Comment cela est-​il possible, alors que, comme nous le savons, la lumière se propage généralement en ligne droite? Qu’est-​ce qui permet aux minces faisceaux lumineux de rester dans les fibres de verre qui suivent un parcours sinueux, de se propager si loin et de véhiculer tant d’informations? Tout cela est rendu possible par une lumière d’un type particulier: la lumière cohérente.

Les propriétés de la lumière cohérente

Pour comprendre les avantages qu’un rayon de lumière cohérente présente par rapport à un rayon de lumière ordinaire en matière de communication, comparons les photons lumineux qui circulent dans une fibre optique à des hommes qui marchent sur une route. Un rayon de lumière diffuse correspondrait à une foule d’hommes de tailles diverses qui avancent d’une façon désordonnée et en se bousculant les uns les autres. Par contre, on pourrait comparer un rayon de lumière cohérente à des soldats qui ont tous la même taille, qui sont tous alignés et marchent tous au pas. De toute évidence, l’absence de bousculade permettrait à un plus grand nombre d’hommes de parcourir des distances plus importantes, et ce, plus rapidement et en se fatiguant moins. Il en va de même avec la lumière cohérente.

Peut-être vous demandez-​vous maintenant pourquoi on a mis si longtemps à utiliser la lumière sous cette forme, pourquoi on n’y a pas pensé plus tôt. En fait, il ne s’agit pas là d’une idée entièrement nouvelle. En 1880, un homme au moins, Alexander Graham Bell, avait déjà discerné les avantages de la communication par voie optique. D’ailleurs, il publia cette année-​là en anglais un document intitulé “Le sélénium et les photophones”.

Cet homme avait vu juste, mais sans la lumière cohérente son invention ne rencontrerait qu’un succès limité. Ce n’est que dans les années 1960 que la première exigence technique fut satisfaite avec l’apparition du LASER (de l’anglais Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, ce qui veut dire en français Amplification de la lumière par l’émission stimulée du rayonnement). Graham Bell ne disposait pas non plus du second élément indispensable, un conducteur optique très performant pour transmettre l’information.

Ces ingénieux conduits lumineux — quel est leur secret?

Tandis que des scientifiques poursuivaient les recherches sur les rayons laser, d’autres inventaient et perfectionnaient des verres d’une grande transparence qui, grâce à leur ingénieuse composition, permettaient à la lumière cohérente du rayon laser de parcourir de très longues distances. Ces matériaux furent ensuite présentés sous forme de fibres aussi ténues qu’un cheveu.

La plupart d’entre nous ont sans doute déjà vu des boules lumineuses, hérissons de fibres de verre servant d’objets décoratifs. Elles sont constituées de bouts de fibre de verre ou de plastique, disposés en bouquet et illuminés par le bas, généralement avec une ampoule ordinaire. Cela montre qu’il est possible à la lumière de se propager le long de fibres de verre et de suivre les courbes que celles-ci dessinent, au lieu de se déplacer en ligne droite comme elle le fait normalement (figure 1). Dans ces objets décoratifs, la lumière ne parcourt que de très petites distances.

Pour que la lumière puisse parcourir des distances beaucoup plus longues, on entoure certaines fibres de gaines spéciales en verre ou en plastique. Ces gaines renvoient dans la fibre optique les rayons de lumière qui auraient tendance à s’en échapper et empêchent ainsi toute perte lumineuse. Il existe de nombreuses variantes dans la structure et la composition de ces gaines, mais toutes permettent à leur manière et dans des conditions particulières d’accroître la distance parcourue par la lumière (figure 2).

Ces fils ou fibres de verre améliorent beaucoup nos possibilités de transport et de guidage de la lumière. Cependant, il faut pour cela injecter le faisceau lumineux dans les fibres sous un angle inférieur ou égal à l’angle critique. Nous comprenons mieux ce principe si nous pensons à la surface des eaux d’un lac qui se comportent comme un miroir. En effet, ces eaux reflètent parfois l’image des arbres plantés sur les berges par exemple. Cet effet de miroir est dû au fait que la lumière atteignant nos yeux arrive sous un angle très bas. Sous cet angle particulier, appelé angle critique, la surface de l’eau reflète la lumière comme un miroir. D’une manière similaire, quand la lumière est injectée dans les fibres optiques sous un angle inférieur ou égal à l’angle critique, elle est réfléchie à l’intérieur de la fibre, comme par un jeu de miroirs, et la déperdition lumineuse est très faible.

On pense que les rayons lumineux pourront parcourir jusqu’à 40 kilomètres ou plus le long de ces minuscules fibres sans qu’il soit nécessaire de régénérer la lumière. Les perspectives d’avenir sont encore plus encourageantes. Selon un récent rapport, on fabrique maintenant des fibres performantes à très faible déperdition, “capables de transmettre les signaux lumineux à des milliers de kilomètres sans répéteur”.

Afin de protéger ces merveilleux conduits de lumière, il faut les entourer d’une gaine constituée de plusieurs couches de matières protectrices. En outre, on les associe souvent à des fibres et à des fils métalliques très résistants, ainsi qu’à des conducteurs électriques pour former de petits câbles (figure 3). Protégées dans des câbles, ces fibres de verre ont une capacité de transport d’information sans commune mesure avec celle des courants électriques parcourant les fils de cuivre ordinaires. C’est vrai notamment pour les communications à longues distances. Mais comment les informations, les images et les paroles sont-​elles transmises au moyen de ce type de lumière spécifique véhiculée par ces minuscules fibres optiques?

Comment peuvent-​elles transmettre autant d’informations?

Si les rayons lumineux spéciaux et les ingénieuses fibres de verre dont nous venons de parler ont de quoi nous impressionner, on peut en dire autant de leur façon de véhiculer des quantités stupéfiantes d’informations. L’un de leurs principaux secrets est lié à la vitesse phénoménale de la lumière, 300 000 kilomètres à la seconde environ; un autre, à la fréquence extrêmement élevée des ondes lumineuses, qui atteint des milliards de cycles par seconde. En tirant parti de ces fréquences élevées et en codant les impulsions lumineuses, on peut véhiculer des quantités prodigieuses d’informations par le biais des faisceaux lumineux qui se propagent le long des minuscules fibres optiques.

[Illustrations/Schémas, page 20]

La lumière se propage par réflexion et reste confinée à l’intérieur de la fibre optique.

Des fibres et des fils métalliques à haute résistance renforcent les câbles optiques.

La gaine de verre ou de plastique réduit la déperdition de lumière.