Comment tout comprendre de la technologie de la fibre optique?

Quelle technologie se cache derrière la fibre optique? Ce moyen de transmission d’information reste obscure pour toi? Pas de panique, je vais tout t’expliquer et tu vas voir que c’est simple comme bonjour!

Qu’est-ce que la lumière ?

La première question à laquelle je me dois de répondre pour te parler de la technologie de la fibre optique est la suivante : qu’est-ce que la lumière ?

Ce n’est pas facile de répondre à cette question !

La lumière est invisible

Pour commencer, je voulais préciser que la lumière est invisible ! Et bien oui ! Aussi étrange que cela paraisse, on ne voit pas la lumière ! Ce que l’on voit, par contre, ce sont les objets qui sont éclairés !

Tu ne me crois pas ? Alors je te poserais simplement une petite question : est-ce que tu vois les rayons du soleil ? Tu sais, les jolis traits jaunes qui partent du soleil dessiné par les enfants ! Et bien non ! Tu ne les vois pas ! Tout du moins, la plupart du temps ! Lorsque tu en aperçois quelques-uns, c’est parce qu’il y a de la poussière, des particules ou encore du brouillard dans le ciel qui sont alors éclairés par la lumière du soleil.

Si tu veux reproduire ce phénomène chez toi, il te suffit d’observer un laser (attention aux yeux !) Lorsque tu allumes ton laser, tu vois un point rouge sur le mur en face de toi mais tu ne vois pas le rayon laser. Maintenant si tu jettes de la poussière (de craie par exemple) sur le chemin de la lumière, tu verras la lumière du laser apparaitre !

Tu penseras à moi la prochaine fois que tu verras un film d’action où le héros met un coup de spray pour faire apparaitre la lumière des lasers qui bloque son passage !

La lumière se propage en ligne droite

Deuxième chose qu’il faut savoir sur la lumière, c’est qu’elle se propage en ligne droite. Tu remarqueras que quand je parle de lumière, je ne dis pas qu’elle se déplace mais qu’elle se propage… Il s’agit-là d’une petite subtilité de la langue française qui prend en compte le fait qu’il n’y a pas de déplacement de matière lorsque l’on s’intéresse à une onde.

Si tu veux observer la propagation de la lumière par toi-même, il te suffit de prendre 2-3 feuilles de carton dans lesquelles tu fais un petit trou. Tu les superposes ensuite en laissant un espace entre les feuilles et tu alignes les cartons avec une source de lumière (dont l’intensité n’est pas dangereuse pour tes yeux, bien évidemment !) Si les trous ne sont pas alignés, tu ne pourras pas voir la lumière issue de la source que tu observes ! Par contre, si les trous sont alignés, alors tu verras la lampe à l’origine de la lumière.

C’est donc que la lumière se propage toujours en ligne droite …tout du moins dans un milieu homogène et transparent^[1] !

Petite précision : un milieu homogène est un endroit où les caractéristiques chimiques et physiques sont identiques en tout point. La pièce où tu te trouves est probablement un milieu homogène avec de l’air et une température précise. Par contre, l’été, quand il fait bien chaud, l’air ambiant n’est pas homogène ! Il est plus chaud près du sol qu’à quelques mètres d’altitude. C’est ce qui explique que la lumière nous joue parfois des tours dans ces conditions. Ce sont les fameux mirages !

La lumière se propage vite !

En plus de se propager en ligne droite, la lumière va vite…très vite ! On estime sa vitesse à 300 000km/s (ou plus précisément 299 792 458m/s, vitesse définie lors de la conférence des poids et mesures de 1983^[2]). On appelle cette vitesse la célérité si tu veux tout savoir ! Cette vitesse est exacte dans le vide et on la considère comme exacte dans l’air également. Par contre, la lumière se propage plus lentement dans l’eau (230 000km/s) ou dans le verre (200 000km/s).

A quoi sert la technologie de la fibre optique ?

Bon, maintenant que tu sais tout de la lumière, on va pouvoir s’intéresser à la fibre optique !

Qu’est-ce que la fibre optique ? Et bien il s’agit tout simplement d’un câble dans lequel une lumière se propage et cette lumière permet d’envoyer des informations.

Mais comment la lumière peut transporter des informations ?

Transmission d’un message numérique

Revenons à la base du numérique : toutes les informations numériques sont codées au format binaire. Je t’ai perdu ? Attends, tu vas voir, c’est simple ! Chaque lettre et chaque chiffre sont traduits par une suite de 0 et de 1.  

Un petit exemple avec les chiffres de 0 à 9 :

Chiffre	0	1	2	3	4	5	6	7	8	9
Code binaire équivalent	0000	0001	0010	0011	0100	0101	0110	0111	1000	1001

Je te laisse imaginer la suite ! Plus le temps passe, plus la technologie s’améliore et plus il y a de 0 et de 1 pour coder quelque chose et non pas seulement 4 chiffres (que l’on appelles des bit) comme sur mon exemple ! Aujourd’hui, on ne travaille pas avec des codes à 4 bits mais avec 8, 16, 32 voire 64 bits ! Je te laisse imaginer l’immensité des possibilités qui s’ouvres à nous avec ce codage !

Imaginons que tu veux envoyer un mail à ta meilleure copine qui habite à l’autre bout de la Terre. Tu écris le mail et tu appuies sur le bouton « envoyer ». Aussitôt, la suite de lettres que tu as écrite est transformée en une suite de 0 et de 1.

Pourquoi cette transformation ? Tout simplement parce que c’est le seul moyen que l’on a trouvé pour envoyer de l’informations à l’autre bout de la Terre de manière sûre et très rapide !

Comment envoyer les chiffres 1 et 0 à l’autre bout de la Terre ? Tout simplement en les traduisant par un courant électrique : 0 = les électrons ne bougent pas. 1= les portes sont ouvertes, les électrons peuvent bouger.

Le mail que tu viens d’écrire est donc transformé en électrons qui passent ou pas. Et les électrons vont jusqu’à l’autre bout de la Terre. Là-bas, un récepteur va transformer ces électrons qui sont arrivés (ou pas) en 1 (ou 0) puis, l’ordinateur de ton amie va faire la bascule entre le code binaire et les mots que tu lui as envoyés.

La technologie de la fibre optique pour transmettre de l’information

La transmission par fibre optique garde le même principe ! Les 0 et les 1 sont toujours bien présents ! Par contre, ils ne sont plus codés sous forme d’électrons qui se déplacent mais sous forme d’une lumière qui serait allumée ou pas !

Prends une lampe torche et éteint la lumière de la pièce où tu te trouves. Allume ta lampe torche, éteins-la, rallume-la, éteint-la…voilà tu imites la fibre optique !

J’ai l’habitude de te proposer ici des expériences faciles à faire avec le matériel que tu as à la maison ou que tu peux facilement te procurer. C’est pour cela que je ne te propose pas d’expérience à faire avec la fibre optique, cela reste du matériel assez spécifique. Néanmoins, si tu es motivé∙e, tu trouveras facilement des expériences à faire comme celle-ci que j’ai trouvé particulièrement intéressante : transmission d’information par la lumière.

Qu’est-ce que la fibre optique ?

Vu de l’extérieur, une fibre optique ressemble beaucoup à n’importe quel câble que tu pourrais trouver autour de toi.

Mais amusons-nous à décortiquer un peu ce câble !

A l’intérieur de celui-ci, il y a des mini-câbles. Si tu regardes encore d’un peu plus près ces mini-câbles, tu vas découvrir qu’il y a encore des mini-mini-câbles à l’intérieur. Maintenant, si on s’intéresse à un seul de ces mini-mini-câbles tu vas pouvoir observer la fibre optique elle-même ! Il s’agit d’un tube fait en verre très pur. Le fait que le verre soit très pur permet à la lumière de ne pas être absorbée (ou très peu) par les parois. Autrement dit la fibre optique permet d’envoyer de la lumière sur de très longues distances sans perdre (trop) l’intensité du signal.

Il faut savoir que le câble de fibre optique peut avoir différentes structures. Sans entrer dans les détails, je voulais simplement te signaler que la fibre optique elle-même, le tuyau en verre dans lequel se déplace la lumière, a un diamètre qui n’excède pas quelques dizaines de micromètres (ça peut aller jusqu’à 250µm, soit l’équivalent de l’épaisseur de l’un de tes cheveux !)^[3].

D’un côté de la fibre optique, il y a quelque chose qui produit de la lumière, que l’on appelle un émetteur (en l’occurrence une petite diode laser) et de l’autre, il y a quelque chose qui est capable de réceptionner la lumière (autrement dit un capteur optique)

Quels sont les avantages et les utilisations de la technologie de la fibre optique ?

Pourquoi passer d’une communication à travers un câble en cuivre à une communication par fibre optique ? Il y a plusieurs réponses à cette question !

Un débit augmenté

Tout d’abord, la fibre optique permet d’avoir un bien meilleur débit que le cuivre. Autrement dit, tu vas pouvoir recevoir plus d’information en moins de temps (et donc regarder un film en streaming sans difficulté !) Note que l’information se déplace à la même vitesse qu’elle soit dans une fibre optique ou un câble de cuivre (soit environ 70%-75% de la vitesse de la lumière dans le vide, avec un record à 99% de la visite de la lumière^[4]). C’est bien la quantité d’information que tu vas pouvoir recevoir durant un temps donné qui sera plus importante dans le cas de la fibre optique^[5]. D’ailleurs en 2017, un record de débit a été homologué : 10,16 pétabits par seconde^[6] (pétabit ? Non, je ne suis pas en train de t’insulter ! C’est un 1 suivi de…15 zéros !!! Et pour rappel, un bit est un 1 ou 0…ce fameux code binaire qui permet de transmettre de l’information !)

Autre chose qu’il est intéressant de noter c’est que le haut débit de la fibre optique est utilisé aussi bien pour envoyer des informations que pour en recevoir^[7] ! Ce n’est pas le cas avec un classique câble en cuivre. Eh oui ! Quand on te dit que l’ADSL (qui est une communication à base de câbles de cuivre) est rapide, il faut savoir que cette rapidité n’est pas accessible dans les deux sens de transmission de l’information !

Insensible au variation magnétique

Un autre avantage est que la fibre optique est insensible aux variations électromagnétiques, en particulier lors des orages. Lorsque tu utilises un câble en cuivre pour transmettre de l’information, tu peux rencontrer quelques problèmes de transmission si le câble est soumis à des variations du champ électromagnétique : câble électrique voisin, orage…Rien de tout cela avec une fibre optique !

Domaines d’application de la technologie de la fibre optique

Tous ces avantages font que la fibre optique trouve différents domaines d’application. En premier lieu, il y a bien évidemment le réseau numérique qui nécessite des transferts de données toujours plus importants. Ceux qui jouent à des jeux en ligne apprécient sa rapidité de réponse (on parle de faible latence) tandis que ceux qui partagent des fichiers volumineux (vidéo par exemple) apprécient de pouvoir télécharger rapidement ceux-ci. De manière générale, tous les câbles transcontinentaux qui forment le squelette du réseau internet mondial, sont faits de fibres optiques.
Mais l’utilisation de la fibre optique ne s’arrête pas là ! En effet, on la retrouve également dans l’industrie et aussi la médecine avec, par exemple, le gastroscope. Une application fort sympathique : la fibre optique permet de faire de très jolies décorations lumineuses !

La fibre optique est-elle adaptée à toutes les utilisations ?

Dernière question : pourquoi, si la fibre optique est si avantageuse, ne la trouvons-nous pas dans tous les câbles qui permettent d’échanger de l’information ? Je veux dire, quand je câble mon téléphone portable à mon ordinateur pour récupérer les photos, ce n’est pas un câble de fibre optique que j’utilise. Pourquoi ?

Tout simplement parce qu’avant et après la fibre optique, tu as besoin d’un convertisseur : le signale numérique de l’ordinateur (le mail que j’écris par exemple) doit être transformé en signal lumineux avant d’être envoyé dans la fibre optique, puis doit être à nouveau transformé pour redevenir un signal numérique que pourra lire l’ordinateur de mon correspondant ! Et cette transformation prend du temps.

Donc si on veut que la fibre optique soit intéressante en terme de durée de la transmission, il faut que le transfert d’information se fasse sur une longue distance, pas sur une distance de quelques centimètres entre ton téléphone et ton ordinateur !  

Et voilà, la fibre optique n’a plus de secret pour toi!

Alors, as-tu la fibre optique chez toi?

Bibliographie

• [1]         J. Loicq, « Une histoire de la lumière », présenté à Y pas de Lezart – Biennale d’art plastique, oct. 2011. Consulté le: 27 octobre 2022. [En ligne]. Disponible sur: https://orbi.uliege.be/handle/2268/124060
• [2]         « Rechercher – BIPM ». [BIPM] Annexe 1 – Décisions de la CGPM et du CIPM https://www.bipm.org/fr/search?p_p_id=search_portlet&p_p_lifecycle=1&p_p_state=normal&p_p_mode=view&_search_portlet_javax.portlet.action=search&_search_portlet_source=BIPM (consulté le 27 octobre 2022).
• [3]         B. B. F. www.blackbox.fr S. A. S., « 3752 – Constitution d’un câble fibre optique », Black Box. https://www.blackbox.fr/fr-fr/page/27220/Information/Technique/black-box-explique/Cables-fibre-optique/constitution-dun-cble-fibre-optique (consulté le 27 octobre 2022).
• [4]         « Des chercheurs battent les records de vitesse et latence avec un réseau de fibre optique opérant à 99,7 % de la vitesse de la lumière », Developpez.com. https://www.developpez.com/actu/53487/Des-chercheurs-battent-les-records-de-vitesse-et-latence-avec-un-reseau-de-fibre-optique-operant-a-99-7-pourcent-de-la-vitesse-de-la-lumiere/ (consulté le 27 octobre 2022).
• [5]         Jean-Baptiste, « Côté sciences : pourquoi la fibre optique est plus “rapide” que les câbles électriques ? », Presse-citron, 31 janvier 2013. https://www.presse-citron.net/cote-sciences-pourquoi-la-fibre-optique-est-plus-rapide-que-les-cables-electriques/ (consulté le 27 octobre 2022).
• [6]         « Success of ultra-high capacity optical fiber transmission breaking the world record by a factor of five and reaching a 10 Petabits per Second ». https://www.kddi-research.jp/english/newsrelease/2017/092201.html (consulté le 27 octobre 2022).
• [7]         C. de l’Europe A. parlementaire Session, Compte rendu des débats. Council of Europe, 1994.