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 faire la lumière sur cette technologie 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 se propage en ligne droite

La première chose qu’il faut savoir sur la lumière, c’est qu’il s’agit d’une onde formée de toutes petites particules qui s’appellent des photons. Cette onde lumineuse se propage en ligne droite jusqu’à ce qu’elle soit déviée de sa trajectoire.

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 mets ensuite l’une devant l’autre en laissant un espace entre les feuilles. Mets une source de lumière (dont l’intensité n’est pas dangereuse pour tes yeux, bien évidemment!) d’un côté des cartons et place-toi à l’opposé. 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 très 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 de propagation 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.

A quoi sert la technologie de la fibre optique ?

Bon, maintenant que tu sais tout (ou presque) 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 un faisceau lumineux 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 (que l’on appelle des bits).  

Un petit exemple avec les chiffres de 0 à 9 :

Je te laisse imaginer la suite ! Plus la technologie s’améliore et plus il y a de bits pour coder quelque chose (et non pas seulement 4 bits comme dans mon exemple). Aujourd’hui, on travaille avec des codes à 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 que l’on peut facilement envoyer à l’autre bout de la Terre de manière sûre et très rapide.

Pour envoyer ces bits, on les traduit en courant électrique (par ici pour un petit rappel sur ce qu’est l’électricité) : 0 = les électrons ne bougent pas. 1= les portes sont ouvertes, les électrons peuvent bouger.

Lorsque la suite d’électrons arrive à l’autre bout de la Terre, un récepteur va les transformer pour retrouver les lettres écrites dans le message.

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

La transmission de données 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’un rayon lumineux qui serait allumé 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, éteins-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 et ces mini-câbles…et bien c’est 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. Par contre, le verre va être capable de renvoyer le rayon lumineux pour qu’il puisse continuer sa route. On parle alors d’indice de réfraction. Grâce à cela, 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 une source lumineuse 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).

Les photons peuvent se déplacer selon différentes longueurs d’onde, ce qui explique que nous pouvons voir de la lumière rouge, bleue… Alors que la lumière qui nous vient du soleil est un mélange de toutes ces longueurs d’onde (on parle de lumière blanche), le faisceau lumineux d’une fibre optique est monochromatique, c’est-à-dire qu’il ne contient qu’une seule longueur d’onde.

Avantages et utilisations de la technologie de la fibre optique ?

Pourquoi passer d’une communication à travers un câble en cuivre à une communication lumineuse 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. Tu vas donc pouvoir recevoir plus d’information en moins de temps. 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 vitesse 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 !)

Ton raccordement au réseau de la fibre optique va donc te permettre d’avoir accès à du très haut débit! Tu peux demander à tes parents (ou à ton fournisseur d’accès internet, pour savoir si tu es déjà raccordé à la fibre, ou si tu es éligible, ou si, comme moi, tu peux simplement regarder ailleurs comment ça se passe!

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 données!

Insensible au variation du champ 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. Il y a bien évidemment le réseau téléphonique et internet avec le déploiement progressif de la fibre optique pour garantir un accès internet haut-débit au plus grand nombre. 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. 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 de grandes longueurs, 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 de la technologie de la fibre optique

• [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.