Explication de la fibre optique : comment les longueurs d'onde permettent la transmission de la lumière

Imaginez si les câbles à fibres optiques pouvaient transporter des informations sous différentes couleurs, comme un arc-en-ciel, chaque teinte représentant un canal de données distinct. Dans la communication par fibre optique, les longueurs d'onde servent de « couleurs », déterminant les caractéristiques et l'efficacité de transmission des signaux lumineux. Même si le terme « longueur d'onde » peut sembler un terme ésotérique pour beaucoup, il s'agit en réalité de la clé pour comprendre la technologie de la fibre optique. Cet article démystifie le concept de longueurs d'onde des fibres optiques, leurs principes sous-jacents et leur rôle crucial dans les applications pratiques.

La lumière s’étend bien au-delà de ce que nos yeux perçoivent comme lumière visible. Il fait partie d'un spectre électromagnétique plus large qui comprend divers types de rayonnements, depuis les rayons X à haute énergie et les ondes ultraviolettes jusqu'aux ondes radio et micro-ondes familières, et enfin à la lumière infrarouge utilisée dans les communications par fibre optique. Ce sont tous des rayonnements fondamentalement électromagnétiques, qui se distinguent principalement par leurs longueurs d'onde. Le spectre électromagnétique peut être visualisé comme une vaste palette de couleurs, avec différentes longueurs d'onde correspondant à différentes « couleurs ». La communication par fibre optique sélectionne stratégiquement des « couleurs » spécifiques dans cette palette pour la transmission des informations.

Le rayonnement électromagnétique est généralement décrit en utilisant soit la longueur d'onde, soit la fréquence. La longueur d'onde fait référence à la distance entre les pics ou les creux consécutifs d'une onde lors de sa propagation dans l'espace, généralement mesurée en nanomètres (nm, un milliardième de mètre) ou en micromètres (µm, un millionième de mètre). La fréquence indique le nombre de fois que l'onde oscille par seconde, mesurée en Hertz (Hz). La longueur d'onde et la fréquence partagent une relation inverse : les longueurs d'onde plus courtes correspondent à des fréquences plus élevées, tandis que les longueurs d'onde plus longues indiquent des fréquences plus basses. Pour les longueurs d’onde plus courtes comme celles de la lumière, des ultraviolets et des rayons X, la longueur d’onde est le descripteur préféré. Pour les longueurs d’onde plus longues telles que les ondes radio, les signaux de télévision et les micro-ondes, la fréquence est plus couramment utilisée.

La forme de lumière la plus connue est bien entendu la lumière visible. L'œil humain peut détecter des longueurs d'onde allant d'environ 400 nm (lumière bleue/violette) à 700 nm (lumière rouge). Cette plage s'aligne sur les bandes de rayonnement les plus intenses du soleil, ce qui suggère que notre système visuel a évolué pour percevoir les longueurs d'onde les plus intenses de la lumière solaire – un exemple élégant d'adaptation biologique.

La communication par fibre optique ne repose pas sur la lumière visible mais sur la lumière infrarouge, qui a des longueurs d'onde plus longues, généralement autour de 850 nm, 1 300 nm et 1 550 nm. Le choix de la lumière infrarouge découle de sa plus faible atténuation dans les fibres optiques. L'atténuation dans les fibres résulte de deux facteurs principaux : l'absorption et la diffusion.

• Absorption:Des traces d'eau dans les câbles à fibres optiques absorbent la lumière à des longueurs d'onde spécifiques, créant ainsi des « pics d'absorption d'eau ». Les systèmes à fibre optique doivent éviter ces pics pour maintenir l'intégrité du signal.
• Diffusion:Lorsque la lumière traverse la fibre, elle entre en collision avec des atomes ou des molécules dans le verre, provoquant une diffusion. L'intensité de diffusion est inversement proportionnelle à la quatrième puissance de la longueur d'onde, ce qui signifie que les longueurs d'onde plus longues diffusent moins. Ce principe explique également pourquoi le ciel apparaît bleu : les longueurs d'onde bleues plus courtes se diffusent plus facilement dans l'atmosphère.

Pour minimiser la perte de signal, les systèmes à fibre optique fonctionnent dans le spectre infrarouge, évitant les pics d'absorption d'eau et s'installant sur les trois longueurs d'onde standard : 850 nm, 1 300 nm et 1 550 nm. Heureusement, les diodes laser (ou LED) et les photodétecteurs peuvent être conçus pour fonctionner efficacement à ces longueurs d'onde spécifiques.

Si les longueurs d’onde plus longues subissent moins d’atténuation, pourquoi ne pas les utiliser ? La réponse réside dans la proximité des longueurs d’onde infrarouges avec le rayonnement thermique. Tout comme nous pouvons voir la lueur rouge terne d’une cuisinière électrique et sentir sa chaleur, les longueurs d’onde plus longues deviennent sensibles au bruit thermique ambiant, qui peut interférer avec la transmission du signal. De plus, d’autres pics d’absorption d’eau existent dans la gamme infrarouge.

Contrairement aux fibres de verre, les fibres optiques en plastique (POF) présentent une absorption plus faible aux longueurs d'onde plus courtes. Par conséquent, POF utilise généralement une lumière rouge de 650 nm, bien que 850 nm reste viable pour les applications à courte portée avec des émetteurs à fibre de verre.

Dans les réseaux à fibre optique, les longueurs d'onde sont non seulement critiques pour la transmission mais également pour les tests. L'atténuation du câble doit être mesurée à la même longueur d'onde utilisée pour la transmission du signal. De même, les wattmètres optiques nécessitent un étalonnage à ces longueurs d'onde spécifiques pour évaluer avec précision les performances du réseau.

Le National Institute of Standards and Technology (NIST) propose des services d'étalonnage pour les compteurs de puissance optique aux trois principales longueurs d'onde des fibres optiques : 850 nm, 1 300 nm et 1 550 nm. Les fibres multimodes sont généralement conçues pour 850 nm et 1 300 nm, tandis que les fibres monomodes sont optimisées pour 1 310 nm et 1 550 nm. La légère différence entre 1 300 nm et 1 310 nm provient des conventions terminologiques historiques établies par AT&T, où les fibres monomodes utilisaient des lasers à 1 310 nm et les fibres multimodes utilisaient des LED à 1 300 nm.

Les systèmes de télécommunications modernes utilisent largement les techniques de multiplexage par répartition en longueur d'onde (WDM), notamment le WDM dense (DWDM) et le WDM grossier (CWDM). Le WDM permet à une seule fibre de transporter simultanément plusieurs « couleurs » de lumière, chaque couleur représentant un canal de données indépendant. Dans les systèmes WDM, les lasers sont réglés avec précision sur des longueurs d'onde distinctes, suffisamment espacées pour maximiser la capacité mais suffisamment espacées pour éviter les interférences. Cela ressemble à la radiodiffusion FM, où les stations fonctionnent sur des fréquences différentes. WDM utilise toute la gamme de longueurs d’onde de 1 260 nm à 1 670 nm, divisée en bandes spécifiques.

Un aspect critique mais souvent négligé de la fibre optique est la sécurité. Étant donné que la plupart des systèmes à fibres optiques fonctionnent en dehors du spectre visible, la lumière transmise est généralement invisible à l'œil nu. Ne regardez jamais directement l'extrémité d'une fibre pour vérifier les signaux : certains systèmes à haute puissance comme le CATV et le DWDM peuvent émettre des rayonnements dangereux. Vérifiez toujours les niveaux de puissance optique avec un compteur calibré avant de manipuler les connexions fibre.

Comprendre les longueurs d'onde des fibres optiques est fondamental pour maîtriser la technologie de communication optique. En décryptant le « code couleur » de la fibre optique, les professionnels peuvent optimiser la conception du réseau, dépanner efficacement et repousser les limites des capacités de transmission de données.