC (section carrée clipsable), LC (petite section carrée clipsable), ou MTRJ (petite section carrée clipsable).

   =>>textile lumineux :

Tissées avec d'autres fils textiles , des fibres optiques peuvent permettre de créer un tissu textile lumineux. Le processus de création d'un tel tissu lumineux est le suivant : les fibres optiques sont tissées  avec d'autres fils textiles  ; elles sont ensuite connectées à une source lumineuse de type LED à l'une de leurs extrémités ; après quoi, un traitement physique (sablage), chimique (solvant) ou optique (laser) est appliqué à la surface du tissu pour dégrader la surface des fibres. Ceci permet au rayon lumineux se propageant dans la fibre optique de pouvoir être diffusé à sa surface. Afin de fournir un éclairage homogène tout au long de la surface du tissu lumineux, la surface de la fibre doit être moins dégradée dans les zones proches de la source lumineuse, pour fournir moins de points de sortie à la lumière, et plus dégradée dans les zones éloignées de la source lumineuse.

En connectant le tissu lumineux à des LED de différentes couleurs, un éclairage de couleur différente peut être obtenu. La couleur des fils textiles tissés avec les fibres optiques est également un paramètre permettant de faire varier la couleur du tissu.

En délimitant des pixels indépendamment connectés à des sources lumineuses LED des trois couleurs rouge, verte et bleue (RGB), un écran flexible textile lumineux peut être obtenu .

• Perspectives:

La fibre optique est amenée à devenir l’outil principal d’accès à internet et au numérique en France. La volonté de l’État est forte et les avantages de cette technologie sur le haut débit actuel sont indéniables. Par contre, le raccordement aux particuliers tel qu’il est envisagé aura un coût non négligeable, qui sera partagé entre l’État, les collectivités territoriales, les opérateurs privés et les particuliers.

Ainsi se façonne le paysage numérique français à l’horizon 2020. La fibre optique est clairement privilégiée par rapport aux autres technologies comme le réseau satellitaire ou le réseau mobile (3G ou 4G), qui ne sont pas écartés pour autant mais plutôt envisagés comme solution de transition en attendant une hypothétique couverture totale du territoire par la fibre optique. Avec le développement des offres numériques multi-services (téléphone, télévision, internet) et la capacité de la fibre optique à gérer simultanément ces services sans perte de qualité, le choix de cette technologie s’impose, comme c’est déjà le cas au Japon ou en Corée du Sud dont les territoires sont presque totalement couverts par la fibre. Mi-2008, il y avait déjà plus d’abonnés à la fibre optique (treize millions) qu’au haut débit, tandis que le territoire était déjà couvert à 90 %. Néanmoins, les conditions au Japon sont différentes de la France : le tissu urbain y est bien plus dense, ce qui entraîne des coûts de raccordement « DFA » bien moindres. De plus le pays a lancé cette politique d’investissement quelques années avant la France ou la Belgique.

En France, l'avenir des réseaux semble se diriger vers une extinction du cuivre dans les réseaux telecom , même si en 2013 le réseau cuivre représente une large part du revenu des opérateurs. Les enjeux économiques sont donc importants, mais les aspects techniques, juridiques et sociaux le sont tout autant. La fibre n'est pas encore suffisamment présente pour supplanter le cuivre. À l'heure actuelle, de nombreux services n'ont pas d'équivalence fibre : alarmes d'ascenseur, systèmes de télé-relèves, modems industriels... C'est pourquoi le gouvernement a chargé l'Autorité de la statistique publique, en juin 2013, d'une mission de réflexion sur l’extinction de la boucle locale cuivre, afin d'établir un réseau fixe à très haut débit, basé sur la fibre.