La prochaine génération de fibres optiques

A première vue, ces nouvelles matières sont tout simplement étranges : fines comme des cheveux, transparentes et pleines de trous. Comme les fibres optiques qui sont le pilier de l'industrie des télécommunications, elles sont en verre. Mais là, les similitudes avec les matériaux conventionnels s'arrêtent.

Le centre de chacune de ces nouvelles fibres - qui sont fabriquées à l'Université de Bath, en Angleterre - est creux. Dans les fibres optiques existantes, la lumière est transmise à travers un noyau de verre. Dans les fibres fabriquées à Bath, la lumière voyage sans entrave dans l'air. Le faisceau lumineux est confiné au noyau creux par les trous dans le matériau de verre environnant, qui ressemble à un nid d'abeilles en coupe transversale et crée une zone strictement interdite à la lumière. La capacité de confiner la lumière dans l'air de cette manière, explique Philip Russell, un physicien de Bath, pourrait complètement révolutionner les télécommunications.

Cette histoire faisait partie de notre numéro de mai 2001

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La raison de l'enthousiasme est que, en principe du moins, envoyer de la lumière dans l'air plutôt qu'à travers le verre pourrait considérablement augmenter l'efficacité et la capacité des réseaux de télécommunications à haut débit d'aujourd'hui. Ces nouveaux matériaux, appelés fibres à cristaux photoniques, devraient laisser échapper moins de lumière et transporter des impulsions lumineuses plus intenses sans distorsion, réduisant ainsi le besoin d'amplifier constamment un signal, une corvée coûteuse dans les réseaux optiques d'aujourd'hui. Les fibres à cristal photonique devraient être capables de transmettre beaucoup plus d'informations le long des réseaux de fibres optiques tout en réduisant les coûts d'installation et de maintenance. Ils seront reliés aux fibres existantes comme une autoroute à 10 voies l'est à une voie de campagne. Non seulement ils prendront plus de trafic, mais le trajet sera plus fluide et il y aura moins de ravitaillement en carburant.

Il est encore tôt dans le développement de cette nouvelle génération de fibres optiques. Même les nouveaux matériaux les plus avancés restent à plusieurs années d'une utilisation commerciale généralisée. Mais avec tant d'enjeux, les télécommunications optiques sont une entreprise de plusieurs milliards de dollars - plusieurs laboratoires industriels, dont Corning et une poignée de startups, sont à la poursuite de leurs propres versions de fibres photoniques. S'il est trop tôt pour prédire qui l'emportera, les approches concurrentes développées à l'Université de Bath et au MIT se font déjà concurrence pour devenir la fibre optique de demain.

Ces efforts pourraient porter leurs fruits juste à temps pour l'industrie des télécommunications. L'énorme expansion de la transmission optique de données à longue distance ces dernières années, alimentée par la croissance d'Internet et de ses applications gourmandes en bande passante, a conduit les chercheurs à trouver des moyens de tirer des signaux plus lumineux et plus complexes à travers des fibres optiques ( voir Multiplexage par division de longueur d'onde , TR mars/avril 1999 ). Mais de nombreux experts pensent qu'au cours des prochaines décennies, il deviendra impossible de tirer plus de performances de la génération actuelle de fibres de verre. Bien qu'il soit difficile de prédire exactement quand le barrage routier sera atteint, Jim West, un scientifique des laboratoires de recherche de Corning à New York, est convaincu que nous allons nous heurter à ces limites. Et c'est à ce moment-là que la prochaine génération de fibres optiques deviendra cruciale pour nourrir l'appétit apparemment sans fin du monde pour la bande passante.

Conversation légère

Bien que les fibres photoniques soient une technologie de nouvelle génération en 2001, l'histoire du transport de données vocales à l'aide de la lumière remonte à plus d'un siècle. Après avoir inventé le téléphone en 1876, Alexander Graham Bell ne s'est pas reposé sur ses lauriers. En 1880, il montra que la lumière, plutôt que l'électricité, peut porter les paroles d'une personne à une oreille éloignée. Le photophone de Bell utilisait des miroirs vibrants pour transmettre le son via la lumière du soleil. Mais c'était une idée bien avant l'heure. L'envoi de signaux électriques par des câbles de cuivre s'est avéré beaucoup plus fiable et le photophone a été largement oublié alors que les lignes téléphoniques enchevêtraient le monde.

Après huit décennies de suprématie du fil de cuivre, l'invention du laser rubis en 1960 remet la lumière sur l'agenda des communications. Voici une source suffisamment brillante pour vraiment mettre la lumière au travail. Tout comme le transistor a inauguré l'ère de la microélectronique, le laser a déclenché l'ère de la photonique. En 1970, Corning a fièrement annoncé qu'il avait envoyé un faisceau laser le long d'une fibre de verre et récupéré jusqu'à un pour cent de la lumière à l'autre extrémité, à un kilomètre de distance (les fibres de verre d'aujourd'hui sont si efficaces que 80 pour cent de la lumière survivra à distance). Dans les années 1980, les compagnies de téléphone ont commencé à remplacer les câbles de cuivre par des fibres optiques.

Une fibre optique peut transporter des milliers de fois plus de données qu'un câble en cuivre : en principe, une seule fibre peut transmettre jusqu'à 25 000 milliards de bits par seconde. C'est une capacité suffisante pour transporter toutes les conversations téléphoniques qui ont lieu à tout instant aux États-Unis, avec de la place à revendre. Rien d'étonnant à ce que la toile mondiale des technologies de l'information soit tissée de verre porteur de lumière.

Dans une fibre optique classique, la lumière est confinée dans un barreau interne en silice par une gaine de verre de composition légèrement différente de celle du coeur. En règle générale, de petites quantités de germanium ou de phosphore sont ajoutées au cœur (un processus appelé dopage), lui donnant un indice de réfraction différent de celui de la gaine. La lumière frappant l'interface entre le noyau et la gaine est réfléchie, de sorte que le signal rebondit dans les deux sens et reste dans le noyau. Les informations sont codées dans une série d'impulsions provenant de lasers à commande électronique et envoyées dans la fibre jusqu'à un photodétecteur à l'autre extrémité, qui reconvertit le signal sous forme électrique pour le traitement dans un téléphone, un ordinateur ou un dispositif de routage.

Super. Alors, où est le piège ? C'est une question de limites. Au fur et à mesure que les réseaux de communication deviennent plus gros, plus occupés et plus ambitieux, les inconvénients des fibres de verre conventionnelles deviennent évidents, et les réseaux de fibres optiques existants finiront par être incapables de faire face. Un facteur qui limite les performances est la décoloration du signal lumineux avec la distance. Une certaine quantité de lumière est diffusée - les impuretés présentes dans la silice perturbent la transmission d'une partie du signal - lorsqu'elle traverse le noyau de verre ; d'autres lumières s'échappent tout simplement de la fibre, car l'interface entre le noyau de verre et la gaine n'est pas un miroir parfait.

Si elles ne sont pas corrigées, ces pertes paralyseraient les communications longue distance par fibre optique : une transmission à 80 % sur un kilomètre laisserait moins qu'un fantôme de signal à l'extrémité d'un câble transatlantique. La réponse est d'amplifier la lumière tous les 70 kilomètres environ. Mais les amplificateurs sont chers, et ils nécessitent leurs propres sources d'alimentation ( voir 5 brevets à surveiller : Booster Shots ). Chaque amplificateur ajoute généralement un million de dollars au prix d'une ligne de transmission longue distance. Pour un câble de milliers de kilomètres de long, cela commence à rapporter de l'argent réel. Et lorsqu'un amplificateur tombe en panne au milieu de l'Atlantique, il n'y a pas d'autre choix que d'envoyer un navire pour draguer le câble. Cela coûte une fortune de les réparer au fond de l'océan, dit Russell de Bath.

Cette réalité économique décourageante est l'aiguillon pour développer la nouvelle génération de fibres. OmniGuide Communications, basée à Cambridge, MA, fondée l'année dernière par plusieurs professeurs du MIT, affirme que ses nouvelles fibres seront capables de réduire les pertes si bas qu'il n'y aurait pas besoin d'amplification. De plus, selon l'entreprise, la bande passante utilisable sera nettement plus grande que dans les fibres optiques existantes. L'astuce consiste à retirer le noyau de verre de la fibre et à le remplacer par - eh bien, rien du tout.

Air pur

Cela semble si évident. La lumière voyage dans l'air avec peu de diffusion. Alors pourquoi ne pas simplement envoyer de la lumière laser dans un tube de verre creux ? La réponse se trouve dans la physique. Pour obtenir la réflexion interne nécessaire pour maintenir la lumière confinée au centre d'une fibre optique conventionnelle, la gaine doit avoir un indice de réfraction inférieur à celui du milieu interne. Mais tous les matériaux connus ont un indice de réfraction plus élevé que l'air. Ainsi, l'arrangement conventionnel ne fonctionne pas dans la fabrication d'une fibre creuse.

Ce qui signifie qu'une approche non conventionnelle est nécessaire. Entrez les fibres de cristal photonique. Les chercheurs du monde entier sont occupés à fabriquer des matériaux qui agissent comme des isolants légers, qui sont infranchissables à la lumière tout comme la plupart des plastiques sont infranchissables aux courants électriques. Dans le jargon de la physique, ces isolants de lumière ont une bande interdite photonique correspondant à des longueurs d'onde spécifiques de la lumière ; ces longueurs d'onde ne peuvent tout simplement pas entrer dans le matériau. S'ils sont fabriqués correctement, ces matériaux, contrairement au revêtement en fibres de verre, ne devraient permettre à pratiquement aucune lumière de s'échapper d'un noyau vide qui les enveloppe.

Bien sûr, de nombreuses substances empêcheront la lumière de passer ; mais c'est généralement parce que les matériaux absorbent simplement la lumière plutôt que de la refléter. Et bien que vous puissiez penser aux miroirs métalliques - verre argenté - comme de bons réflecteurs de lumière, la vérité est qu'ils ne sont pas assez réfléchissants pour fonctionner dans les fibres optiques ; ils absorbent et dissipent une partie petite mais significative d'un faisceau entrant. Un signal lumineux descendant un tube de verre doublé d'argent ne parcourrait qu'une courte distance avant de se disperser entièrement. Les matériaux à bande interdite photonique, en revanche, bloquent tous les photons de longueurs d'onde particulières ; la lumière venant en sens inverse est reflétée presque parfaitement. En d'autres termes, ils sont parfaits pour confiner la lumière à l'intérieur d'un tube creux.

En 1998, Yoel Fink, alors étudiant diplômé du MIT, a fabriqué un miroir parfait à partir d'un matériau à bande interdite photonique. D'autres avaient auparavant fabriqué des miroirs spécialisés à partir de fines couches de matériaux diélectriques (matériaux qui contiennent des particules chargées électriquement mais qui ont des propriétés isolantes). Ces miroirs ont des bandes interdites photoniques, et peuvent être des réflecteurs extrêmement efficaces, mais ils ont un défaut majeur : ils ne fonctionnent qu'avec une lumière frappant absolument de face, limitant leur utilisation à des applications spécialisées. Fink a découvert comment créer une version d'un miroir diélectrique qui reflète la lumière qui lui parvient sous tous les angles, comme le matériau devrait le faire au cœur d'un fil de fibre optique.

Une fois que vous avez un tel miroir, voir le potentiel commercial est (pour les chercheurs en photonique, au moins) évident. Fink et deux de ses professeurs du MIT, le physicien John Joannopoulos et le scientifique des matériaux Edwin Thomas, avec Uri Kolodny, ont cofondé OmniGuide. L'objectif de l'entreprise est d'utiliser le miroir parfait comme gainage pour une fibre optique. Imaginez prendre un miroir plat et le plier autour de l'intérieur d'un tube, et vous avez une image brute d'une fibre OmniGuide.

Alors, à quel point les pertes de lumière sont-elles minimes dans une telle fibre de nouvelle génération ? Parce que l'entreprise en est encore à ses débuts, les fondateurs gardent ces informations près de leur poitrine. Tout ce que je suis libre de dire à ce stade, dit Joannopoulos, c'est qu'avec un OmniGuide [fibre] à tube creux, nous pourrions en principe obtenir des pertes inférieures à celles de la fibre optique. Mais pour une industrie des télécommunications qui cherche à faire passer de plus en plus de lumière à travers les réseaux optiques et qui finit par faire face aux limites des fibres de la génération actuelle, même des déclarations aussi soigneusement formulées sont alléchantes.

L'entreprise développe une série de produits fibre basés sur le concept OmniGuide. Ces fibres sont, en théorie, beaucoup plus efficaces pour transmettre la lumière qu'une fibre optique standard. En effet, ils devraient être capables de surmonter les limitations actuelles des fibres de verre, en obtenant, entre autres choses, moins de perte de signal lorsque la lumière se déplace le long de la fibre. Une telle performance accrue est possible, explique Fink, maintenant professeur adjoint de science des matériaux au MIT, car nous pouvons atteindre un degré de confinement inégalé.

Les fibres OmniGuide devraient être capables de transmettre des signaux beaucoup plus intenses que les fibres optiques normales. La lumière de haute intensité voyageant dans les fibres de verre souffre de distorsions qui peuvent perturber la transmission de signaux à différentes longueurs d'onde, provoquant une diaphonie entre les canaux à moins qu'ils ne soient largement séparés en fréquence. Cet effet limite le nombre de longueurs d'onde différentes que vous pouvez insérer dans une fibre de verre conventionnelle, ainsi que leur luminosité. Comme les signaux dans l'air ne subissent pas ces effets, explique Fink, la fibre OmniGuide peut transmettre des signaux à des puissances plus élevées, avec des canaux plus rapprochés. C'est une excellente nouvelle pour les entreprises de télécommunications, car les signaux plus forts voyagent plus loin avant que les pertes ne commencent à les compromettre, et des canaux plus proches signifient que davantage de données peuvent être emballées dans une plage de longueurs d'onde donnée.

L'approche du MIT, cependant, n'est qu'une façon de fabriquer une fibre photonique. D'autres chercheurs ont produit des matériaux à bande interdite photonique qui, en coupe transversale, ressemblent à un nid d'abeilles dans lequel les trous forment des structures qui refusent l'entrée à la lumière de certaines longueurs d'onde. Ces types de cristaux photoniques, fabriqués pour la première fois à la fin des années 1980, bloquent également presque totalement la lumière. Les fibres de verre fabriquées à Bath, par exemple, sont traversées par un réseau ordonné de trous parallèles au fil sur toute sa longueur ; au centre se trouve un noyau vide dans lequel la lumière peut être presque parfaitement confinée. Pour donner une indication de la précision impliquée dans la fabrication des fibres, si les longs trous parallèles avaient le diamètre du Chunnel reliant l'Angleterre et la France, les fibres expérimentales fabriquées à Bath atteindraient Jupiter. Comment percer des tunnels aussi parfaits à travers un fil de verre plus fin qu'un cheveu humain ?

Heureusement, les trous n'ont pas besoin d'être percés du tout. Ils sont ingénieusement construits en tirant les fibres de verre d'un faisceau de tubes capillaires creux. Les tubes sont emballés ensemble dans un réseau hexagonal de quelques centimètres de largeur, et le faisceau est chauffé pour ramollir le verre. Au fur et à mesure que le réseau est étiré en une fibre fine, sa section transversale se rétrécit d'un facteur mille environ, mais reste percée de trous.

Initialement, les physiciens de Bath ont réalisé un canal conducteur de lumière au cœur de la fibre en substituant une tige de verre solide au capillaire de verre central. Mais encore mieux que de transporter la lumière dans un noyau solide serait de l'envoyer à travers un noyau creux traversant de l'air, avec les très faibles pertes et l'absence de distorsion que cela implique. En collaboration avec Douglas Allan, chercheur à Corning, l'équipe de Bath a réussi à confiner la lumière dans une fibre à cristal photonique à noyau creux en 1999. Récemment, ils ont formé des fibres optiques de plusieurs mètres de long à partir de leurs nouveaux matériaux.

Finition photonique

Reprendre les fibres optiques existantes sera un défi de taille. Les fibres de verre conventionnelles ont été optimisées sur plusieurs décennies et sont fabriquées à l'aide d'une technologie bien ancrée. En revanche, les nouvelles fibres photoniques représentent une inconnue de fabrication. D'une part, leur structure doit être exacte. Les systèmes [de fabrication] existants ne sont tout simplement pas à la hauteur, admet Russell.

Pourtant, les entreprises font la queue pour relever les défis de la commercialisation. Fink dit qu'OmniGuide travaille sur une série de produits basés sur des fibres de différentes longueurs. Les projets incluent le développement de dispositifs actifs à base de fibres pour la commutation optique, ainsi que le développement de fibres pour la transmission de la lumière sur 10 à 100 mètres, qui pourraient être utiles pour des tâches telles que la connexion de serveurs sur de courtes distances. Les fibres longue distance pour les réseaux de télécommunications auront le plus grand impact, dit Fink, mais celles-ci prendront un peu de temps.

Des chercheurs du groupe Bath ont lancé leur propre spin-off, BlazePhotonics, et ont obtenu des financements de sociétés de capital-risque au Royaume-Uni et aux États-Unis. Au Danemark, une entreprise appelée Crystal Fibre, lancée par des scientifiques de l'Université technique du Danemark à Lyngby qui ont été les premiers collaborateurs du groupe Bath, fabrique des fibres photoniques avec un noyau de verre solide. Bien que ses produits initiaux puissent servir à des fins telles que le confinement de la lumière dans des lasers de haute précision, personne ne perd de vue le gros lot. Les télécommunications sont définitivement l'objectif à moyen terme, déclare le PDG Michael Kjaer.

Comme les fondateurs de Crystal Fibre au Danemark, les scientifiques de Corning ont travaillé en étroite collaboration avec les chercheurs de Bath dans le passé, mais ils se lancent désormais seuls sur le marché. Jim West rapporte que l'entreprise peut désormais fabriquer des fibres photoniques jusqu'à une centaine de mètres de long. Mais il réserve son jugement quant à savoir si les nouveaux matériaux finiront par transformer l'autoroute de l'information. Les fibres optiques conventionnelles, souligne-t-il, sont un acte difficile à surpasser. Ce n'est que lorsque vous commencez à travailler avec les versions de pointe que vous réalisez à quel point elles sont remarquables.

Bien que l'envoi de lumière dans l'air puisse résoudre bon nombre des limitations des fibres d'aujourd'hui, cela pose ses propres problèmes. D'une part, la composition de l'air n'est pas uniforme ; en conséquence, la lumière peut être transmise différemment dans différentes parties du monde. L'air au Royaume-Uni est très différent de l'air au Sahara, explique West.

C'est une technologie fascinante, dit West à propos de la nouvelle génération de fibres à cristaux photoniques, mais il reste encore beaucoup de chemin à parcourir.

Pourtant, si ces nouveaux matériaux finissent par réaliser leur potentiel de transformation de la transmission longue distance dans l'industrie des télécommunications, ce sera un voyage qui en vaut la peine.

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