Optique
L'optique inclut l'étude de la
dispersion de la lumière.
L'optique est la branche de la physique qui traite de la lumière, de son comportement et de ses propriétés, du rayonnement électromagnétique à la vision en passant par les systèmes utilisant ou émettant de la lumière. Du fait de ses propriétés ondulatoires, le domaine de la lumière peut couvrir le lointain UV jusqu'au lointain IR en passant par les longueurs d'onde visibles. Ces propriétés recouvrent alors le domaine des ondes radio, micro-ondes, des rayons X et des radiations électromagnétiques.
La plupart des phénomènes optiques peuvent être expliqués en utilisant la description électromagnétique classique. Cependant, cette description, bien que complète, est souvent difficile à appliquer en pratique : on utilise plus souvent des modèles simplifiés. Le plus commun d'entre eux, l'optique géométrique, considère la lumière comme un ensemble de rayons voyageant en ligne droite et qui s'incurvent quand ils traversent ou se réfléchissent sur des surfaces. L'optique physique est un modèle plus complet, incluant les effets ondulatoires comme la diffraction et les interférences, qui ne sont pas prises en compte dans le modèle géométrique. Historiquement, le modèle basé sur les rayons a été développé en premier, suivi par le modèle ondulatoire. Des progrès dans la théorie électromagnétique au cours du XIXe siècle ont conduit à la découverte du fait que la lumière est un rayonnement électromagnétique.
Certains phénomènes dépendent du fait que la lumière possède à la fois des propriétés corpusculaires et des propriétés ondulatoires. L'explication de ces effets est possible grâce à la mécanique quantique. Lorsqu'on considère la lumière comme une particule, on peut la modéliser comme un ensemble de photons. L'optique quantique traite de l'application de la mécanique quantique aux systèmes optiques.
L'optique trouve des applications et est étudiée dans beaucoup de domaines, incluant l'astronomie, différents champs de l'ingénierie, la photographie ou encore la médecine. Les applications pratiques de l'optique peuvent se retrouver dans un grand nombre de technologies et d'objets du quotidien comme les miroirs, les lentilles, les lasers, la fibre optique, les microscopes ou encore les télescopes optiques.
Introduction
Le premier traité d'optique par
Johannes Kepler,
Ad Vitellionem paralipomena quibus astronomiae pars optica traditur, 1604
Historiquement, l'optique apparaît dès l'Antiquité, puis est développée par les érudits musulmans dont des Perses. Elle est d'abord géométrique. Ibn al-Haytham (965-1039), scientifique perse, connu par les occidentaux sous le nom d'Alhazen est considéré comme le père de l'optique moderne, de la physique expérimentale et de la méthode scientifique1,2,3,4. Une traduction latine d'une partie de ses travaux, le Traité d'optique5, a exercé une grande influence sur la science occidentale.
L'optique géométrique propose une analyse de la propagation de la lumière basée sur des principes simples : la propagation rectiligne et le retour inverse. Elle a pu expliquer les phénomènes de la réflexion et de la réfraction. Elle s'est perfectionnée jusqu'au XVIIIe siècle, où la découverte de nouveaux phénomènes, tels que la déformation de la lumière au voisinage d'obstacles ou le dédoublement de la lumière lors de la traversée de certains cristaux, a conduit au XIXe siècle au développement de l'optique physique ou ondulatoire.
L'optique physique considère la lumière comme une onde ; elle prend en compte les phénomènes d'interférence, de diffraction et de polarisation.
Au début du XXe siècle les théories d'Einstein sur la nature corpusculaire de la lumière donneront naissance au photon et à l'optique quantique. Les physiciens sont alors contraints d'admettre que la lumière présente à la fois les propriétés d'une onde et d'un corpuscule. À partir de là, Louis de Broglie considère, au travers de la mécanique ondulatoire, que si le photon peut se comporter comme un corpuscule, alors, à l'inverse, les corpuscules tels que les électrons ou les protons peuvent se comporter comme des ondes.
Les différentes approches
Optique géométrique
L'optique géométrique introduite par Alhazen s'est développée sur la base d'observations simples et repose sur deux principes et des lois empiriques :
- la propagation rectiligne dans un milieu homogène et isotrope ;
- le principe du retour inverse qui exprime la réciprocité du trajet lumineux entre source et destination ;
- les lois de Snell-Descartes pour la réflexion et la réfraction.
La résolution des problèmes se fait à l'aide de constructions géométriques (tracés de droites matérialisant les rayons, calculs d'angles), d'où le nom d'optique géométrique. Elle donne de bons résultats tant que l'on ne cherche pas à modéliser des phénomènes liés à la polarisation ou aux interférences et qu'aucune dimension du système n'est comparable ou inférieure à la longueur d'onde de la lumière utilisée.
L'optique géométrique permet de retrouver la quasi-totalité des résultats concernant les miroirs, les dioptres et les lentilles ou leurs combinaisons en doublet et systèmes optiques constituant notamment les instruments d'optique.
De plus, dans le cadre de l'approximation de Gauss, l'optique géométrique donne des relations mathématiques linéaires permettant l'usage d'outils mathématiques tels que les matrices et la systématisation des calculs par ordinateur.
Optique ondulatoire ou optique physique
Alors que l'optique géométrique est une optique purement phénoménologique et ne fait pas d'hypothèse sur la nature de la lumière, hormis éventuellement qu'elle transporte de l'énergie, l'optique ondulatoire (parfois appelée « optique physique ») modélise la lumière par une onde.
Le modèle de l'onde scalaire (principe de Huygens-Fresnel) permet d'interpréter les phénomènes de diffraction (lors du passage par un trou, une fente étroite, près d'un bord...) et d'interférences. Les calculs reposent alors sur la somme des amplitudes d'ondes sinusoïdales qui se superposent, somme qui, suivant le déphasage, peut conduire à un résultat nul. La superposition de deux faisceaux peut ainsi donner l'obscurité. C'est ce qu'on observe au niveau des zones sombres des figures d'interférence ou de diffraction.
Il faut ensuite considérer qu'il s'agit d'une onde transversale, si l'on veut interpréter les phénomènes de polarisation. Enfin, Maxwell permettra de comprendre que les ondes lumineuses ne sont que des ondes électromagnétiques caractérisées par un domaine de longueurs d'onde qui les rend visibles pour l'homme.
L'optique physique est le nom d'une approximation haute fréquence (petite longueur d'onde) couramment utilisée en optique, en physique appliquée ou en ingénierie électrique. Dans ces contextes, c'est une méthode intermédiaire entre l'optique géométrique, qui ignore les effets ondulatoires, et l'optique ondulatoire qui est une théorie physique exacte.
Cette approximation consiste à utiliser les rayons de l'optique géométrique pour estimer les champs sur une surface puis intégrer ces champs sur toute la surface éclairée pour déterminer les champs transmis et réfléchis.
Dans les domaines optiques et radiofréquences, cette approximation est utilisée pour calculer les effets d'interférences et de polarisation et estimer les effets de diffraction. Comme toutes les approximations hautes fréquences, l'approximation de l'optique physique gagne en pertinence à mesure que l'on travaille avec de hautes fréquences.
La méthode consiste généralement à approcher la densité surfacique de courant électrique J → 
à la surface d'un objet par la densité de courant J → O P 
induite par le champ magnétique incident H → i 
, comme c'est le cas sur un plan métallique infini. C'est pour cela que l'approximation de l'optique physique est parfois appelée « hypothèse du plan tangent ».
La densité de courant électrique au point Q de la surface éclairée est alors calculée par la relation :
- J → O P ( Q ) = 2 n ^ ( Q ) × H → i ( Q )
où n ^ ( Q ) 
correspond au vecteur normal unitaire extérieur à la surface éclairée. Dans les zones d'ombre (surfaces non-éclairées selon l'hypothèse de l'optique géométrique), la densité de courant est considérée comme nulle. Les champs rayonnés par la surface sont ensuite calculés en intégrant la densité de courant électrique sur la surface éclairée avec des expressions intégrales des équations de Maxwell, par exemple les équations intégrales de Stratton-Chu, de Kottler ou de Franz.
À cause de l'hypothèse effectuée sur la densité de courant électrique à la surface d'un objet, cette approximation est d'autant plus correcte lorsque les objets étudiés sont grands devant la longueur d'onde et avec des surfaces lisses. Pour la même raison, cette densité de courant approchée est inexacte à proximité des discontinuités comme des arêtes ou les frontières entre la zone éclairée et les zones d'ombre. De plus, cette approximation ne rend pas compte des ondes rampantes.
Optique quantique
Les problèmes liés au rayonnement du corps noir et à l'effet photoélectrique ont amené à considérer que la lumière était composée de paquets d'énergie (licht quanta, en allemand, d'après Einstein).
Plus tard, l'effet Compton a conduit à considérer la lumière comme constituée de particules à part entière : les photons.
Ceux-ci sont caractérisés par une masse nulle, une vitesse égale à c (célérité de la lumière), une énergie E = h ν 
, où ν 
est la fréquence de l'onde électromagnétique associée, et une quantité de mouvement p = ℏ k 
avec ℏ = h / 2 π 
où h désigne la constante de Planck et k le vecteur d'onde.
La théorie quantique de l'optique ou optique quantique a été créée pour concilier les deux aspects apparemment incompatibles de la lumière, l'aspect ondulatoire (phénomènes d'interférence, de diffraction…) et l'aspect corpusculaire (effet photoélectrique, émission spontanée…). L'optique quantique est essentiellement une reformulation de l'optique ondulatoire dans laquelle le champ électromagnétique est quantifié.
Avec l'optique quantique on abandonne toute certitude, on raisonne uniquement en termes de probabilités :
- probabilité qu'un photon soit émis ou absorbé par un atome ;
- probabilité qu'un photon émis par un atome ait une énergie donnée ;
- probabilité qu'un photon se désintègre ;
- …
Optique des particules chargées
L'optique des particules chargées, optique électronique et optique ionique, correspond à la production d'images à l'aide de faisceaux d'électrons ou d’ions réfractés à l'aide de champs électriques et/ou magnétiques (lentilles magnétiques). Avantages : petitesse des longueurs d'onde associées à ces faisceaux, qui permettent ainsi d'obtenir des pouvoirs de résolution très supérieurs à ceux obtenus avec des instruments utilisant la lumière visible6.
Optique et biologie
La lumière joue un rôle fondamental dans le Vivant, qui a développé de nombreux moyens de l'utiliser, voire de la produire (bioluminescence).
La bio-optique utilise la lumière et son absorption par le vivant étudier les milieux, aquatiques notamment7,8,9,10.
Les écologues et biologistes étudient la manière dont les organismes vivant ont appris au cours de l’évolution à utiliser et manipuler à leur profit l'absorption de lumière (base de la photosynthèse notamment, mais aussi de la vision), la transparence, la diffraction, l'interférence, la réflexion et l'antireflet, la diffusion, la lumière, le guidage optique, et la lentille, le camouflage dynamique11,12 (chez le caméléon, la pieuvre et la seiche notamment) ou encore la bioluminescence...
Ces « solutions » développées par le vivant pour utiliser la lumière (ou en produire via la bioluminescence) intéressent aussi la biomimétique.
Optique moderne
L'optique moderne englobe les éléments de l'optique (en tant que science mais aussi de l'ingénierie liée) qui sont devenus populaires au cours du XXe siècle. Ces domaines sont typiquement reliés aux propriétés électromagnétiques et quantiques de la lumière mais incluent d'autres sujets. Un sous-champ de l'optique moderne, l'optique quantique, traite spécialement des propriétés quantiques de la lumière. L'optique quantique n'est pas seulement théorique : certains appareils modernes, tels que les lasers, ont des principes opératoires qui relèvent justement de la mécanique quantique. Les détecteurs de lumière, comme les photomultiplicateurs ou les Channeltrons, réagissent à des photons uniques. Des capteurs d'image électroniques, comme les capteurs CCD, manifestent un bruit de grenaille correspondant aux statistiques des bruits de photons individuels. Les diodes électroluminescentes (LED) et les panneaux photovoltaïques, eux aussi, ne pourraient être compris sans la mécanique quantique. Lorsqu'on étudie ces dispositifs, il arrive souvent que l'optique quantique se chevauche avec l’électronique quantique13.
Les champs de recherche spécialisée en optique incluent l'étude de l'interaction lumière-matière, mais aussi l'optique non imageante, l'optique non linéaire, l'optique statistique et la radiométrie. En outre, les ingénieurs informatiques ont pris un intérêt dans l'optique intégrée, la vision industrielle, et l'ordinateur optique en tant qu'éléments possibles inclus dans la « prochaine génération » d'ordinateurs.
Les sous-champs éminents de l'ingénierie optique comprennent l'ingénierie d'éclairage, la photonique et l'optoélectronique avec des applications pratiques telles que la conception de lentilles, la fabrication et les tests de composants optiques et le traitement d'image. Certains de ces champs se chevauchent, avec des frontières floues. Une communauté professionnelle des chercheurs en optique non linéaire s'est développée au cours des dernières décennies, en raison des progrès de la technologie laser.
Lasers
Les expériences comme celle-ci avec des lasers puissants font partie de la recherche moderne en optique.
Un laser est un appareil qui émet de la lumière (rayonnement électromagnétique) par un processus appelé l'émission stimulée. Le terme laser est un acronyme pour Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation. La lumière laser est généralement cohérente dans l'espace, ce qui signifie que la lumière est soit émise est dans un faisceau étroit à faible divergence, soit que l'on peut la convertir en un tel faisceau à l'aide de composants optiques tels que des lentilles. Parce que l'équivalent aux micro-ondes du laser, le maser, a été développé en premier lieu, des dispositifs qui émettent des fréquences micro-ondes et de radio sont généralement appelés masers.
Étoile artificielle créée par un laser à des fins de calibration, au VLT.
Le premier laser fonctionnel a été réalisé le par Théodore Maiman au sein des Hughes Research Laboratories. Lors de leur invention, ils étaient surnommés la « solution à la recherche d'un problème ». Depuis lors, les lasers sont devenus une industrie de plusieurs milliards de dollars, trouvant une utilité dans des milliers d'applications très variées. La première application des lasers visibles dans la vie quotidienne était le scanner de code-barres dans les supermarchés, introduit en 1974. Le C.D. (disque compact) a été le premier dispositif de stockage fonctionnant grâce au laser qui se soit largement diffusé dans les foyers des consommateurs, à partir de 1982. Ces dispositifs de stockage optique utilisent un laser ayant un faisceau de beaucoup moins d'un millimètre de diamètre du spot (environ 1,04 μm) pour balayer la surface du disque, afin de récupérer les données inscrites à sa surface. La communication à fibre optique repose aussi sur les lasers pour transmettre de grandes quantités d'informations à la vitesse de la lumière. D'autres applications courantes de lasers comprennent les imprimantes laser et les pointeurs laser. Ils sont aussi utilisés en médecine dans des domaines tels que la chirurgie oculaire au laser, et dans des applications militaires telles que les systèmes de défense anti-missiles, les contre-mesures électro-optiques (EOCM) et le lidar. Les lasers sont également utilisés dans les hologrammes, la gravure 3D dans du verre, les shows laser et l'épilation au laser.
Effet Kapitsa-Dirac
L'effet Kapitsa-Dirac (en) provoque la diffraction des faisceaux de particules, résultant de la rencontre entre ondes de lumière stationnaire[réf. nécessaire]. La lumière peut être utilisée pour positionner la matière en utilisant divers phénomènes[évasif].
Optique appliquée
L'optique et ses domaines d'application peuvent constituer des approches particulières de l'optique. Les restrictions propres au domaine d'application vont modifier la manière d'utiliser les lois de l'optique, les notations, les approximations utilisées, etc.
Non exhaustivement, on retrouve les grands domaines suivants :
Optique physiologique
L'optique physiologique, définie comme la « science de la vision », fait appel à l'anatomie, pour la disposition matérielle de l'œil ; à la physiologie, pour son fonctionnement ; à la médecine, quant à ses maladies ; aux différentes spécialités de l'optique physique pour la propagation dans le globe oculaire des rayons lumineux ; à la chimie, pour l'étude des colorants et l'élucidation de la conversion de l'énergie lumineuse en influx nerveux ; à la psychologie expérimentale pour l'étude de l'appareil visuel globalement, et à la psychologie cognitive pour l'étude de son éducation, amenant les individus à la capacité de voir.
Optique photographique
Domaine très similaire à l'optique géométrique, l'optique appliquée à la photographie diffère par sa terminologie et par le fait qu'elle peut lier aussi des notions d'électronique du fait de l'existence d'un capteur dans l'appareil photographique, ou d'une pellicule.
L'optique géométrique demeure un domaine général tournant autour d'une certaine idée de la propagation de la lumière, là où l'optique photographique va s'intéresser de manière très poussée à la qualité de l'image, aux aberrations et à la luminosité, donc inclure des notions importantes de radiométrie.
Optronique
L'optronique est une technique permettant de mettre en œuvre des équipements ou des systèmes utilisant à la fois l’optique et l'électronique. Elle associe généralement un capteur optique, un système de traitement d’images et un système d’affichage ou de mémorisation.
Optique atmosphérique
Les propriétés optiques uniques de l'atmosphère provoquent une large gamme de phénomènes optiques spectaculaires. La couleur bleue du ciel est le résultat direct de la diffusion de Rayleigh, qui redirige la lumière du soleil de haute fréquence (bleue) dans le champ de vision de l'observateur. Parce que la lumière bleue est plus facilement dispersée que la lumière rouge, le soleil prend une teinte rougeâtre lorsqu'il est observé dans une atmosphère épaisse, comme au lever ou au coucher du soleil. Des particules supplémentaires dans le ciel peuvent disperser différentes couleurs sous différents angles créant un ciel rougeoyant coloré au crépuscule et à l'aube. La diffusion des cristaux de glace et d'autres particules dans l'atmosphère sont responsables des halos, des rémanences, des couronnes, des rayons du soleil. La variation de ces types de phénomènes est due à différentes tailles de particules et à différentes géométries.
Les mirages sont des phénomènes optiques dans lesquels les rayons lumineux sont courbés en raison des variations thermiques de l'indice de réfraction de l'air, produisant des images déplacées ou fortement déformées d'objets éloignés. D'autres phénomènes optiques associés, incluent l'effet Novaya Zemlya où le soleil semble se lever plus tôt que prévu avec une forme déformée. Une forme spectaculaire de réfraction se produit avec une inversion de température appelée Fata Morgana, où les objets à l'horizon, ou même au-delà de l'horizon, comme les îles, les falaises, les navires ou les icebergs, semblent allongés et élevés.
Les arcs-en-ciel sont le résultat d'une combinaison de réflexion interne et de réfraction dispersive de la lumière dans les gouttes de pluie. Une seule réflexion sur une série de gouttes de pluie, produit un arc-en-ciel avec une taille angulaire sur le ciel qui varie de 40° à 42° avec du rouge à l'extérieur. Les arcs-en-ciel doubles sont produits par deux réflexions internes avec une taille angulaire de 50,5° à 54°, avec du violet à l'extérieur.
Notes et références
- (de) Abhandlung über das Licht, J. Baarmann (ed. 1882) Zeitschrift der Deutschen Morgenländischen Gesellschaft Vol 36
- (en) The 'first true scientist' [archive], sur le site news.bbc.co.uk
- (en) Thiele, Rüdiger (2005), "In Memoriam: Matthias Schramm", Arabic Sciences and Philosophy (Cambridge University Press) 15: 329–331, doi:10.1017/S0957423905000214
- Thiele, Rüdiger (August 2005), "In Memoriam: Matthias Schramm, 1928–2005", Historia Mathematica 32 (3): 271–274, doi:10.1016/j.hm.2005.05.002
- (en) Grant 1974 p. 392 notes the Book of Optics has also been denoted as Opticae Thesaurus Alhazen Arabis, as De Aspectibus, and also as Perspectiva
- Horst Stöcker, Francis Jundt, Georges Guillaume, "Toute la physique", Dunod, 1999
- Vantrepotte V (2003). Caractérisation bio-optique des eaux côtières en Manche Orientale pour l'estimation de la production primaire et le suivi des poussées phytoplanctoniques: application à la télédétection satellitaire" couleur de l'eau" en milieu côtier. Littoral|résumé [archive]).
- Gernez P (2009) Analyse de la variabilité temporelle des propriétés optiques en mer Ligure depuis un mouillage instrumenté (site Boussole): fluctuations à haute fréquence, cyclicité diurne, changements saisonniers et variabilité interannuelle (Doctoral dissertation, Paris 6)|résumé [archive].
- Paolin M (2012). Etude des facteurs contrôlant l'atténuation lumineuse dans une lagune semi-fermée. Calibration d'un modèle bio-optique pour le Bassin d'Arcachon [archive].
- Niewiadomska K (2008). Couplage physique-biogéochimie à différentes échelles spatiales et temporelles: le cas du courant Ligure étudié par un planeur sous-marin bio-optique (Doctoral dissertation, Paris 6) résumé [archive].
- Pikul J.H & al. (2017) “Stretchable surfaces with programmable 3D texture morphing for synthetic camouflaging skins “| Science 13 Oct 2017|Vol. 358, Issue 6360, pp. 210-214 | DOI: 10.1126/science.aan5627|résumé [archive]
- Octo camouflage [archive], (sweetrandomscience), consulté le 14 oct 2017
- D. F. Walls and G. J. Milburn Quantum Optics (Springer 1994)
Voir aussi
Sur les autres projets Wikimedia :
Articles connexes
- Optique métaxiale
- Optogénétique
- Perspective visuelle
- Perspective conique
- Miroirs, lentille, doublet (optique), stigmatisme, caustique, image
- Spectroscopie, prisme (optique)
- Système optique pour les éléments constitutifs basiques des instruments
- Instruments d'optique : microscope optique, lunette, télescope, interféromètre
- Phénomène optique
- Rayonnement électromagnétique, onde, longueur d'onde, fréquence, phase
- Spectre électromagnétique, couleur, couleur primaire
- Disque optique
- Fibre optique
- Biréfringence
- Optique adaptative
- Faisceau gaussien
- Rétine
- Histoire de l'optique
Thèmes apparentés
Liens externes
Fibre optique
Caractéristiques
| Composé de |
Guide d'onde optique (en)
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|---|
Une fibre optique est un fil dont l’âme1, très fine, en verre ou en plastique, a la propriété de conduire la lumière et sert pour la fibroscopie, l'éclairage ou la transmission de données numériques. 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 date du début du XXe siècle mais ce n'est qu'en 1970 qu'est développée une fibre utilisable pour les télécommunications, dans les laboratoires de l'entreprise américaine Corning Glass Works (actuelle Corning Incorporated).
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 clés de la révolution des télécommunications. Ses propriétés sont également exploitées dans le domaine des capteurs (température, pression, etc.), dans l'imagerie et dans l'éclairage.
Histoire
Précurseurs
À l'époque des Grecs anciens, le phénomène du transport de la lumière dans des cylindres de verre était déjà connu. Il était, semble-t-il[réf. nécessaire], mis à profit par les artisans du verre pour créer des pièces décoratives. Plus tard, les techniques de fabrication utilisées par les artisans vénitiens 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 lumière n'est donc pas récente.
La première démonstration scientifique du principe de la réflexion totale interne fut faite par les physiciens suisse et français Jean-Daniel Colladon à Genève et Jacques Babinet à Paris au début des années 18402. L'irlandais John Tyndall répéta l'expérience devant la Société Royale Britannique en 1854. À l'époque, l'idée de courber la trajectoire de la lumière, de quelque façon que ce soit, était révolutionnaire puisque les scientifiques considéraient que la lumière voyageait uniquement en ligne droite. Leur démonstration consistait à guider la lumière dans un jet d'eau déversé d'un trou à la base d'un réservoir. En injectant de la lumière dans ce jet, celle-ci suivait bien la courbure du jet d'eau, démontrant ainsi qu'elle pouvait être déviée de sa trajectoire rectiligne. Ils établirent ainsi le principe de base de la transmission par fibre optique. Par la suite, de nombreuses inventions utilisant le principe de la réflexion totale interne virent le jour ; comme les fontaines lumineuses ou la fibroscopie utilisant des dispositifs transportant la lumière dans des cavités du corps humain.
On doit la première tentative de communication optique à Alexander Graham Bell, l'un des inventeurs du téléphone. En effet, il mit au point, au cours des années 1880, le photophone. Cet appareil permettait de transmettre la lumière sur une distance de deux cents mètres. La voix, amplifiée par un microphone, faisait vibrer un miroir qui réfléchissait la lumière du soleil. Quelque deux cents mètres plus loin, un second miroir captait cette lumière pour activer un cristal de sélénium et reproduire le son voulu. Le récepteur de cet appareil était presque identique à celui du premier téléphone. Bien qu'opérationnelle en terrain découvert, cette méthode s'avéra peu utilisée. La pluie, la neige et les obstacles qui empêchaient la transmission du signal condamnèrent cette invention, bien qu'il considérât lui-même que le photophone était sa plus grande invention, puisqu'elle permettait une communication sans fil.
Premières réalisations
Faisceau de fibres optiques pour réseaux métropolitains.
La possibilité de transporter de la lumière le long de fines fibres de verre fut exploitée au cours de la première moitié du XXe siècle. En 1927, Baird et Hansell tentèrent de mettre au point un dispositif d'images de télévision à l'aide de fibres. Hansell put faire breveter son invention, mais elle ne fut jamais vraiment utilisée. Quelques années plus tard, en 1930, Heinrich Lamm réussit à transmettre l'image d'un filament de lampe électrique grâce à un assemblage rudimentaire de fibres de quartz. Cependant, il était encore difficile à cette époque de concevoir que ces fibres de verre puissent trouver une application.
La première application fructueuse de la fibre optique eut lieu au début des années 1950, lorsque le fibroscope flexible fut inventé par Abraham van Heel et Harold Hopkins. Cet appareil permettait la transmission d'une image le long de fibres en verre. Il fut particulièrement utilisé en endoscopie, pour observer l'intérieur du corps humain, et pour inspecter des soudures dans des réacteurs d'avion. Malheureusement, la transmission ne pouvait pas être faite sur une grande distance étant donné la piètre qualité des fibres utilisées. En 1957, le fibroscope (endoscope flexible médical) est inventé par Basil Hirschowitz aux États-Unis.
Les télécommunications par fibre optique restèrent impossibles jusqu'à l'invention du laser en 1960. Le laser offrit en effet la possibilité de transmettre un signal sur une grande distance avec une perte et une dispersion spectrale très faibles. Dans sa publication de 1964, Charles Kao, des Standard Telecommunications Laboratories, décrivit un système de communication à longue distance et à faible perte en mettant à profit l'utilisation conjointe du laser et de la fibre optique. Peu après, soit en 1966, il démontra expérimentalement, avec la collaboration de Georges Hockman, qu'il était possible de transporter de l'information sur une grande distance sous forme de lumière grâce à la fibre optique. Cette expérience est souvent considérée comme la première transmission de données par fibre optique. Cependant, les pertes dans cette fibre optique étaient telles que le signal disparaissait au bout de quelques centimètres, non par perte de lumière, mais parce que les différents chemins de réflexion 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 entraînées par l'usage d'une fibre de verre homogène constituaient le principal obstacle à l'utilisation courante de la fibre optique.
En France, la première thèse de doctorat sur le sujet fut soutenue en par Luigi d'Auria à l'université de Toulouse.
En 1970, trois scientifiques de la compagnie Corning Glass Works de New York, Robert Maurer, Peter Schultz et Donald Keck, produisirent la première fibre optique avec des pertes de phase suffisamment faibles pour être utilisée dans les réseaux de télécommunications (20 décibels par kilomètre). Leur fibre optique était en mesure de transporter 65 000 fois plus d'information qu'un simple câble de cuivre, ce qui correspondait au rapport des longueurs d'onde utilisées.
Le premier système de communication téléphonique optique fut installé au centre-ville de Chicago en 1977. En France, la DGT a installé en 19803 la première liaison optique à Paris entre les centraux téléphoniques des Tuileries et Philippe-Auguste. On estime que depuis 2005 plus de 80 % des communications à longue distance sont transportées le long de plus de 25 millions de kilomètres de câbles à fibres optiques partout dans le monde4. La fibre optique s'est, dans une première phase (1984 à 2000), limitée à l'interconnexion des centraux téléphoniques, eux seuls nécessitant de forts débits. Cependant, avec la baisse des coûts entraînée par sa fabrication en masse et les besoins croissants des particuliers en très haut débit, on envisage depuis 19945 et 2005 son arrivée chez les particuliers6 : DFA pour desserte par fibre de l’abonné7, FTTH ((en) Fiber To The Home), FTTB ((en) Fiber To The Building), FTTC ((en) Fiber To The Curb), etc.
Fonctionnement
Principe
Principe d'une fibre optique.
La fibre optique est un guide d'ondes 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 (différence de quelques millièmes) que la gaine et peut donc confiner la lumière qui se trouve entièrement réfléchie de multiples fois à l'interface entre les deux matériaux (en raison du phénomène de réflexion totale interne). 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 : Δ = n c − n g n c
, où n c 
est l'indice de réfraction du cœur, et n g 
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 sin θ max = n c 2 − n g 2
.
Principe d'une fibre optique à saut d'indice.
Saut ou gradient d'indice
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 microstructurées. 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 fibres, chaque fibre conduisant un signal soit dans un seul sens (mode simplex), soit dans les deux sens (mode duplex)8 ; dans ce dernier cas, deux longueurs d'onde (ou plus) sont utilisées (au moins une par sens)9. Lorsqu'une fibre optique n'est pas encore alimentée, on parle de fibre optique noire.
Fibres monomodes et multimodes
Fibres multimodes et monomodes.
Les fibres optiques peuvent être classées en deux catégories selon le diamètre de leur cœur et la longueur d'onde utilisée : les fibres monomodes et multimodes.
Fibres multimodes
Les fibres multimodes (dites MMF, pour Multi Mode Fiber), ont été les premières sur le marché. Elles ont pour caractéristique de transporter plusieurs modes (trajets lumineux). Du fait de la dispersion intermodale, on constate un étalement temporel du signal proportionnel à la longueur de la fibre. En conséquence, elles sont utilisées uniquement pour des bas débits ou de courtes distances. La dispersion modale peut cependant être minimisée (à une longueur d'onde donnée) en réalisant un gradient d'indice dans le cœur de la fibre. Elles sont caractérisées par un diamètre de cœur de plusieurs dizaines à plusieurs centaines de micromètres (les cœurs en multimodes sont de 50 ou 62,5 µm pour le bas débit). Cependant les fibres les plus récentes, de type OM3, permettent d'atteindre le Gbit/s sur des distances de l'ordre du km. Les longues distances ne peuvent être couvertes que par des fibres optiques monomodes.
Débits et distances en fibre optique.
Fibres monomodes
Pour de plus longues distances et/ou de plus hauts débits, on préfère utiliser des fibres monomodes (dites SMF, pour Single Mode Fiber), qui sont technologiquement plus avancées car plus fines. Leur cœur très fin n'admet ainsi qu'un mode de propagation, le plus direct possible c'est-à-dire dans l'axe de la fibre. Les pertes sont donc minimes (moins de réflexion sur l'interface cœur/gaine) que cela soit pour de très haut débits et de très longues distances. Les fibres monomodes sont de ce fait adaptées pour les lignes intercontinentales (câbles 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'émission qui implique que l'onde n'est pas strictement monochromatique : toutes les longueurs d'onde ne se propagent pas à la même vitesse dans le guide ce qui induit un élargissement de l'impulsion dans la fibre optique. On l'appelle aussi dispersion chromatique (cf. plus haut « Dispersion chromatique »). Ces fibres monomodes sont caractérisées par un diamètre de cœur de seulement quelques micromètres (le cœur monomode est de 9 µm pour le haut débit).
Longueur d'onde de coupure et fréquence normalisée
La longueur d'onde de coupure est la longueur d'onde λ c 
en dessous de laquelle la fibre n'est plus monomode. Ce paramètre est relié à la fréquence normalisée, notée V, qui dépend de la longueur d'onde dans le vide λ 0 
, du rayon de cœur a 
de la fibre et des indices du cœur n c et de la gaine n g (voir image Principe d'une fibre optique à saut d'indice' pour les notations). La fréquence normalisée est exprimée par :
V = ( 2 π a n c 2 − n g 2 ) / λ 0 
Une fibre est monomode pour une fréquence normalisée V inférieure ou égale à 2,405. Des abaques fournissent la constante de propagation normalisée, notée B, en fonction de la fréquence normalisée pour les premiers modes.
La fréquence normalisée donne une indication directe sur le nombre de modes qu'une fibre peut contenir. À mesure que V augmente, le nombre de modes supportés par la fibre va augmenter. On peut montrer à partir des valeurs asymptotiques des fonctions de Bessel pour un grand argument que le nombre total de modes supportés par une fibre à saut d’indice, M, sera donné approximativement (pour V >>> 1) par : M = 4 V 2 / π 2 
.
Fabrication
Fibre optique de 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)10.
La méthode MCVD (Modified Chemical Vapor Deposition, ou dépôt chimique en phase vapeur modifié) 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 de réfraction. Les couches déposées sont ensuite vitrifiées au passage du chalumeau. Ensuite le tube est chauffé à haute température, et va se refermer sur lui-même pour former la préforme10.
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 (brevet FR2760449 de 199811). Ce procédé de purification constitue la seule alternative connue rentable aux techniques de dépôt externe12.
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 (cette couche peut être déposée par la tour de fibrage, juste après l'étirement) 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 microentaille est amplifiée.
En France, seules deux usines sont capables de produire des fibres optiques13 :
Caractéristiques
Les principaux paramètres qui caractérisent les fibres optiques utilisées pour les transmissions sont les suivants :
Atténuation
L’atténuation caractérise l’affaiblissement du signal au cours de la propagation. Soient P 0 
et P L 
les puissances à l’entrée et à la sortie d’une fibre de longueur L. L’atténuation linéaire se traduit alors par une décroissance exponentielle de la puissance en fonction de la longueur de fibre (Loi de Beer-Lambert) : P L = P 0 e − α L 
où α 
est le coefficient d’atténuation linéaire.
On utilise souvent le coefficient α d B 
exprimé en dB/km et relié à α par α d B = 4 , 343 α 
.
Le principal atout des fibres optiques est une atténuation extrêmement faible. L’atténuation 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, dû à la présence de radicaux -OH dans la silice, pourra également être observé autour de 1 385 nm10. Les progrès les plus récents dans les techniques de fabrication permettent de réduire ce pic.
Les fibres en silice connaissent un minimum d'atténuation vers 1 550 nm. Cette longueur d’onde du proche infrarouge sera donc privilégiée pour les communications optiques. De nos jours, la maîtrise des procédés de fabrication permet d’atteindre couramment une atténuation aussi faible que 0,2 dB/km à 1 550 nm : après 100 km de propagation, il restera donc encore 1 % de la puissance initialement injectée dans la fibre, ce qui peut être suffisant pour une détection. Si l’on désire transmettre l’information sur des milliers de kilomètres, il faudra avoir recours à une réamplification périodique du signal, le plus généralement par l’intermédiaire d’amplificateurs optiques qui allient simplicité et fiabilité.
Le signal subira des pertes supplémentaires à chaque connexion entre fibres, que ce soit par des traverses ou bien par soudure, cette dernière technique, la plus performante, réduit très fortement ces pertes.
Dispersion chromatique
La dispersion chromatique est exprimée en ps nm−1 km−1 et caractérise l'étalement du signal lié à sa largeur spectrale (deux longueurs d'onde différentes ne se propagent pas exactement à la même vitesse). Cette dispersion dépend de la longueur d'onde considérée et résulte de la somme de deux effets : la dispersion propre au matériau, et la dispersion du guide, liée à 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.
Débit de transmission
Le record actuel de débit de transmission a été établi par KDDI en laboratoire en 2017. Il est de 10,16 pétabit par seconde14 sur une distance de 11,3 km. Le précédent record est détenu par NEC et Corning en laboratoire en septembre 2012. Il est de 1 pétabit par seconde15 (1 000 térabits par seconde, soit un million de gigabits par seconde ou, plus communément, 125 000 gigaoctets par seconde) sur une distance de 52,4 km.
Vitesse de transmission
La notion de vitesse du signal dans une fibre est distincte de celle de débit (vitesse de transmission des données), confusion largement répandue dans la presse. La vitesse du signal dans la fibre est globalement la même pour la fibre optique et le câble en cuivre; elle se situe à environ 70 à 75 % de la vitesse de la lumière dans le vide16,17. Certaines fibres expérimentales creuses, atteignent des vitesses proches de 99 % de la vitesse de la lumière18. Sur les transmissions à grande distance, la vitesse de transmission est ralentie par la présence de nombreux répéteurs nécessaires pour remettre en forme le signal, même si les nouvelles technologies entièrement optiques limitent ce ralentissement. Pour démonstration, la latence théorique d'une liaison informatique Nouméa-Paris est de 90 ms. On la mesure en pratique à 280 ms (en utilisant par exemple un mesureur de latence) après un trajet sur plus de 20 000 km de fibre optique sous-marine, où le signal est régulièrement ré-amplifié et remis en forme. L'éloignement des serveurs joue donc de façon défavorable sur la latence.
Non-linéarité
Un canal de transmission est dit non linéaire lorsque sa fonction de transfert dépend du signal d’entrée. L'effet Kerr, la diffusion Raman et l'effet Brillouin19 sont les principales sources de non linéarité dans les fibres optiques. Parmi les conséquences de ces effets non linéaires, on peut citer l'automodulation de phase, des mélanges à quatre ondes intra- et inter-canaux.
Dispersion modale de polarisation (PMD)
La dispersion modale de polarisation (PMD) est exprimée en ps/km½ et caractérise l'étalement du signal. Ce phénomène est dû à des défauts dans la géométrie des fibres optiques qui entraînent une différence de vitesse de groupe entre les modes se propageant sur différents axes de polarisation de la fibre optique.
Fibres spéciales
Il est possible de rajouter certaines caractéristiques aux fibres :
- les fibres dopées contiennent des ions de terres rares ;
- les fibres à maintien de polarisation ;
- les fibres photosensibles.
Connecteur fibre optique
Les fibres sont généralement reliées aux équipements terminaux à travers des connecteurs fibre optique.
Transmission numérique par fibre
Principe
Tout système de transmission d’information possède un émetteur et un ou plusieurs récepteurs. Dans une liaison optique, deux fibres sont souvent nécessaires; l’une gère l’émission, l’autre la réception. Il est aussi possible de concentrer émission et réception sur le même brin, cette technologie est utilisée par exemple dans les réseaux d'accès aux abonnés (FTTH) ; l’équipement de transmission est alors un peu plus onéreux.
L’information est portée par un support physique (la fibre) appelé « canal de transmission ». Aux extrémités, deux transpondeurs partenaires échangent les signaux, l'émetteur traduit les signaux électriques en impulsions optiques et le récepteur effectue la fonction inverse : il lit les signaux optiques et les traduit en signal électrique. Au cours de son parcours, le signal est atténué et déformé : sur les liaisons de grande longueur (plusieurs dizaines ou centaines de km), des répéteurs et des amplificateurs placés à intervalles réguliers permettent de conserver l’intégrité du message.
Émetteur
L'émetteur optique (transpondeur) a pour fonction de convertir des impulsions électriques en signaux optiques véhiculés au cœur de la fibre. En général, la modulation binaire du signal optique est une modulation d’intensité lumineuse[réf. souhaitée] obtenue par la modulation du signal électrique dans la diode ou le laser. Les émetteurs utilisés sont de trois types :
- les diodes électroluminescentes (DEL), ou LED (light emitting diode), qui fonctionnent dans le proche infrarouge (850 nm) ;
- 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.
Récepteur
Les récepteurs encore appelés détecteurs optiques utilisent le principe de l’effet photoélectrique. Deux types de composant peuvent être utilisés : les phototransistors et les photodiodes. Les photodiodes PIN et les photodiodes à avalanche sont les plus utilisées car elles sont peu coûteuses, simples d'utilisation et possèdent les performances adéquates.
Répéteur
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 peuvent utiliser trois types d’amplificateurs (répéteurs) :
- 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 (utilisant des verres dopés aux terres rares) 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.
Multiplexeur
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 (transmission longue distance ou boucle locale par exemple) : Dense WDM (beaucoup de signaux à des fréquences très rapprochées), Ultra WDM (encore plus), Coarse WDM (moins de canaux mais moins coûteux)…
Prospective
Désormais, on sait réaliser des réseaux tout-optique, c'est-à-dire qui ne sont pas des assemblages de fibres optiques reliées les unes aux autres par des nœuds électriques. Les commutateurs, les multiplexeurs, les amplificateurs existent en version tout-optique. C’est actuellement un enjeu primordial car la rapidité des transmissions sur fibre optique est telle que les goulots d’étranglement se trouvent désormais dans l’électronique des nœuds des réseaux20.
Applications
Dans les télécommunications
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 utilisateurs de fibres optiques. Elle est particulièrement appréciée par l'armée 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 (datacenter, entreprises et autres) 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 nette amélioration dans les télécommunications en termes de débits et de services.
Si la France se consacre pleinement au déploiement de la fibre optique notamment à travers le plan France Très Haut Débit, l'hexagone ne figure pas parmi les dix pays les plus performants en termes de débit moyen, se contentant de la douzième place21. Plusieurs pays à travers le monde bénéficient en effet d'une meilleure qualité générale de connexion en fibre optique. En 2018, les pays du Nord de l'Europe, à l'image de la Norvège, de la Suède 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 à travers le monde. Le leader de ce classement est par ailleurs Singapour avec un débit moyen de 60,39 Mb/s.
Dans les réseaux informatiques
Historiquement, les réseaux informatiques locaux ou LAN, qui permettent 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. Un gros inconvénient de ces câbles est qu'ils sont très sensibles aux perturbations électromagnétiques en tous genres (ascenseurs, courants forts, émetteurs). Dans des milieux à forte concentration d'ondes radio, il devient donc difficile d'utiliser ce type de câbles même en les blindant pour les protéger ou en torsadant les paires pour atténuer les perturbations. Un inconvénient majeur des câbles électriques est l'atténuation très rapide du signal qu'ils transportent avec la distance. Lorsqu'on relie deux équipements éloignés ne serait-ce que de quelques centaines de mètres (pour relier deux bâtiments entre eux par exemple), le signal est fortement atténué à l'autre extrémité du câble.
Sauf cas particuliers liés notamment à des contraintes électromagnétiques spécifiques, les réseaux locaux (quelques dizaines de mètres) sont généralement réalisés avec du cuivre. Lorsque la distance entre deux machines augmente, utiliser une fibre optique devient intéressant : on peut relier par fibre optique deux bâtiments, ou constituer en l'utilisant un maillon du réseau informatique local, régional, continental, ou intercontinental.
La fibre optique fut introduite dans les réseaux informatiques pour pallier plusieurs points faibles des câbles de cuivre : la lumière qui y circule n'est pas sensible aux perturbations électromagnétiques et s'atténue beaucoup moins vite que le signal électrique transporté sur cuivre. On relie ainsi de façon fiable des sites distants de plusieurs centaines de mètres, voire de plusieurs dizaines de kilomètres. La fibre reste efficace dans des environnements perturbés, à des débits au moins dix fois supérieurs aux câbles réseaux22, mais pour un coût généralement supérieur.
Fibre multimode utilisée dans une liaison
Fibre Channel (le connecteur SC a été retiré).
Types : Dans les réseaux informatiques (comme avec la paire de cuivre) 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).
En médecine
Un type d'endoscope, appelé fibroscope, utilise de la fibre optique pour véhiculer l'image de la zone à explorer jusqu'à l'œil du médecin réalisant l'examen exploratoire. C'est une des premières applications des fibres optiques.
Les décors lumineux à bases de fibres optiques plastiques sont utilisés dans les salles de thérapie Snoezelen, à la fois dans les plafonds ou pour stimuler le toucher23 par les brins des fibres.
Amplification optique
Les fibres dopées sont utilisées pour amplifier un signal. On les trouve également dans les lasers à fibres. Les fibres à double gaine sont de plus en plus utilisées pour le pompage optique de haute puissance.
Capteurs
À la suite de travaux de recherche dans les années 1980, les fibres optiques peuvent être utilisées dans le domaine des capteurs24 :
- la corde optique est un capteur conçu pour la mesure en temps réel des déformations d'une structure ou d'un ouvrage. Le capteur, constitué de fibres optiques tressées, fonctionne par mesure de l’atténuation analogique du flux lumineux. Il mesure et détecte les modifications des propriétés de transmission dues à la transformation des rapports d’absorption et de réfraction de la lumière à travers les fibres25 ;
- le gyromètre à fibre optique est un instrument utilisé par les navires, les sous-marins, les avions ou les satellites pour donner la vitesse angulaire. Il contient des fibres à maintien de polarisation ;
- un réseau de Bragg inscrit dans une fibre optique peut donner des informations de contrainte ou de température ;
- les tapers26 sont des fibres effilées qui peuvent également servir de capteurs ;
- le microphone à fibre optique développé par l'entreprise Phonoptics en France.
Éclairage et décors
Dès les années 1970, la fibre optique fut utilisée dans des luminaires décoratifs à variation de couleur.
À partir des années 1990, la fibre optique est utilisée pour véhiculer la lumière sur un trajet de quelques dizaines de centimètres depuis une source vers l'objet à mettre en valeur, permettant d'obtenir des éclairages ponctuels et discrets, pouvant être élégamment intégrés à une vitrine de présentation, et offrant l'avantage de rayonner très peu d'infrarouge, limitant ainsi le risque d'élévation de température à l'intérieur de la vitrine, néfaste aux œuvres d'art.
La fibre optique plastique est utilisé en motifs décoratifs dans l'habitat : ciels étoilés dans les plafonds ou murs, joints des carrelages, etc.
En 2012, une entreprise française utilise ce mode de transport pour éclairer les espaces sombres des bâtiments par la lumière du Soleil captée sur les toits.
Textiles lumineux
Tissées avec d'autres fils textiles (de toutes natures, qu'ils soient naturels comme le coton ou la soie, chimiques comme la viscose ou synthétiques comme le polyester), 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 (généralement dans le sens chaîne) avec d'autres fils textiles (dans le sens trame) ; 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 (RVB), un écran flexible textile lumineux peut être obtenu27.
Ces tissus ont trouvé un débouché artistique avec notamment une robe de mariée lumineuse28 ou encore des tableaux lumineux de l'artiste Daniel Buren.
Certains rayons lumineux peuvent sortir de la fibre quand l'angle d'
incidence avec la gaine est trop élevé.
Les textiles lumineux fibrés trouvent aussi leurs applications dans la médecine, notamment au sein du traitement contre les cancers de la peau. Des méthodes telles que la photochimiothérapie utilisent ces textiles alimentés par laser. Ils permettent d'activer des photosensibilisateurs (porphyrine, chlorophylle, etc.) dans l'organisme des patients pour détruire les cellules cancéreuses. Cependant, la technologie de diffusion de la lumière est bien différente ici : lors du tressage avec un autre textile, on vient enrouler la fibre autour de ce dernier de manière que la fibre soit tordue. Il n'a donc plus de réflexion totale interne, la lumière peut s'échapper de la fibre optique29.
Communication par fibres en France et enjeux associés
Règlementation
Le précâblage en fibre optique est en France obligatoire pour les nouvelles constructions dont le permis de construire est délivré depuis le pour les bâtiments de plus de vingt-cinq logements et depuis le pour les bâtiments jusqu'à 25 logements (loi du 4.8.08 / CCH : L.111-5-1)30. Tout bâtiment regroupant plusieurs logements doit contenir un réseau de communications électroniques à très haut débit 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 câbles de plusieurs opérateurs. La desserte de chacune des pièces principales doit être possible. De même pour les locaux à usage professionnel dans les bâtiments à usage mixte31. La règlementation32 précise le cas des bâtiments qui feront l'objet d'une demande de permis de construire après le ; dans les communes situées en « zone à forte densité », jusqu'à quatre fibres par logement devront permettre à chaque opérateur de disposer d'une fibre pour connecter les logements33. Les copropriétés installeront les fibres de lignes à très haut débit dans les parties communes et sur des supports propres (avec éventuellement ceux des câbles téléphoniques).
Le groupe « Objectif Fibre », qui rassemble les différents acteurs industriels impliqués dans le déploiement de la fibre optique en France (opérateurs de communications électroniques, installateurs, centres de formation, équipementiers) a publié un guide pratique pour la réalisation du câblage intérieur qui sera relié au réseau fibre optique dans les logements neufs34.
Déploiement
On distingue deux phases dans le déploiement de la technologie sur le territoire. La première est une phase d’interconnexion des différents centres téléphoniques qui utilisent du très haut débit, par France Telecom d’abord puis par les autres opérateurs à la suite de l’ouverture du marché. La deuxième phase, que l’on peut situer au tout début des années 2000, consiste à mettre la technologie à disposition des entreprises puis des particuliers35.
Pourtant à la fin de l’année 2011, on ne comptait en France que 665 000 abonnés à la fibre optique sur 5,9 millions d’abonnés « éligibles »36. Parmi quelques-unes des explications avancées : la bonne qualité du réseau ADSL sur le territoire (haut débit) ainsi que le manque d’intérêt des particuliers pour l’accès au très haut débit, même si le ressenti en termes de débit et de qualité de navigation est flagrant. Au , 93 % des offres internet disponibles pour la France métropolitaine concernaient le haut débit37.
Le coût de déploiement de la fibre optique est également évoqué comme contrainte. En effet, raccorder un particulier à la fibre optique suppose d’utiliser la technologie « DFA » pour « Desserte par fibre de l’abonné » (appelée aussi FTTH). Le raccordement de sa phase terminale s’effectue en trois étapes : un déploiement horizontal dans les rues, puis vertical dans le cas des immeubles38 et enfin jusqu’au particulier39. Concrètement, le renouvellement des infrastructures nécessite un million de kilomètres de fibre optique à produire et à installer, ce qui est comparable au grand chantier du raccordement téléphonique des années 1970 et 1980, qui avait pris plus de quinze ans.
Cependant, l’objectif de l’État au niveau du raccordement des particuliers à la fibre optique est très clair : 80 % de la population en 2022 et 100 % en très haut débit à la même date40. Pour y parvenir, l’État a lancé le Plan Très Haut Débit qui prévoit 20 milliards d'euros d'investissement en dix ans, partagé entre les opérateurs privés (6,5 Md €) et les collectivités territoriales (13,5 Md €, dont 3,3 Md € de subventions de l’État et 50 % de financements privés dans le cadre de délégations de service public)40. Ce plan prévoit une forte implication financière des opérateurs privés mais aussi des collectivités locales. La moyenne européenne de couverture THD en 2016 est à 48 %, tandis que les Pays-Bas sont le pays où le plus d'habitants y ont accès dans leur logement (98 %)41[réf. à confirmer].
Cette volonté de l’État d’équiper chaque foyer de la fibre optique n’est pas anodine. En effet, on estime que 71 % des Français disposent d’une connexion à Internet à leur domicile et qu’Internet aurait participé pour un quart de la croissance économique française sur les dix dernières années42. Néanmoins, le parc actuel ne permet pas à tous un accès égal au haut débit. S’engager dans la voie du très haut débit via la fibre optique permettrait à tous les Français métropolitains de disposer d’une connexion internet de qualité et des services numériques qui se développent à l’heure actuelle. Les déploiements en cours de fibres optiques sont présentés sur l'Observatoire France Très Haut Débit43.
D’après la carte de l’ARCEP, on constate une concentration de projets de raccordement en Réseau FTTH au niveau de l’Île-de-France, dans la région Provence-Alpes-Côte d’Azur et dans une zone entre le département du Rhône et la frontière suisse. Ces trois régions semblent être les plus prisées d’un point de vue économique. De plus, la concentration urbaine permet un déploiement plus facile du réseau44.
D’ailleurs, la carte de la DATAR45 sur les intentions d’investissement en réseau à boucle locale à la suite de l’appel d’offre des communes montre bien que ces trois régions sont celles qui ont le plus de population concernée par le déploiement du réseau fibre optique. Le raccordement des grandes zones urbaines et des métropoles périphériques ne seront pas la partie la plus difficile : il faudra ensuite équiper toute la France rurale à faible densité de population de la technologie de la fibre optique, et les coûts d’investissement iront croissant. Cette situation obligera les communes et l’État à participer plus activement au financement, délestant ainsi les entreprises d’une trop forte augmentation des coûts de raccordement.
En juillet 2017, les fournisseurs d'accès internet ont été réunis pour discuter du déploiement de la fibre. L'objectif est de trouver un accord pour accélérer ce déploiement. Toutefois, le risque est que les FAI ne soient freinés par leurs tensions46.
Fin 2020, la France passe la barre des dix millions d'abonnés en fibre optique FTTH47.
Enjeux et perspectives
La fibre optique est amenée à devenir le moyen d’accès principal au très haut débit et au numérique en France. La volonté de l’État est forte et les avantages de cette technologie pour le haut débit sont indéniables. Mais le raccordement aux particuliers tel qu’il est envisagé a un coût non négligeable qui sera partagé entre l’État, les collectivités territoriales, les opérateurs privés et les particuliers.
Dans le paysage numérique français à l’horizon 2020, La fibre optique est clairement privilégiée par rapport aux autres technologies telles que le réseau satellitaire ou les réseaux mobiles (3G ou 4G), qui ne sont pas écartés mais plutôt envisagés comme solution de transition pour les zones grises. 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 au Japon plus d’abonnés à la fibre optique (treize millions) qu’au haut débit, tandis que le territoire était déjà couvert à 90 %48. 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, 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 autant49. La fibre n'est pas encore suffisamment présente pour supplanter le cuivre. À l'heure actuelle, de nombreux services n'ont pas d'équivalent sur fibre : alarmes d'ascenseur, systèmes de télé-relèves, modems industriels… C'est pourquoi le gouvernement a chargé l'Autorité de la statistique publique, en , 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.
Depuis fin janvier 2017, les zones peu denses semblent être mieux considérées avec de nouvelles perspectives permettant d'accéder à internet avec un débit bien meilleur que l'ADSL mais pas encore au niveau de la fibre.[évasif] Le développement d'un accès à internet fibre dans ces zones prend du temps et de nouvelles solutions rendent donc cela possible en s'appuyant sur le réseau 4G. Certains opérateurs proposent en effet des box permettant d'accéder via la 4G à internet avec un très haut débit parfois supérieur à 100 Mb/s.
Notes et références
- « 3752 - Constitution d'un câble fibre optique » [archive], sur Black Box (consulté le ).
- D. Colladon, « Sur les réflexions d'un rayon de lumière à l'intérieur d'une veine liquide parabolique », Comptes rendus 15, 800 (1842), La fontaine laser (laboratoire de physique des lasers) [archive].
- Michel de Vecchis, « Liaison d'essai à 34 Mb/s sur fibre optique entre deux centraux parisiens », Commutation et transmission, , p. 13-24
- Gilles Poupon, Traitement des puces électroniques et nouveaux procédés d'interconnexion, Hermes Science Publications, coll. « EGEM », , 311 p. (ISBN 978-2-746-22085-0, lire en ligne [archive]), « Interconnexions puces à fibre optique ».
- [PDF]« Livre blanc sur les autoroutes de l'information (1994) » [archive], sur Ladocumentationfrancaise.fr (consulté le ).
- 5.5 millions de nouveaux abonnés à la fibre optique [archive], blog Pixmania
- desserte par fibre de l'abonné [archive], sur le site franceterme.culture.gouv.fr
- Les réseaux d'accès à Internet les plus répandus : FTTH, câble/DOCSIS, utilisent une seule fibre bidirectionnelle par abonné.
- (en) [PDF] P. Vetter, Next Generation Optical Access Technologies tutorial, slide 4 et 5 [archive], greentouch.org .
- Étude et caractérisation d'une fibre optique amplificatrice et compensatrice de dispersion chromatique, Julien Maury, Thèse pour obtenir le grade de docteur de l'université de Limoges, 2003 [lire en ligne [archive]] (voir archive).
- Brevet FR 2760449 [archive] "Procédé pour purifier de la silice naturelle ou synthétique et application au dépôt de silice naturelle ou synthétique purifiée sur une préforme de fibre optique", Campion Jean-Florent et al.
- Il a révolutionné la fibre optique [archive] - Arts et Métiers Magazine no 317, mars 2009 (accès payant - voir archive).
- Le Plan pour doter la France d'infrastructures numériques de pointe : 2013-2022 [archive] - Plan France Très Haut Débit, [PDF].
- (en) KDDI Research, Inc., « Success of ultra-high capacity optical fiber transmission breaking the world record by a factor of five and reaching a 10 Petabits per Second », Press Release,
- (en) NEC and Corning achieve petabit optical transmission [archive], sur le site optics.org du 22 janvier 2013
- « Pourquoi la fibre optique est plus “rapide” que les câbles électriques ? » [archive], sur presse-citron.net, (consulté le )
- « Des chercheurs battent les records de vitesse et latence » [archive], sur developpez.com, (consulté le )
- « Une fibre optique qui transporte les données à la vitesse de la lumière » [archive], sur begeek.fr, (consulté le )
- Voir Marc Niklès, La diffusion Brillouin dans les fibres optiques : étude et application aux capteurs distribués, 1997. [archive]
- Système de transmission [archive], sur le site fibrenoireparis.fr
- « Le pays avec la meilleure connexion à Internet n'est pas là où on l'attend », MaPetiteBox, (lire en ligne [archive], consulté le )
- Compte rendu des débats, Conseil de l'Europe. Assemblée parlementaire. Council of Europe, 1994 [archive]
- « L'utilisation de la fibre optique dans une salle snoezelen » [archive], sur Blog Entreprise Fibre Optique Lumineuse,
- Réseaux de capteurs à fibres optiques [archive], Éditions techniques de l'ingénieur - accès payant sauf l’introduction.
- « Mesure de déformation par fibre optique » [archive] [PDF], sur www.ifsttar.fr, (consulté le ).
- Passive fiber-optic components made by the fused biconical taper process [archive], cat.inist.fr.
- http://www.studio-creatif.com/Vet/Vet02Prototypes05Fr.htm [archive]
- (it) « Robe de mariée lumineuse | Musée des Confluences » [archive], sur www.museedesconfluences.fr, (consulté le )
- Cédric Cochrane, Serge R. Mordon, Jean Claude Lesage et Vladan Koncar, « New design of textile light diffusers for photodynamic therapy », Materials Science and Engineering: C, vol. 33, , p. 1170–1175 (DOI 10.1016/j.msec.2012.12.007, lire en ligne [archive], consulté le )
- Décret du 14.12.11 : JO du 16.12.11 ; arrêté du 16.12.11 : JO du 20.12.11.
- Décret du 15.1.09 / CCH : R.111-14.
- Décret du et arrêté du .
- Décret du 14.12.11 / CCH : R.111-14.
- « Guide pour le raccordement des logements neufs à la fibre optique » [archive] [PDF], sur Promotelec.com (consulté le ).
- [PDF] La fibre optique arrive chez vous [archive], arcep.fr.
- AFP, « La fibre optique progresse en France [archive] », europe1.fr, .
- [PDF]Rapport gouvernemental sur le déploiement du très haut débit en France [archive], ladocumentationfrancaise.fr.
- Dans les quartiers, le nouveau précariat de la fibre optique [archive], mediapart.fr, 1er octobre 2021, par Sarah Nedjar (Bondy Blog)
- [PDF] Guide pratique pour l'installation de la fibre optique [archive], arcep.fr.
- Le Plan France Très Haut Débit. [archive], sur le site francethd.fr.
- A. H., Start-ups : les Pays-Bas veulent concurrencer la France [archive], Le Figaro, consulté le .
- [PDF] Impact d'internet sur l'économie française. [archive], sur le site economie.gouv.fr.
- l'Observatoire France Très Haut Débit [archive] consulté en octobre 2016.
- Lien vers la carte de l'ARCEP [archive].
- La carte de raccordement éditée par la DATAR [archive].
- « Fibre optique : les opérateurs en réunion avec le gouvernement pour son déploiement », MaPetiteBox, (lire en ligne [archive], consulté le ).
- Bastien Lion, « La France passe la barre symbolique des 10 millions d'abonnements fibre » [archive], sur www.lesnumeriques.com, (consulté le ).
- Article sur le développement de la fibre optique au Japon. [archive], sur le site ariase.com
Annexes
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Articles connexes
Bibliographie
- (en) Jeff Hecht, City of Light, The Story of Fiber Optics, Oxford University Press, New York, 1999 (ISBN 0-19-510818-3)
- Pierre Lecoy, Télécom sur Fibres Optiques, Hermès-Lavoisier, Paris, 2007 (ISBN 978-2-7462-1844-4)
Liens externes