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De l’air au centre des fibres optiques pour guider la lumière


“Guider la lumière à travers l’air pourrait permettre de s’affranchir des limites du verre, ouvrant ainsi un large éventail de possibilités.”


Alors que les besoins en très haut débit augmentent, plusieurs équipes de recherche développent une nouvelle génération de fibres optiques, appelées “fibres à cœur creux”, qui pourraient permettre d’améliorer certaines propriétés de la propagation de la lumière par rapport aux fibres de verre conventionnelles. Cette technologie, dont les performances progressent rapidement, pourrait par exemple être utilisée dans les communications à faible latence dans les réseaux 5G ou certains instruments optiques comme en médecine ou dans le milieu industriel qui nécessite une puissance optique forte.

L’utilisation du verre de silice dans les fibres optiques a eu des impacts profonds dans de nombreux domaines, des télécommunications à l’imagerie, en passant par la découpe et la soudure laser ou l’éclairage. Dans le domaine des télécommunications, les fibres monomodes sont des tubes de verre pleins qui permettent la transmission de données à très haut débit sur de longues distances.

Les fibres de verre ont permis d’accomplir des prouesses depuis un demi-siècle pour connecter les continents et maintenant chacun de nous. Environ 500 millions de kilomètres de fibre sont produits chaque année. Soumise à des limitations inhérentes aux propriétés du verre, la propagation de la lumière peut avoir des limitations techniques. La diffusion de la lumière dans le verre, en particulier, peut avoir des impacts à forte puissance optique.

Guider la lumière à travers l’air ‒ c’est le principe des fibres à cœur creux ‒ pourrait permettre de s’affranchir de cette limite, ouvrant ainsi un éventail de possibilités.

Fibres à cœur creux vs fibres conventionnelles

Une fibre optique est composée d’un cœur dans lequel se propage la lumière, d’une gaine qui confine la lumière dans le cœur, et d’un revêtement de protection. Alors que les fibres conventionnelles sont généralement constituées d’un cœur en silice, les fibres creuses sont formées d’un noyau creux entouré de plusieurs canaux d’air (on parle de fibres microstructurées).

Les propriétés de guidage de la lumière de cette catégorie de fibres proviennent de leur structure plutôt que des caractéristiques du matériau utilisé dans le cœur. Elles dépendent notamment du nombre de tubes entourant le noyau, de leur diamètre et de leur espacement. En faisant varier ces valeurs, on peut faire changer de nombreux paramètres. Plusieurs types de microstructures ont donc été développés au fil du temps, comme le décrit cet historique dressé par The Optical Society.

Des progrès rapides 

Si les pertes de propagation des fibres à âme creuse étaient initialement beaucoup plus élevées que celles des fibres conventionnelles, plusieurs méthodes ont été mises au point pour combler l’écart. Ces dernières années, des équipes de chercheurs ont dévoilé des fibres à cœur creux présentant des pertes très réduites, se rapprochant des performances des fibres de verre, à des longueurs d’onde pertinentes pour plusieurs applications commerciales.

Dans une étude publiée dans “Nature Communications”, des chercheurs de l’université de Southampton, au Royaume-Uni, affirment qu’il est possible de surmonter la limite d’atténuation fixée par le verre grâce à une nouvelle famille de fibres creuses, développées depuis plus de dix ans au sein de l’Optoelectronics Research Centre sous la dénomination de “Nested Antiresonant Nodeless Fibers” (NANF).

Ils ont mis au point trois fibres à cœur creux, avec des longueurs d’onde comprises entre 600 et 1 100 nm (application hors télécom), présentant selon eux des pertes comparables ou inférieures à celles obtenues avec des fibres de verre à cœur plein. À titre indicatif, ils précisent : “Alors que la perte absolue minimale atteinte à 1 550 nm (application télécom) n’est que de 0,142 dB/km, la perte la plus faible signalée à des longueurs d’onde plus courtes et technologiquement plus pertinentes de 1 060, 830 et 630 nm passe à 0,57, 1,6 et 4,5 dB km-1 respectivement.” Des records de ce niveau ne peuvent être atteints qu’avec des fibres de très haute qualité.

Télécommunications : des réseaux 5G au trading à haute fréquence

Ces progrès laissent entrevoir la possibilité de mettre au point, dans les prochaines années, des fibres de ce type pour les télécommunications. Une part importante de la recherche et développement menée sur les fibres à cœur creux se consacre en effet à leurs applications pour les télécommunications, où plusieurs expériences de transmission de données ont été menées au cours des dernières années pour réduire la latence. En effet, l’indice de réfraction de l’air (environ 1) étant inférieur à celui de la silice (environ 1,5), la lumière se propage plus vite dans une fibre à cœur creux.

En juin 2021, l’opérateur britannique BT a annoncé mener des essais avec un câble à fibres à cœur creux de 10 km de long, fourni par Lumenisity, entreprise issue de l’université de Southampton. Ce câble doit être utilisé pour tester une variété de cas d’usage, notamment dans le domaine des réseaux 5G ou celui des communications ultra-sécurisées, comme la distribution quantique de clé (QKD). Selon BT, cette technologie pourrait potentiellement réduire la latence jusqu’à 50 %, ce qui “apporterait une variété de bénéfices, allant du trading à haute fréquence à la baisse des coûts du réseau mobile”.

La fibre à cœur creux est d’ailleurs déjà utilisée pour connecter les bourses de Chicago et New York où les “traders à haute fréquence” ne cessent de repousser les limites (à l’aide notamment d’algorithmes) pour réduire le temps nécessaire pour effectuer des transactions et gagner un avantage sur leurs concurrents. (https://www.wsj.com/articles/high-frequency-traders-push-closer-to-light-speed-with-cutting-edge-cables-11608028200)

Améliorer les outils endoscopiques en médecine

Aujourd’hui, la fibre optique est utilisée en médecine, aussi bien pour le diagnostic que pour le traitement. Elle a notamment permis de mettre au point de nouveaux outils endoscopiques améliorant la qualité des interventions tout en réduisant leur caractère invasif.

Des chercheurs de l’université de Bath (Royaume-Uni) étudient comment la fibre à cœur creux pourrait permettre d’améliorer les techniques de spectroscopie (l’étude des rayonnements électromagnétiques émis, absorbés ou diffusés par la matière), plus précisément les instruments Raman utilisés en endoscopie.

La spectroscopie Raman repose sur l’analyse de l’interaction de la lumière avec des molécules pour obtenir des informations sur la composition ou les caractéristiques d’un échantillon. Plus précisément, cette technique permet de déterminer la signature vibratoire d’une molécule excitée par une lumière monochromatique (guidée par des câbles de fibre optique), ce qui donne des indications sur sa structure et sur son mode d’interaction avec les molécules qui l’entourent. En diagnostic médical, cela peut aider, en complément avec d’autres outils, à identifier certaines maladies. Des médecins espèrent par exemple utiliser la spectroscopie Raman pour mieux détecter des cancers.

Actuellement, le verre qui compose le cœur de la fibre utilisée dans les sondes Raman génère un bruit de fond qui peut noyer le signal de la cible. L’équipe de recherche espère donc qu’une fibre à cœur creux permettra de minimiser ce bruit.

D’autres outils pourraient bénéficier de ces nouvelles avancées dans la conception des fibres optiques, notamment les capteurs environnementaux et les lasers de haute puissance utilisés dans l’industrie.

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