Une fibre optique est un fil dont l’ame, tres fine et faite de verre ou de plastique , a la propriete de conduire la lumiere et sert pour la fibroscopie , l'eclairage ou la transmission de donnees numeriques. Elle offre un debit d' information nettement superieur a celui des cables coaxiaux et peut servir de support a un reseau ≪ large bande ≫ par lequel transitent aussi bien la television , le telephone , la visioconference ou les donnees informatiques . Le principe de la fibre optique date du debut du XX ^e  siecle mais ce n'est qu'en 1970 qu'est developpee une fibre utilisable pour les telecommunications, dans les laboratoires de l'entreprise americaine Corning Glass Works (actuelle Corning Incorporated).

Entouree d'une gaine protectrice, la fibre optique peut etre utilisee pour conduire de la lumiere entre deux lieux distants de plusieurs centaines, voire milliers, de kilometres. Le signal lumineux code par une variation d'intensite est capable de transmettre une grande quantite d'information. En permettant les communications a tres longue distance et a des debits jusqu'alors impossibles, les fibres optiques ont constitue l'un des elements cles de la revolution des telecommunications . Ses proprietes sont egalement exploitees dans le domaine des capteurs ( temperature , pression ,  etc. ), dans l' imagerie et dans l' eclairage .

Histoire [ modifier | modifier le code ]

Precurseurs [ modifier | modifier le code ]

A l'epoque des Grecs anciens , le phenomene du transport de la lumiere dans des cylindres de verre etait deja connu. Il etait, semble-t-il ^{[ref. necessaire]} , mis a profit par les artisans du verre pour creer des pieces decoratives . Plus tard, les techniques de fabrication utilisees par les artisans venitiens de la Renaissance pour fabriquer les millefiori ressembleraient beaucoup aux techniques actuelles de fabrication de la fibre optique. L'utilisation du verre en conjonction avec la lumiere n'est donc pas recente.

La premiere demonstration scientifique du principe de la reflexion totale interne fut faite par les physiciens suisse et francais Jean-Daniel Colladon a Geneve et Jacques Babinet a Paris au debut des annees 1840 ^{[ 1 ]} . L' irlandais John Tyndall repeta l'experience devant la Societe Royale Britannique en 1854 . A l'epoque, l'idee de courber la trajectoire de la lumiere, de quelque facon que ce soit, etait revolutionnaire puisque les scientifiques consideraient que la lumiere voyageait uniquement en ligne droite . Leur demonstration consistait a guider la lumiere dans un jet d'eau deverse d'un trou a la base d'un reservoir. En injectant de la lumiere dans ce jet, celle-ci suivait bien la courbure du jet d'eau, demontrant ainsi qu'elle pouvait etre deviee de sa trajectoire rectiligne. Ils etablirent ainsi le principe de base de la transmission par fibre optique. Par la suite, de nombreuses inventions utilisant le principe de la reflexion totale interne virent le jour ; comme les fontaines lumineuses ou la fibroscopie utilisant des dispositifs transportant la lumiere dans des cavites du corps humain.

On doit la premiere tentative de communication optique a Alexander Graham Bell , l'un des inventeurs du telephone . En effet, il mit au point, au cours des annees 1880 , le photophone . Cet appareil permettait de transmettre la lumiere sur une distance de deux cents metres. La voix , amplifiee par un microphone , faisait vibrer un miroir qui reflechissait la lumiere du soleil. Quelque deux cents metres plus loin, un second miroir captait cette lumiere pour activer un cristal de selenium et reproduire le son voulu. Le recepteur de cet appareil etait presque identique a celui du premier telephone. Bien qu'operationnelle en terrain decouvert, cette methode s'avera peu utilisee. La pluie , la neige et les obstacles qui empechaient la transmission du signal condamnerent cette invention, bien qu'il considerat lui-meme que le photophone etait sa plus grande invention, puisqu'elle permettait une communication sans fil.

Premieres realisations [ modifier | modifier le code ]

La possibilite de transporter de la lumiere le long de fines fibres de verre fut exploitee au cours de la premiere moitie du XX ^e  siecle . En 1927 , Baird et Hansell tenterent de mettre au point un dispositif d'images de television a l'aide de fibres. Hansell put faire breveter son invention , mais elle ne fut jamais vraiment utilisee. Quelques annees plus tard, en 1930 , Heinrich Lamm reussit a transmettre l'image d'un filament de lampe electrique grace a un assemblage rudimentaire de fibres de quartz . Cependant, il etait encore difficile a cette epoque de concevoir que ces fibres de verre puissent trouver une application.

La premiere application fructueuse de la fibre optique eut lieu au debut des annees 1950 , lorsque le fibroscope flexible fut invente par Abraham van Heel et Harold Hopkins . Cet appareil permettait la transmission d'une image le long de fibres en verre. Il fut particulierement utilise en endoscopie , pour observer l'interieur du corps humain , et pour inspecter des soudures dans des reacteurs d' avion . Malheureusement, la transmission ne pouvait pas etre faite sur une grande distance etant donne la pietre qualite des fibres utilisees. En 1957 , le fibroscope ( endoscope flexible medical) est invente par Basil Hirschowitz aux Etats-Unis .

Les telecommunications par fibre optique resterent impossibles jusqu'a l'invention du laser en 1960 . Le laser offrit en effet la possibilite de transmettre un signal sur une grande distance avec une perte et une dispersion spectrale tres faibles. Dans sa publication de 1964 , Charles Kao , des Standard Telecommunications Laboratories , decrivit un systeme de communication a longue distance et a faible perte en mettant a profit l'utilisation conjointe du laser et de la fibre optique. Peu apres, soit en 1966 , il demontra experimentalement, avec la collaboration de Georges Hockman , qu'il etait possible de transporter de l'information sur une grande distance sous forme de lumiere grace a la fibre optique. Cette experience est souvent consideree comme la premiere transmission de donnees par fibre optique. Cependant, les pertes dans cette fibre optique etaient telles que le signal disparaissait au bout de quelques centimetres, non par perte de lumiere, mais parce que les differents chemins de reflexion du signal contre les parois finissaient par en faire perdre la phase . Cela la rendait encore peu avantageuse par rapport au fil de cuivre traditionnel. Les pertes de phase entrainees par l'usage d'une fibre de verre homogene constituaient le principal obstacle a l'utilisation courante de la fibre optique.

En France, la premiere these de doctorat sur le sujet fut soutenue en janvier 1969 par Luigi d'Auria a l'universite de Toulouse.

En 1970 , trois scientifiques de la compagnie Corning Glass Works de New York , Robert Maurer, Peter Schultz et Donald Keck, produisirent la premiere fibre optique avec des pertes de phase suffisamment faibles pour etre utilisee dans les reseaux de telecommunications (20 decibels par kilometre). Leur fibre optique etait en mesure de transporter 65 000 fois plus d'information qu'un simple cable de cuivre, ce qui correspondait au rapport des longueurs d'onde utilisees.

Le premier systeme de communication telephonique optique fut installe au centre-ville de Chicago en 1977 . En France, la DGT a installe en 1980 ^{[ 2 ]} la premiere liaison optique a Paris entre les centraux telephoniques des Tuileries et Philippe-Auguste. On estime que depuis 2005 plus de 80 % des communications a longue distance sont transportees le long de plus de 25 millions de kilometres de cables a fibres optiques partout dans le monde ^{[ 3 ]} . La fibre optique s'est, dans une premiere phase ( 1984 a 2000 ), limitee a l'interconnexion des centraux telephoniques, eux seuls necessitant de forts debits. Cependant, avec la baisse des couts entrainee par sa fabrication en masse et les besoins croissants des particuliers en tres haut debit, on envisage depuis 1994 ^{[ 4 ]} et 2005 son arrivee chez les particuliers ^{[ 5 ]}  : DFA pour desserte par fibre de l’abonne ^{[ 6 ]} , FTTH ( (en) Fiber To The Home ), FTTB ( (en) Fiber To The Building ), FTTC ( (en) Fiber To The Curb ),  etc.

Fonctionnement [ modifier | modifier le code ]

Principe [ modifier | modifier le code ]

La fibre optique est un guide d'ondes qui exploite les proprietes refractrices de la lumiere. Elle est habituellement constituee d'un cœur entoure d'une gaine. Le cœur de la fibre a un indice de refraction legerement plus eleve (difference de quelques milliemes) que la gaine et peut donc confiner la lumiere qui se trouve entierement reflechie de multiples fois a l'interface entre les deux materiaux (en raison du phenomene de reflexion totale interne ). L’ensemble est generalement recouvert d’une gaine plastique de protection.

Lorsqu'un rayon lumineux entre dans une fibre optique a l'une de ses extremites avec un angle adequat, il subit de multiples reflexions totales internes. Ce rayon se propage alors jusqu'a l'autre extremite de la fibre optique sans perte, en empruntant un parcours en zigzag. La propagation de la lumiere dans la fibre peut se faire avec tres peu de pertes meme lorsque la fibre est courbee.

Une fibre optique est souvent decrite selon deux parametres :

• la difference d' indice normalise , qui donne une mesure du saut d'indice entre le cœur et la gaine : ${\displaystyle \Delta ={\frac {n_{c}-n_{g}}{n_{c}}}}$, ou ${\displaystyle n_{c}}$ est l'indice de refraction du cœur, et ${\displaystyle n_{g}}$ celui de la gaine ;
• l' ouverture numerique de la fibre ( (en) numerical aperture ), qui est concretement le sinus de l'angle d'entree maximal de la lumiere dans la fibre pour que la lumiere puisse etre guidee sans perte, mesure par rapport a l'axe de la fibre. L'ouverture numerique est egale a ${\displaystyle \sin \theta _{\text{max}}={\sqrt {n_{c}^{2}-n_{g}^{2}}}}$.

Saut ou gradient d'indice [ modifier | modifier le code ]

Il existe essentiellement deux types de fibres optiques qui exploitent le principe de la reflexion totale interne: la fibre a saut d'indice et la fibre a gradient d'indice. Dans la fibre a saut d'indice, l'indice de refraction chute brutalement d'une valeur dans le cœur a une valeur moindre dans la gaine. Dans la fibre a gradient d'indice, ce changement d'indice est beaucoup plus progressif. Un troisieme type de fibre optique utilise le principe de la bande interdite des cristaux photoniques pour assurer le guidage de la lumiere, plutot que la reflexion totale interne. De telles fibres sont appelees des fibres a cristaux photoniques , ou fibres microstructurees. Ces fibres presentent habituellement un contraste d'indice beaucoup plus eleve entre les differents materiaux (en general la silice et l'air). Dans ces conditions, les proprietes physiques du guidage different sensiblement des fibres a saut d'indice et a gradient d'indice.

Dans le domaine des telecommunications optiques, le materiau privilegie est la silice tres pure car elle presente des pertes optiques tres faibles. Quand l' attenuation n'est pas le principal critere de selection, on peut egalement mettre en œuvre des fibres en matiere plastique. Un cable de fibres optiques contient en general plusieurs fibres, chaque fibre conduisant un signal soit dans un seul sens (mode simplex ), soit dans les deux sens (mode duplex ) ^{[ 7 ]}  ; dans ce dernier cas, deux longueurs d'onde (ou plus) sont utilisees (au moins une par sens) ^{[ 8 ]} . Lorsqu'une fibre optique n'est pas encore alimentee, on parle de fibre optique noire .

Fibres monomodes et multimodes [ modifier | modifier le code ]

Les fibres optiques peuvent etre classees en deux categories selon le diametre de leur cœur et la longueur d'onde utilisee : les fibres monomodes et multimodes ^{[ 9 ]} .

Fibres multimodes [ modifier | modifier le code ]

Les fibres multimodes (dites MMF, pour Multi Mode Fiber), ont ete les premieres sur le marche. Elles ont pour caracteristique de transporter plusieurs modes (trajets lumineux). Du fait de la dispersion intermodale , on constate un etalement temporel du signal proportionnel a la longueur de la fibre. En consequence, elles sont utilisees uniquement pour des bas debits ou de courtes distances. La dispersion modale peut cependant etre minimisee (a une longueur d'onde donnee) en realisant un gradient d'indice dans le cœur de la fibre. Elles sont caracterisees par un diametre de cœur de plusieurs dizaines a plusieurs centaines de micrometres (les cœurs en multimodes sont de 50 ou 62,5  μm pour le bas debit). Cependant les fibres les plus recentes, de type OM3, permettent d'atteindre le Gbit/s sur des distances de l'ordre du km. Les longues distances ne peuvent etre couvertes que par des fibres optiques monomodes.

Fibres monomodes [ modifier | modifier le code ]

Pour de plus longues distances et/ou de plus hauts debits, on prefere utiliser des fibres monomodes (dites SMF, pour Single Mode Fiber ), qui sont technologiquement plus avancees car plus fines. Leur cœur tres fin n'admet ainsi qu'un mode de propagation, le plus direct possible c'est-a-dire dans l'axe de la fibre. Les pertes sont donc minimes (moins de reflexion sur l'interface cœur/gaine) que cela soit pour de tres haut debits et de tres longues distances. Les fibres monomodes sont de ce fait adaptees pour les lignes intercontinentales (cables sous-marins). Une fibre monomode n'a pas de dispersion intermodale . En revanche, il existe un autre type de dispersion : la dispersion intramodale. Son origine est la largeur finie du train d'onde d'emission qui implique que l'onde n'est pas strictement monochromatique : toutes les longueurs d'onde ne se propagent pas a la meme vitesse dans le guide ce qui induit un elargissement de l'impulsion dans la fibre optique. On l'appelle aussi dispersion chromatique (cf. plus haut ≪  Dispersion chromatique  ≫). Ces fibres monomodes sont caracterisees par un diametre de cœur de seulement quelques micrometres (le cœur monomode est de 9  μm pour le haut debit).

Longueur d'onde de coupure et frequence normalisee [ modifier | modifier le code ]

La longueur d'onde de coupure est la longueur d'onde ${\displaystyle \lambda _{c}}$ en dessous de laquelle la fibre n'est plus monomode. Ce parametre est relie a la frequence normalisee, notee V, qui depend de la longueur d'onde dans le vide ${\displaystyle \lambda _{0}}$, du rayon de cœur ${\displaystyle a}$ de la fibre et des indices du cœur ${\displaystyle n_{c}}$ et de la gaine ${\displaystyle n_{g}}$ (voir image Principe d'une fibre optique a saut d'indice pour les notations). La frequence normalisee est exprimee par :

${\displaystyle V=(2\pi a{\sqrt {n_{c}^{2}-n_{g}^{2}}})/\lambda _{0}}$

Une fibre est monomode pour une frequence normalisee V inferieure ou egale a 2,405. Des abaques fournissent la constante de propagation normalisee, notee B, en fonction de la frequence normalisee pour les premiers modes.

La frequence normalisee donne une indication directe sur le nombre de modes qu'une fibre peut contenir. A mesure que V augmente, le nombre de modes supportes par la fibre va augmenter. On peut montrer a partir des valeurs asymptotiques des fonctions de Bessel pour un grand argument que le nombre total de modes supportes par une fibre a saut d’indice, M, sera donne approximativement (pour V >>> 1) par : ${\displaystyle M=4V^{2}/\pi ^{2}}$.

Fabrication [ modifier | modifier le code ]

Fibre optique de silice [ modifier | modifier le code ]

La premiere etape est la realisation d'une ≪ preforme ≫ : barreau de silice tres pure, d'un diametre de plusieurs centimetres. Il existe un grand nombre de procedes pour concevoir une preforme, des internes comme la methode PCVD ( plasma chemical vapor deposition ), ou externes comme la methode VAD ( vapor axial deposition ) ^{[ 10 ]} .

La methode MCVD ( Modified Chemical Vapor Deposition , ou depot chimique en phase vapeur modifie) est la plus utilisee : un tube substrat est place en rotation horizontale dans un tour verrier. Des gaz sont injectes a l'interieur et vont se deposer a l'interieur sous l'effet de la chaleur produite par un chalumeau. Ces gaz vont modifier les proprietes du verre (par exemple l'aluminium permet d'augmenter l' indice de refraction . Les couches deposees sont ensuite vitrifiees au passage du chalumeau. Ensuite le tube est chauffe a haute temperature, et va se refermer sur lui-meme pour former la preforme ^{[ 10 ]} .

L'operation de manchonnage permet par la suite de rajouter une couche de silice autour de la preforme pour obtenir le ratio cœur/gaine voulu pour la future fibre.

La societe Alcatel a developpe une technologie proprietaire APVD ( Advanced Plasma and Vapour Deposition ) pour remplacer l'operation de manchonnage qui est tres couteuse. Le procede APVD (communement appele recharge plasma) consiste a faire fondre des grains de quartz naturel tres pur sur la preforme primaire a l'aide d'un chalumeau plasma inductif. L'association du procede MCVD et de la recharge plasma pour la fabrication de fibres optiques monomodes a fait l'objet d'une publication en 1994 par la societe Alcatel. Le procede concerne consiste essentiellement a nourrir le plasma en grains de silice naturels ou synthetiques avec un compose additionnel fluore ou chlore melange a un gaz porteur (brevet FR2760449 de 1998 ^{[ 11 ]} ). Ce procede de purification constitue la seule alternative connue rentable aux techniques de depot externe ^{[ 12 ]} .

Lors de la seconde etape, la preforme est placee en haut d'une tour de fibrage d'une quinzaine de metres de hauteur. L'extremite de la preforme est alors dans un four porte a une temperature voisine de 2 000  °C . Elle est alors transformee en une fibre de plusieurs centaines de kilometres, a une vitesse de l'ordre du kilometre par minute. La fibre est ensuite revetue d'une double couche de resine protectrice (cette couche peut etre deposee par la tour de fibrage, juste apres l'etirement) avant d'etre enroulee sur une bobine. Cette couche est particulierement importante pour eviter toute humidite, car la fibre devient cassante sous l'effet de l'eau : l'hydrogene interagit avec la silice, et toute faiblesse ou microentaille est amplifiee.

En France, seules deux usines sont capables de produire des fibres optiques ^{[ 13 ]}  :

• l'usine d' Acome , a Mortain dans la Manche  ;
• l'usine de Prysmian a Douvrin , dans le Pas-de-Calais .

Caracteristiques [ modifier | modifier le code ]

Les principaux parametres qui caracterisent les fibres optiques utilisees pour les transmissions sont les suivants :

Attenuation [ modifier | modifier le code ]

Annee	Pertes (dB/km)	Longueur d'onde (nm)	Entreprise
1970	20		Corning Glass Work
1974	2 - 3	1 060	ATT , Bell Labs
1976	0,47	1 200	NTT , Fujikura
1979	0,20	1 550	NTT
1986	0,154	1 550	Sumitomo
2002	0,1484	1 570	Sumitomo

L’ attenuation caracterise l’affaiblissement du signal au cours de la propagation. Soient ${\displaystyle P_{0}}$ et ${\displaystyle P_{L}}$ les puissances a l’entree et a la sortie d’une fibre de longueur L. L’attenuation lineaire se traduit alors par une decroissance exponentielle de la puissance en fonction de la longueur de fibre ( Loi de Beer-Lambert ) : ${\displaystyle P_{L}=P_{0}e^{-\alpha L}}$ ou ${\displaystyle \alpha }$ est le coefficient d’attenuation lineaire.

On utilise souvent le coefficient ${\displaystyle \alpha _{dB}}$ exprime en dB/km et relie a ${\displaystyle \alpha }$ par ${\displaystyle \alpha _{dB}=4,343\alpha }$.

Le principal atout des fibres optiques est une attenuation extremement faible. L’attenuation va varier suivant la longueur d’onde . La diffusion Rayleigh limite ainsi les performances dans le domaine des courtes longueurs d’onde (domaine du visible et du proche ultraviolet ). Un pic d'absorption, du a la presence de radicaux -OH dans la silice, pourra egalement etre observe autour de 1 385  nm ^{[ 10 ]} . Les progres les plus recents dans les techniques de fabrication permettent de reduire ce pic.

Les fibres en silice connaissent un minimum d'attenuation vers 1 550  nm . Cette longueur d’onde du proche infrarouge sera donc privilegiee pour les communications optiques. De nos jours, la maitrise des procedes de fabrication permet d’atteindre couramment une attenuation aussi faible que 0,2  dB/km a 1 550  nm  : apres 100  km de propagation, il restera donc encore 1 % de la puissance initialement injectee dans la fibre, ce qui peut etre suffisant pour une detection. Si l’on desire transmettre l’information sur des milliers de kilometres, il faudra avoir recours a une reamplification periodique du signal, le plus generalement par l’intermediaire d’ amplificateurs optiques qui allient simplicite et fiabilite.

Le signal subira des pertes supplementaires a chaque connexion entre fibres, que ce soit par des traverses ou bien par soudure, cette derniere technique, la plus performante, reduit tres fortement ces pertes.

Dispersion chromatique [ modifier | modifier le code ]

La dispersion chromatique est exprimee en ps nm ^?1  km ^?1 et caracterise l'etalement du signal lie a sa largeur spectrale (deux longueurs d'onde differentes ne se propagent pas exactement a la meme vitesse). Cette dispersion depend de la longueur d'onde consideree et resulte de la somme de deux effets : la dispersion propre au materiau, et la dispersion du guide, liee a la forme du profil d'indice. Il est donc possible de la minimiser en adaptant le profil. Pour une fibre en silice, le minimum de dispersion se situe vers 1 300?1 310  nm .

Debit de transmission [ modifier | modifier le code ]

Le record actuel de debit de transmission a ete etabli par KDDI en laboratoire en 2017. Il est de 10,16 petabit par seconde ^{[ 14 ]} sur une distance de 11,3  km . Le precedent record est detenu par NEC et Corning en laboratoire en septembre 2012. Il est de 1  petabit par seconde ^{[ 15 ]} (1 000 terabits par seconde, soit un million de gigabits par seconde ou, plus communement, 125 000 gigaoctets par seconde) sur une distance de 52,4  km .

Vitesse de transmission [ modifier | modifier le code ]

La notion de vitesse du signal dans une fibre est distincte de celle de debit (vitesse de transmission des donnees), confusion largement repandue dans la presse. La vitesse du signal dans la fibre est globalement la meme pour la fibre optique et le cable en cuivre; elle se situe a environ 70 a 75 % de la vitesse de la lumiere dans le vide ^{[ 16 ] , [ 17 ]} . Certaines fibres experimentales creuses, atteignent des vitesses proches de 99 % de la vitesse de la lumiere ^{[ 18 ]} . Sur les transmissions a grande distance, la vitesse de transmission est ralentie par la presence de nombreux repeteurs necessaires pour remettre en forme le signal, meme si les nouvelles technologies entierement optiques limitent ce ralentissement. Pour demonstration, la latence theorique d'une liaison informatique Noumea-Paris est de 90  ms . On la mesure en pratique a 280  ms (en utilisant par exemple un mesureur de latence) apres un trajet sur plus de 20 000  km de fibre optique sous-marine, ou le signal est regulierement re-amplifie et remis en forme. L'eloignement des serveurs joue donc de facon defavorable sur la latence.

Non-linearite [ modifier | modifier le code ]

Un canal de transmission est dit non lineaire lorsque sa fonction de transfert depend du signal d’entree. L' effet Kerr , la diffusion Raman et l' effet Brillouin ^{[ 19 ]} sont les principales sources de non linearite dans les fibres optiques. Parmi les consequences de ces effets non lineaires, on peut citer l' automodulation de phase , des melanges a quatre ondes intra- et inter-canaux.

Dispersion modale de polarisation (PMD) [ modifier | modifier le code ]

La dispersion modale de polarisation (PMD) est exprimee en ps/km½ et caracterise l'etalement du signal. Ce phenomene est du a des defauts dans la geometrie des fibres optiques qui entrainent une difference de vitesse de groupe entre les modes se propageant sur differents axes de polarisation de la fibre optique.

Fibres speciales [ modifier | modifier le code ]

Il est possible de rajouter certaines caracteristiques aux fibres :

• les fibres dopees contiennent des ions de terres rares  ;
• les fibres a maintien de polarisation ;
• les fibres photosensibles.

Connecteur fibre optique [ modifier | modifier le code ]

Les fibres sont generalement reliees aux equipements terminaux a travers des connecteurs fibre optique .

Transmission numerique par fibre [ modifier | modifier le code ]

Principe [ modifier | modifier le code ]

Tout systeme de transmission d’information possede un emetteur et un ou plusieurs recepteurs . Dans une liaison optique, deux fibres sont souvent necessaires; l’une gere l’emission, l’autre la reception. Il est aussi possible de concentrer emission et reception sur le meme brin, cette technologie est utilisee par exemple dans les reseaux d'acces aux abonnes ( FTTH ) ; l’equipement de transmission est alors un peu plus onereux.

L’information est portee par un support physique (la fibre) appele ≪ canal de transmission ≫. Aux extremites, deux transpondeurs partenaires echangent les signaux, l'emetteur traduit les signaux electriques en impulsions optiques et le recepteur effectue la fonction inverse : il lit les signaux optiques et les traduit en signal electrique. Au cours de son parcours, le signal est attenue et deforme : sur les liaisons de grande longueur (plusieurs dizaines ou centaines de km), des repeteurs et des amplificateurs places a intervalles reguliers permettent de conserver l’integrite du message.

Emetteur [ modifier | modifier le code ]

L'emetteur optique ( transpondeur ) a pour fonction de convertir des impulsions electriques en signaux optiques vehicules au cœur de la fibre. En general, la modulation binaire du signal optique est une modulation d’intensite lumineuse ^{[ ref.  souhaitee]} obtenue par la modulation du signal electrique dans la diode ou le laser. Les emetteurs utilises sont de trois types :

• les diodes electroluminescentes (DEL), ou LED (light emitting diode) , qui fonctionnent dans le proche infrarouge (850  nm ) ;
• les lasers, utilises pour la fibre monomode, dont la longueur d’onde est 1 310 ou 1 550  nm  ;
• les diodes a infrarouge qui emettent dans l’infrarouge a 1 300  nm .

Recepteur [ modifier | modifier le code ]

Les recepteurs encore appeles detecteurs optiques utilisent le principe de l’ effet photoelectrique . Deux types de composant peuvent etre utilises : les phototransistors et les photodiodes . Les photodiodes PIN et les photodiodes a avalanche sont les plus utilisees car elles sont peu couteuses, simples d'utilisation et possedent les performances adequates.

Repeteur [ modifier | modifier le code ]

L’attenuation et la deformation du signal sont des consequences directes de la longueur du canal de transmission . Afin de conserver le signal optique de la source, les systemes de transmission optique peuvent utiliser trois types d’amplificateurs (repeteurs) :

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

Il existe des repeteurs a amplification optique (utilisant des verres dopes aux terres rares) ou des repeteurs-regenerateurs electroniques. Les liaisons actuelles utilisent principalement des amplificateurs optiques a fibres dopees erbium et sont entierement optiques sur des distances pouvant aller jusqu’a 10 000  km .

Multiplexeur [ modifier | modifier le code ]

Comme dans tous les systemes de transmission, on cherche a transmettre dans la meme fibre optique un maximum de communications d’origines differentes. Afin de ne pas brouiller les messages, on les achemine sur des longueurs d’onde differentes : c’est le multiplexage en longueur d'onde ou WDM (wavelength-division multiplexing) . Il existe plusieurs techniques de multiplexage chacune adaptee au type de transmission sur fibre optique (transmission longue distance ou boucle locale par exemple) : Dense WDM (beaucoup de signaux a des frequences tres rapprochees), Ultra WDM (encore plus), Coarse WDM (moins de canaux mais moins couteux)…

Prospective [ modifier | modifier le code ]

Desormais, on sait realiser des reseaux tout-optique, c'est-a-dire qui ne sont pas des assemblages de fibres optiques reliees les unes aux autres par des nœuds electriques. Les commutateurs, les multiplexeurs, les amplificateurs existent en version tout-optique. C’est actuellement un enjeu primordial car la rapidite des transmissions sur fibre optique est telle que les goulots d’etranglement se trouvent desormais dans l’electronique des nœuds des reseaux ^{[ 20 ]} .

Applications [ modifier | modifier le code ]

Dans les telecommunications [ modifier | modifier le code ]

La fibre optique, grace aux performances qu'elle offre, est de plus en plus utilisee dans les reseaux de telecommunications. Avec l'essor d'Internet et des echanges numeriques, son utilisation se generalise petit a petit jusqu'a venir chez le particulier. Les operateurs et les entreprises ont ete les premiers utilisateurs de fibres optiques. Elle est particulierement appreciee par l'armee pour son insensibilite aux IEM (interferences electromagnetiques) mais aussi pour sa legerete.

Il faut distinguer les fibres multimodes et monomodes. Les fibres multimodes sont reservees aux reseaux informatiques a courtes distances ( datacenter , entreprises et autres) alors que les fibres monomodes sont installees pour des reseaux a tres longues distances. Elles sont notamment utilisees dans les cables sous-marins intercontinentaux.

En arrivant dans les habitations via les reseaux FTTH , la fibre optique apporte une nette amelioration dans les telecommunications en termes de debits et de services.

Si la France se consacre pleinement au deploiement de la fibre optique notamment a travers le plan France Tres Haut Debit , l'hexagone ne figure pas parmi les dix pays les plus performants en termes de debit moyen, se contentant de la douzieme place ^{[ 21 ]} . Plusieurs pays a travers le monde beneficient en effet d'une meilleure qualite generale de connexion en fibre optique. En 2018, les pays du Nord de l'Europe, a l'image de la Norvege , de la Suede et du Danemark trustent ainsi trois des meilleurs places du classement de la Worldwide Broadband Speed League qui recense les tests de connexion de nombreux usagers a travers le monde. Le leader de ce classement est par ailleurs Singapour avec un debit moyen de 60,39  Mb/s .

En France, le debit moyen descendant (download) en fibre optique etait de l'ordre de 375 Mb/s en 2023 selon les statistiques du Speedtest de Zone ADSL&Fibre. Le debit moyen montant (upload) etait de 305 Mb/s. Le specialiste des reseaux indiquait egalement des donnees de debit fibre moyen par operateur ^{[ 22 ]} .

Operateur	Download moyen	Upload moyen
Orange	408 Mb/s	323 Mb/s
Free	366 Mb/s	306 Mb/s
SFR	354 Mb/s	268 Mb/s
Bouygues Telecom	351 Mb/s	304 Mb/s

Dans les reseaux informatiques [ modifier | modifier le code ]

Historiquement, les reseaux informatiques locaux ou LAN , qui permettent de relier des postes informatiques qui jusque-la ne pouvaient pas communiquer entre eux, furent construits avec des cables reseaux a base de fils de cuivre. Un gros inconvenient de ces cables est qu'ils sont tres sensibles aux perturbations electromagnetiques en tous genres (ascenseurs, courants forts, emetteurs). Dans des milieux a forte concentration d'ondes radio, il devient donc difficile d'utiliser ce type de cables meme en les blindant pour les proteger ou en torsadant les paires pour attenuer les perturbations. Un inconvenient majeur des cables electriques est l'attenuation tres rapide du signal qu'ils transportent avec la distance. Lorsqu'on relie deux equipements eloignes ne serait-ce que de quelques centaines de metres (pour relier deux batiments entre eux par exemple), le signal est fortement attenue a l'autre extremite du cable.

Sauf cas particuliers lies notamment a des contraintes electromagnetiques specifiques, les reseaux locaux (quelques dizaines de metres) sont generalement realises avec du cuivre. Lorsque la distance entre deux machines augmente, utiliser une fibre optique devient interessant : on peut relier par fibre optique deux batiments, ou constituer en l'utilisant un maillon du reseau informatique local, regional, continental, ou intercontinental.

La fibre optique fut introduite dans les reseaux informatiques pour pallier plusieurs points faibles des cables de cuivre : la lumiere qui y circule n'est pas sensible aux perturbations electromagnetiques et s'attenue beaucoup moins vite que le signal electrique transporte sur cuivre. On relie ainsi de facon fiable des sites distants de plusieurs centaines de metres, voire de plusieurs dizaines de kilometres. La fibre reste efficace dans des environnements perturbes, a des debits au moins dix fois superieurs aux cables reseaux ^{[ 23 ]} , mais pour un cout generalement superieur.

Types : Dans les reseaux informatiques (comme avec la paire de cuivre) les fibres vont souvent par deux : l'interface d'une machine utilise une fibre pour envoyer des donnees et l'autre fibre pour en recevoir. Toutefois il est possible de realiser une liaison bidirectionnelle sur une seule fibre optique. Plusieurs types de fibres optiques sont aujourd'hui utilises dans les reseaux 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 diametre pour une gaine de 125  μm  ;
• avec des types de connecteurs differents : ST (section ronde a visser), SC (section carree clipsable), LC (petite section carree clipsable), ou MTRJ (petite section carree clipsable).

En medecine [ modifier | modifier le code ]

Un type d' endoscope , appele fibroscope , utilise de la fibre optique pour vehiculer l'image de la zone a explorer jusqu'a l'œil du medecin realisant l'examen exploratoire. C'est une des premieres applications des fibres optiques.

Les decors lumineux a bases de fibres optiques plastiques sont utilises dans les salles de therapie Snoezelen , a la fois dans les plafonds ou pour stimuler le toucher ^{[ 24 ]} par les brins des fibres.

Amplification optique [ modifier | modifier le code ]

Les fibres dopees sont utilisees pour amplifier un signal. On les trouve egalement dans les lasers a fibres. Les fibres a double gaine sont de plus en plus utilisees pour le pompage optique de haute puissance.

Capteurs [ modifier | modifier le code ]

A la suite de travaux de recherche dans les annees 1980, les fibres optiques peuvent etre utilisees dans le domaine des capteurs ^{[ 25 ]}  :

• la corde optique est un capteur concu pour la mesure en temps reel des deformations d'une structure ou d'un ouvrage . Le capteur, constitue de fibres optiques tressees, fonctionne par mesure de l’ attenuation analogique du flux lumineux. Il mesure et detecte les modifications des proprietes de transmission dues a la transformation des rapports d’ absorption et de refraction de la lumiere a travers les fibres ^{[ 26 ]}  ;
• le gyrometre a fibre optique est un instrument utilise par les navires, les sous-marins, les avions ou les satellites pour donner la vitesse angulaire. Il contient des fibres a maintien de polarisation ;
• un reseau de Bragg inscrit dans une fibre optique peut donner des informations de contrainte ou de temperature ;
• les tapers ^{[ 27 ]} sont des fibres effilees qui peuvent egalement servir de capteurs ;
• le microphone a fibre optique developpe par l'entreprise Phonoptics en France.

Eclairage et decors [ modifier | modifier le code ]

Des les annees 1970 , la fibre optique fut utilisee dans des luminaires decoratifs a variation de couleur.

A partir des annees 1990 , la fibre optique est utilisee pour vehiculer la lumiere sur un trajet de quelques dizaines de centimetres depuis une source vers l'objet a mettre en valeur, permettant d'obtenir des eclairages ponctuels et discrets, pouvant etre elegamment integres a une vitrine de presentation, et offrant l'avantage de rayonner tres peu d'infrarouge, limitant ainsi le risque d'elevation de temperature a l'interieur de la vitrine, nefaste aux œuvres d'art.

La fibre optique plastique est utilise en motifs decoratifs dans l'habitat : ciels etoiles dans les plafonds ou murs, joints des carrelages,  etc.

En 2012 , une entreprise francaise utilise ce mode de transport pour eclairer les espaces sombres des batiments par la lumiere du Soleil captee sur les toits.

Textiles lumineux [ modifier | modifier le code ]

Tissees avec d'autres fils textiles (de toutes natures, qu'ils soient naturels comme le coton ou la soie, chimiques comme la viscose ou synthetiques comme le polyester), des fibres optiques peuvent permettre de creer un tissu textile lumineux. Le processus de creation d'un tel tissu lumineux est le suivant : les fibres optiques sont tissees (generalement dans le sens chaine) avec d'autres fils textiles (dans le sens trame) ; elles sont ensuite connectees a une source lumineuse de type LED a l'une de leurs extremites ; apres quoi, un traitement physique (sablage), chimique (solvant) ou optique (laser) est applique a la surface du tissu pour degrader la surface des fibres. Ceci permet au rayon lumineux se propageant dans la fibre optique de pouvoir etre diffuse a sa surface. Afin de fournir un eclairage homogene tout au long de la surface du tissu lumineux, la surface de la fibre doit etre moins degradee dans les zones proches de la source lumineuse, pour fournir moins de points de sortie a la lumiere, et plus degradee dans les zones eloignees de la source lumineuse.

En connectant le tissu lumineux a des LED de differentes couleurs, un eclairage de couleur differente peut etre obtenu. La couleur des fils textiles tisses avec les fibres optiques est egalement un parametre permettant de faire varier la couleur du tissu.

En delimitant des pixels independamment connectes a des sources lumineuses LED des trois couleurs rouge, verte et bleue ( RVB ), un ecran flexible textile lumineux peut etre obtenu ^{[ 28 ]} .

Ces tissus ont trouve un debouche artistique avec notamment une robe de mariee lumineuse ^{[ 29 ]} ou encore des tableaux lumineux de l'artiste Daniel Buren .

Les textiles lumineux fibres trouvent aussi leurs applications dans la medecine, notamment au sein du traitement contre les cancers de la peau. Des methodes telles que la photochimiotherapie utilisent ces textiles alimentes par laser. Ils permettent d'activer des photosensibilisateurs ( porphyrine , chlorophylle ,  etc. ) dans l'organisme des patients pour detruire les cellules cancereuses. Cependant, la technologie de diffusion de la lumiere est bien differente ici : lors du tressage avec un autre textile, on vient enrouler la fibre autour de ce dernier de maniere que la fibre soit tordue. Il n'a donc plus de reflexion totale interne, la lumiere peut s'echapper de la fibre optique ^{[ 30 ]} .

Communication par fibres en France et enjeux associes [ modifier | modifier le code ]

Reglementation [ modifier | modifier le code ]

Le precablage en fibre optique est en France obligatoire pour les nouvelles constructions dont le permis de construire est delivre depuis le 1 ^er janvier 2010 pour les batiments de plus de vingt-cinq logements et depuis le 1 ^er janvier 2011 pour les batiments jusqu'a 25 logements (loi du 4.8.08 / CCH : L.111-5-1) ^{[ 31 ]} . Tout batiment regroupant plusieurs logements doit contenir un reseau de communications electroniques a tres haut debit en fibre optique desservant avec au moins une fibre par logement et avec un point de raccordement accessible depuis la voie publique et permettant le passage des cables de plusieurs operateurs. La desserte de chacune des pieces principales doit etre possible. De meme pour les locaux a usage professionnel dans les batiments a usage mixte ^{[ 32 ]} . La reglementation ^{[ 33 ]} precise le cas des batiments qui feront l'objet d'une demande de permis de construire apres le 1 ^er avril 2012  ; dans les communes situees en ≪ zone a forte densite ≫, jusqu'a quatre fibres par logement devront permettre a chaque operateur de disposer d'une fibre pour connecter les logements ^{[ 34 ]} . Les coproprietes installeront les fibres de lignes a tres haut debit dans les parties communes et sur des supports propres (avec eventuellement ceux des cables telephoniques).

Le groupe ≪ Objectif Fibre ≫, qui rassemble les differents acteurs industriels impliques dans le deploiement de la fibre optique en France (operateurs de communications electroniques, installateurs, centres de formation, equipementiers) a publie un guide pratique pour la realisation du cablage interieur qui sera relie au reseau fibre optique dans les logements neufs ^{[ 35 ]} .

Deploiement [ modifier | modifier le code ]

On distingue deux phases dans le deploiement de la technologie sur le territoire. La premiere est une phase d’interconnexion des differents centres telephoniques qui utilisent du tres haut debit , par France Telecom d’abord puis par les autres operateurs a la suite de l’ouverture du marche. La deuxieme phase, que l’on peut situer au tout debut des annees 2000, consiste a mettre la technologie a disposition des entreprises puis des particuliers ^{[ 36 ]} .

Pourtant a la fin de l’annee 2011, on ne comptait en France que 665 000 abonnes a la fibre optique sur 5,9 millions d’abonnes ≪ eligibles ≫ ^{[ 37 ]} . Parmi quelques-unes des explications avancees : la bonne qualite du reseau ADSL sur le territoire (haut debit) ainsi que le manque d’interet des particuliers pour l’acces au tres haut debit , meme si le ressenti en termes de debit et de qualite de navigation est flagrant. Au 31 mars 2011 , 93 % des offres internet disponibles pour la France metropolitaine concernaient le haut debit ^{[ 38 ]} .

Le cout de deploiement de la fibre optique est egalement evoque comme contrainte. En effet, raccorder un particulier a la fibre optique suppose d’utiliser la technologie ≪ DFA ≫ pour ≪ Desserte par fibre de l’abonne ≫ (appelee aussi FTTH ). Le raccordement de sa phase terminale s’effectue en trois etapes : un deploiement horizontal dans les rues, puis vertical dans le cas des immeubles ^{[ 39 ]} et enfin jusqu’au particulier ^{[ 40 ]} . Concretement, le renouvellement des infrastructures necessite un million de kilometres de fibre optique a produire et a installer, ce qui est comparable au grand chantier du raccordement telephonique des annees 1970 et 1980, qui avait pris plus de quinze ans.

Cependant, l’objectif de l’Etat au niveau du raccordement des particuliers a la fibre optique est tres clair : 80 % de la population en 2022 et 100 % en tres haut debit a la meme date ^{[ 41 ]} . Pour y parvenir, l’Etat a lance le Plan Tres Haut Debit qui prevoit 20 milliards d'euros d'investissement en dix ans, partage entre les operateurs prives (6,5  Md € ) et les collectivites territoriales (13,5  Md € , dont 3,3  Md € de subventions de l’Etat et 50 % de financements prives dans le cadre de delegations de service public) ^{[ 41 ]} . Ce plan prevoit une forte implication financiere des operateurs prives mais aussi des collectivites locales . La moyenne europeenne de couverture THD en 2016 est a 48 %, tandis que les Pays-Bas sont le pays ou le plus d'habitants y ont acces dans leur logement (98 %) ^{[ 42 ] [ref. a confirmer]} .

Cette volonte de l’Etat d’equiper chaque foyer de la fibre optique n’est pas anodine. En effet, on estime que 71 % des Francais disposent d’une connexion a Internet a leur domicile et qu’Internet aurait participe pour un quart de la croissance economique francaise sur les dix dernieres annees ^{[ 43 ]} . Neanmoins, le parc actuel ne permet pas a tous un acces egal au haut debit. S’engager dans la voie du tres haut debit via la fibre optique permettrait a tous les Francais metropolitains de disposer d’une connexion internet de qualite et des services numeriques qui se developpent a l’heure actuelle. Les deploiements en cours de fibres optiques sont presentes sur l'Observatoire France Tres Haut Debit ^{[ 44 ]} .

D’apres la carte de l’ ARCEP , on constate une concentration de projets de raccordement en Reseau FTTH au niveau de l’ Ile-de-France , dans la region Provence-Alpes-Cote d’Azur et dans une zone entre le departement du Rhone et la frontiere suisse. Ces trois regions semblent etre les plus prisees d’un point de vue economique. De plus, la concentration urbaine permet un deploiement plus facile du reseau ^{[ 45 ]} .

D’ailleurs, la carte de la DATAR ^{[ 46 ]} sur les intentions d’investissement en reseau a boucle locale a la suite de l’appel d’offre des communes montre bien que ces trois regions sont celles qui ont le plus de population concernee par le deploiement du reseau fibre optique. Le raccordement des grandes zones urbaines et des metropoles peripheriques ne seront pas la partie la plus difficile : il faudra ensuite equiper toute la France rurale a faible densite de population de la technologie de la fibre optique, et les couts d’investissement iront croissant. Cette situation obligera les communes et l’Etat a participer plus activement au financement, delestant ainsi les entreprises d’une trop forte augmentation des couts de raccordement.

En juillet 2017, les fournisseurs d'acces internet ont ete reunis pour discuter du deploiement de la fibre. L'objectif est de trouver un accord pour accelerer ce deploiement. Toutefois, le risque est que les FAI ne soient freines par leurs tensions ^{[ 47 ]} .

Fin 2020, la France passe la barre des dix millions d'abonnes en fibre optique FTTH ^{[ 48 ]} .

Evolution du deploiement de la fibre en France ^{[ 49 ]}

Annee Semestre AAAA S1/2	Taux de raccordabilite des logements a la fibre
2020 S1	51.4%
2020 S2	55.1%
2021 S1	63%
2021 S2	69%
2022 S1	73.9%
2022 S2	78.2%
2023 S1	83.1%

Enjeux et perspectives [ modifier | modifier le code ]

La fibre optique est amenee a devenir le moyen d’acces principal au tres haut debit et au numerique en France. La volonte de l’Etat est forte et les avantages de cette technologie pour le haut debit sont indeniables. Mais le raccordement aux particuliers tel qu’il est envisage a un cout non negligeable qui sera partage entre l’Etat, les collectivites territoriales, les operateurs prives et les particuliers.

Dans le paysage numerique francais a l’horizon 2020, La fibre optique est clairement privilegiee par rapport aux autres technologies telles que le reseau satellitaire ou les reseaux mobiles ( 3G ou 4G ), qui ne sont pas ecartes mais plutot envisages comme solution de transition pour les zones grises. Avec le developpement des offres numeriques multi-services (telephone, television, internet) et la capacite de la fibre optique a gerer simultanement ces services sans perte de qualite, le choix de cette technologie s’impose, comme c’est deja le cas au Japon ou en Coree du Sud dont les territoires sont presque totalement couverts par la fibre. Mi-2008, il y avait deja au Japon plus d’abonnes a la fibre optique (treize millions) qu’au haut debit, tandis que le territoire etait deja couvert a 90 % ^{[ 50 ]} . Neanmoins, les conditions au Japon sont differentes de la France : le tissu urbain y est bien plus dense, ce qui entraine des couts de raccordement ≪  DFA  ≫ bien moindres. De plus le pays a lance cette politique d’ investissement quelques annees avant la France ou la Belgique .

Notes et references [ modifier | modifier le code ]

Annexes [ modifier | modifier le code ]

Articles connexes [ modifier | modifier le code ]

• Cable sous-marin
• Tres haut debit
• Soliton
• Fibre optique noire
• DFA
• Multiplexage en longueur d'onde
• VSnet et Fibrelac

Bibliographie [ modifier | modifier le code ]

• (en) Jeff Hecht, City of Light, The Story of Fiber Optics , Oxford University Press , New York, 1999 ( ISBN   0-19-510818-3 )
• Pierre Lecoy, Telecom sur Fibres Optiques , Hermes-Lavoisier, Paris, 2007 ( ISBN   978-2-7462-1844-4 )

Liens externes [ modifier | modifier le code ]

• Ressource relative a la sante  :
  • Medical Subject Headings
• Notices dans des dictionnaires ou encyclopedies generalistes  :

  • Britannica
  • Den Store Danske Encyklopædi
  • Enciclopedia De Agostini
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