La fibre optique : la lumière prisonnière du verre
Un fil de verre très fin transporte aujourd'hui une grande partie des communications du monde, jusque sous les océans. Le principe tient à un phénomène connu depuis le XIXe siècle : la réflexion totale.
Au début des années 1840, à Paris, Daniel Colladon et Jacques Babinet montrent qu'un rayon de lumière peut être guidé par un milieu transparent courbé, comme un jet d'eau : au lieu de s'échapper, il en épouse la courbure. Plus d'un siècle plus tard, ce phénomène allait devenir l'épine dorsale d'internet. Des fils de verre très fins relient les continents, les villes et souvent les foyers, et la lumière y transporte chaque seconde des quantités d'information vertigineuses.
La réflexion totale
Quand la lumière passe d'un milieu transparent à un autre, par exemple du verre à l'air, elle est déviée. Si elle va d'un milieu plus « réfringent », où elle se propage plus lentement, vers un milieu moins réfringent, et qu'elle arrive de façon assez rasante, elle ne traverse plus du tout la surface : elle est entièrement renvoyée. C'est la réflexion totale, celle qui donne leur éclat aux diamants taillés.
Une fibre optique exploite ce phénomène. Elle comporte un cœur de verre de silice très pur, entouré d'une gaine d'un verre légèrement différent, où la lumière se propage un peu plus vite. Un rayon lancé dans le cœur presque parallèlement à l'axe frappe la gaine sous un angle rasant et se réfléchit totalement, encore et encore, quelle que soit la longueur du fil. Dans les fibres dites monomodes, qui dominent les liaisons à grande distance, le cœur ne mesure que 8 à 10 micromètres de diamètre.
Charles Kao et le verre très pur
Dans les années 1960, le verre des fibres absorbait tant de lumière qu'on ne pouvait guère s'en servir que sur de courtes distances. En 1966, Charles Kao et George Hockham, ingénieurs dans un laboratoire de télécommunications à Harlow, au Royaume-Uni, publient une analyse décisive : ces pertes ne sont pas une fatalité, elles viennent des impuretés. Avec une silice assez pure, la fibre deviendrait un excellent canal de communication, à condition que l'atténuation descende sous 20 décibels par kilomètre, c'est-à-dire qu'il reste au moins 1 % de la lumière après un kilomètre.
En 1970, une équipe de l'entreprise américaine Corning franchit ce seuil avec une fibre à 17 décibels par kilomètre. Aujourd'hui, les meilleures fibres perdent environ 0,2 décibel par kilomètre à la longueur d'onde de 1,55 micromètre, dans l'infrarouge : après cent kilomètres, il reste encore environ 1 % de la lumière injectée. En 2009, Charles Kao a reçu la moitié du prix Nobel de physique pour ses travaux sur la transmission de la lumière dans les fibres.
Sous les océans, des faisceaux de lumière
En 1988, TAT-8 devient le premier câble téléphonique transatlantique à fibres optiques. À peu près à la même époque, en 1986 et 1987, les équipes de David Payne et d'Emmanuel Desurvire mettent au point l'amplificateur à fibre dopée à l'erbium, qui renforce la lumière directement, sans la convertir en signal électrique. Les câbles sous-marins peuvent dès lors traverser les océans avec de simples amplificateurs régulièrement espacés.
Les débits ont ensuite explosé grâce au multiplexage en longueur d'onde : on envoie dans la même fibre des dizaines de « couleurs » de lumière infrarouge, chacune portant son propre flux de données, jusqu'à 160 canaux dans les systèmes commerciaux. En laboratoire, les records se comptent désormais en centaines de térabits par seconde : en 2024, l'institut japonais NICT a annoncé 402 térabits par seconde sur 50 kilomètres de fibre. Toutes ces couleurs sont produites par des lasers, sans lesquels la fibre ne serait qu'un tuyau vide.
Et sur Terre ?
La fibre ne transporte pas seulement des données. Comme la lumière qui la parcourt est sensible aux déformations et à la température, elle peut servir de capteur, posé le long d'un pont, d'un pipeline ou d'un puits. Elle peut aussi transporter de l'énergie : un faisceau laser envoyé dans une fibre puis converti en électricité par une petite cellule photovoltaïque alimente des capteurs placés en milieu explosif ou sous haute tension, sans fil électrique ni risque d'étincelle. C'est l'une des retombées visées par une marche d'Anthropolaris consacrée aux convertisseurs de lumière laser (voir la marche B-LGT-14).
Les astronomes en sont de grands utilisateurs. Au Very Large Telescope, au Chili, le robot OzPoz de l'instrument FLAMES pose jusqu'à 560 fibres par plaque, chacune sur une étoile différente, pour en conduire la lumière jusqu'au spectrographe.
La prochaine frontière est déjà en vue : des fibres à plusieurs cœurs, comme celles qui ont servi à un record de 319 térabits par seconde sur 3 000 kilomètres en 2021, et des liaisons optiques sans fibre du tout, à travers l'air ou le vide, là où aucun câble ne peut aller (voir la marche H-LNK-06).