Sciences · Physique
La fibre optique
Une fibre optique est un fil de verre ou de plastique, plus fin qu’un cheveu, qui guide la lumière sur de longues distances grâce à la réflexion totale. Elle transporte l’essentiel des données d’Internet.
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Chaque vidéo regardée, chaque message envoyé à l’autre bout du monde voyage à un moment ou à un autre sous forme d’impulsions lumineuses dans des fibres de verre. Câbles sous-marins, réseaux des opérateurs, raccordements à domicile : la fibre optique est l’infrastructure physique d’Internet. Son principe repose sur un phénomène d’optique simple, la réflexion totale.
Le principe : la réflexion totale
Lorsque la lumière passe d’un milieu d’indice élevé vers un milieu d’indice plus faible, elle est déviée en s’écartant de la normale (voir réfraction de la lumière). Au-delà d’un certain angle d’incidence, l'angle critique, elle ne sort plus du tout : elle est entièrement réfléchie.
Dans une fibre, le cœur a un indice d’environ 1,46 à 1,47 et la gaine un indice inférieur d’environ 1 %. Tout rayon qui frappe la paroi avec un angle suffisamment rasant rebondit indéfiniment d’une paroi à l’autre et suit le fil, même s’il est courbé. L’expérience historique de la « fontaine lumineuse », réalisée au XIXe siècle par Daniel Colladon à Genève, montrait déjà la lumière guidée dans un jet d’eau.
La structure d’une fibre
| Élément | Rôle | Dimension typique |
|---|---|---|
| Cœur | guide la lumière | 8 à 9 µm (monomode), 50 ou 62,5 µm (multimode) |
| Gaine optique | indice plus faible, confine la lumière | diamètre extérieur 125 µm |
| Revêtement protecteur | protège des chocs et de l’humidité | environ 250 µm |
| Gaine du câble | regroupe et protège de nombreuses fibres | variable |
Un cheveu humain mesure en moyenne 50 à 100 µm : le cœur d’une fibre monomode est environ dix fois plus fin.
Monomode et multimode
| Fibre multimode | Fibre monomode | |
|---|---|---|
| Diamètre du cœur | 50 ou 62,5 µm | environ 9 µm |
| Trajets de la lumière | nombreux (plusieurs « modes ») | un seul |
| Source | diode électroluminescente ou laser | laser |
| Distance utile | jusqu’à quelques centaines de mètres à haut débit | dizaines à milliers de kilomètres |
| Usage | réseaux locaux, centres de données | réseaux longue distance, câbles sous-marins, fibre à domicile |
Dans une fibre multimode, les rayons qui suivent des trajets différents arrivent à des instants légèrement différents : les impulsions s’étalent (dispersion modale), ce qui limite le débit sur de longues distances. La fibre monomode, en ne laissant passer qu’un seul mode, supprime ce problème.
Pourquoi la lumière plutôt que l’électricité ?
- Débit : la fréquence de la lumière infrarouge utilisée, environ 200 térahertz, permet de transmettre bien plus d’informations par seconde que les signaux électriques dans le cuivre. En multiplexant des dizaines de longueurs d’onde dans la même fibre, on atteint plusieurs dizaines de térabits par seconde par fibre sur les liaisons les plus performantes.
- Faibles pertes : environ 0,2 dB/km à 1 550 nm pour les meilleures fibres, soit une perte de moitié de la puissance tous les 15 km environ (voir décibel). Un câble de cuivre perd beaucoup plus, surtout aux hautes fréquences.
- Insensibilité aux perturbations électromagnétiques : orages, moteurs, lignes électriques ne la gênent pas.
- Légèreté et faible encombrement.
- Sécurité : la fibre ne produit pas d’étincelle et elle est difficile à espionner sans être détectée.
Les longueurs d’onde utilisées, autour de 1 310 nm et 1 550 nm, sont dans l'infrarouge, invisibles à l’œil : ce sont les « fenêtres » où la silice absorbe le moins (voir spectre électromagnétique).
Une histoire récente
| Date | Étape |
|---|---|
| 1842 | Daniel Colladon montre la lumière guidée dans un jet d’eau |
| années 1950 | premiers faisceaux de fibres pour l’imagerie médicale (fibroscopes) |
| 1966 | Charles Kao et George Hockham montrent qu’une fibre de verre très purifiée pourrait transmettre des signaux sur de longues distances |
| 1970 | la société Corning fabrique une fibre perdant moins de 20 dB/km |
| 1988 | premier câble transatlantique à fibres optiques, TAT-8 |
| 2009 | Charles Kao reçoit le prix Nobel de physique |
Aux débuts, le verre perdait l’essentiel de la lumière en quelques mètres. Les progrès de purification ont réduit les pertes d’un facteur considérable : la silice des fibres modernes est d’une transparence sans comparaison avec une vitre.
Les amplificateurs optiques
Même faibles, les pertes s’accumulent. Sur les câbles sous-marins, des amplificateurs placés environ tous les 50 à 100 km régénèrent le signal sans le convertir en électricité : un tronçon de fibre dopée à l’erbium, pompé par un laser, amplifie directement la lumière. Ces câbles relient tous les continents ; plus de 95 % du trafic intercontinental de données y transite.
Les autres usages
- Médecine : endoscopes et fibroscopes pour observer l’intérieur du corps, transport de lasers chirurgicaux.
- Capteurs : mesure de température, de déformation ou de vibrations le long de ponts, de pipelines, de puits.
- Éclairage et décoration : lampes et sapins en fibres de plastique.
- Aéronautique et automobile : réseaux embarqués légers et insensibles aux perturbations.
Questions fréquentes
Comment la lumière reste-t-elle dans la fibre ?
Par réflexion totale : le cœur de la fibre a un indice de réfraction un peu plus élevé que la gaine, et la lumière qui frappe la paroi sous un angle rasant est entièrement réfléchie vers l’intérieur.
La fibre optique transporte-t-elle de l’électricité ?
Non. Elle transporte de la lumière. Le signal électrique est converti en impulsions lumineuses par un laser à l’émission, puis reconverti en signal électrique par une photodiode à la réception.
Pourquoi la fibre est-elle plus rapide que l’ADSL ?
L’ADSL transmet des signaux électriques sur des paires de cuivre conçues pour le téléphone, qui atténuent fortement les hautes fréquences. La fibre transmet la lumière avec de faibles pertes et une bande passante incomparablement plus large.
La lumière va-t-elle à 300 000 km/s dans une fibre ?
Non. Dans le verre, d’indice environ 1,47, elle se propage à environ 204 000 km/s, soit à peu près deux tiers de sa vitesse dans le vide (voir vitesse de la lumière).