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Depuis le début des années 1970, la demande croissante de communications et d'informations a entraîné l'essor du réseau de fibre optique. De fait, le réseau de fibre optique moderne constitue une part importante du réseau fédérateur d'Internet. Il comprend des câbles de communication longue distance contenant des fibres optiques acheminées sous la mer et par des conduits souterrains – des fibres optiques qui interconnectent les centres de données du monde entier et acheminent la fibre jusqu'au bureau (FTTO) et jusqu'au domicile (FTTH).
Ces dernières années, la croissance du secteur de la fibre optique a connu une croissance encore plus fulgurante. La technologie de la fibre optique s'est étendue aux connexions courte distance entre des appareils tels que les réseaux informatiques, les téléviseurs haute définition, les cartes mères et les périphériques des ordinateurs. La fibre optique en verre, dont la structure est hautement sophistiquée pour les communications multimodes et monomodes, a évolué, tout comme la plupart des fibres optiques plastiques utilisées pour les communications à très courte distance. De nombreuses entreprises ont contribué à la multiplication des utilisations et des formes de la fibre, notamment Alcatel, AT&T, Ciena, Cisco, Corning, Finisar, JDS Uniphase, Lucent Technologies et Tyco.
La fabrication de câbles à fibre optique pour la grande diversité des réseaux de fibre optique représente une industrie de plusieurs milliards de dollars. Les câbles à fibre optique – qu'il s'agisse de cordons de raccordement extérieurs et intérieurs ou d'interconnexions – doivent adopter une grande variété de formats personnalisés pour répondre aux différents types d'interconnexions nécessaires. Un cordon de raccordement à fibre optique classique est une fibre optique en verre terminée à chaque extrémité par des connecteurs (tels que SC, LC et MT), permettant une connexion rapide et fiable à d'autres équipements fonctionnels tels que des commutateurs optiques, des coupleurs optiques, des amplificateurs et des WDM. La technologie de terminaison de fibre optique implique l'utilisation d'époxys spécialisés, le polissage miroir, l'inspection et des tests de continuité et de performance.
Le développement de guides d'ondes polymères comme solution alternative
Au début des années 1980, les ingénieurs de DuPont ont anticipé le besoin d'un assemblage de fibres optiques plus facile à produire et personnalisable. En 1985, ils ont présenté un guide d'ondes photo-imagé dans un film polymère. Entre 1985 et 1998, DuPont a développé une technologie – et a ensuite créé la société Optical InterLinks (OIL) – pour fabriquer des dispositifs de données optiques hautes performances, économiques et industrialisables.
Cette technologie utilise un guide d'ondes polymère : un film polymère flexible et autoporteur, développé par photo-imagerie, permettant une duplication rapide. Parmi les fonctionnalités réalisables figurent des séparateurs/combineurs, des profils à gradient d'indice ou à saut d'indice, et des réarrangements optiques. Des interconnexions à 90 degrés avec des miroirs d'entrée/sortie, des réflecteurs miroir/surface et d'autres surfaces optiques sont facilement intégrables. Cette technologie permet de concevoir des sondes et capteurs optiques personnalisés et extrêmement compacts. Grâce aux procédés matriciels, des capteurs optiques peuvent également être produits selon ce type de procédé, où deux fibres croisées transfèrent la puissance optique lorsque la pression déforme leurs trajets de guide d'ondes, créant ainsi une fonction de diaphonie. Des capteurs matriciels à faible coût pourraient être produits en série et mesurer facilement les points de pression, de manière analogue à la façon dont une main tient un verre avec la paume et le bout des doigts.
Ce processus automatisé pourrait permettre des applications à haut volume pour les communications courte distance, comme le bus de données automobile. Face à la complexité croissante des véhicules, l'utilisation de systèmes de bus à fibre optique plastique hautement reproductibles et peu coûteux à reproduire en milliers (voire centaines de milliers) d'exemplaires est essentielle. Dans le cadre de mes recherches sur ce sujet, j'ai notamment contacté Wayne Kachmar, par l'intermédiaire de sa société, Technical Horsepower Consulting, pour obtenir des conseils sur la technologie des guides d'ondes polymères Optical InterLinks (OIL). Son expérience de plus de 38 ans dans la conception, les tests, la création de spécifications et l'installation de câbles à fibre optique m'a permis de mieux comprendre les tendances générales du secteur et les opportunités spécifiques liées à cette technologie. Selon Wayne Kachmar, expert en câbles optiques, les guides d'ondes polymères pourraient constituer une technologie concurrente dans l'industrie automobile pour les raisons mentionnées ci-dessus.
Il faut garder à l'esprit que les guides d'ondes polymères ne sont pas une technologie nouvelle. Entre 1993 et 1997, la Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) a soutenu un projet dans lequel Optical InterLinks a fourni le réseau de guides d'ondes polymères flexibles entre les PD/VCSEL et son organisation Parallel Optical Link. Un autre projet a suivi avec la DARPA, une agence du Département de la Défense des États-Unis. De nombreuses publications, la livraison de prototypes et la publicité des projets de la DARPA ont suscité une prise de conscience et un intérêt croissants pour les guides d'ondes polymères. En 30 ans de travail avec cette technologie, Optical InterLinks a appris à comprendre les subtilités de la photochimie de ce système, ce qui lui a permis d'affiner les performances des dispositifs optiques créés.
Pourquoi cette technologie n’a-t-elle pas été adoptée dans l’industrie de la fibre optique ?
Les guides d'ondes polymères ont suscité un vif intérêt, et certaines entreprises suivent cette technologie en développement depuis un certain temps. Toute technologie introduite sur un marché doit trouver une niche et résoudre un problème. Dans quels domaines cette technologie pourrait-elle résoudre des problèmes ? La consultation que j'ai menée avec Wayne Kachmar a porté sur certaines des applications et opportunités les plus viables, listées ci-dessous :
Applications de cartes mères d'ordinateur pour le calcul à grande vitesse
La capacité de fournir une entrée optique aux appareils OLED (LED organiques) flexibles – Dans la « signalisation portable », un écran sur votre chemise recevrait et transmettrait des données
Systèmes de réseau automobile – La charge de communication moyenne dans les automobiles suit de près la loi de Moore (la quantité de puissance de calcul double tous les 2 ans)
Qu’est-ce qui empêche une adoption massive des guides d’ondes polymères dans l’industrie de la fibre optique ?
Lors de mes consultations avec les ingénieurs d'Optical InterLinks et les experts du secteur tels que Wayne Kachmar, je pense qu'il existe quatre raisons principales pour lesquelles la technologie des guides d'ondes polymères n'a pas été pleinement intégrée dans notre industrie :
Bien que la technologie des guides d'ondes polymères d'Optical InterLinks ait 30 ans, elle demeure unique. À certains égards, cette technologie est en avance sur son temps. Bien que la technologie des capteurs, les bus de données automobiles et les fonds de panier optiques pour ordinateurs soient en plein essor, ils n'exigent pas encore la rapidité et la simplicité qu'offre cette technologie. (Les systèmes conducteurs métalliques, tels que les bus en cuivre, ont largement dépassé les attentes des experts, même si nous approchons peut-être des limites du cuivre.) La création d'un modèle de photo-imagerie nécessite une bibliothèque d'éléments photoniques et des règles d'espacement, de rayons de courbure minimaux, de remplissage modal, etc. Optical InterLinks a développé nombre de ces composants pour sa technologie de guides d'ondes polymères, mais n'a pas encore trouvé une place solide dans le secteur de la fibre optique.
Les technologies alternatives utilisant le silicium et les matériaux à base de silicium visent à créer des structures de guides d'ondes plus compactes, plus denses et moins coûteuses. Les méthodes d'intégration de sources lumineuses et d'amplification aux solutions à base de silicium sont étudiées par diverses entreprises, notamment des fabricants de systèmes et des fabricants de circuits intégrés (photoniques), avec une grande variété de solutions concurrentes. Les entreprises qui cherchent à optimiser la pénétration de la lumière dans les circuits intégrés préfèrent développer et maintenir elles-mêmes leurs technologies innovantes. La tendance est de conserver ces informations propriétaires en interne plutôt que de collaborer avec un partenaire externe. En raison de l'absence de propriété intellectuelle liée à la technologie des guides d'ondes polymères, il s'agit d'une technologie open source. Cela signifie, selon toute vraisemblance, qu'aucune organisation n'investirait massivement dans son développement. En revanche, cela signifie que la porte est ouverte à tous pour adopter cette technologie et l'intégrer à leurs applications.
L'avènement des fibres insensibles à la courbure a fortement limité l'intérêt pour la technologie des guides d'ondes polymères d'Optical InterLinks pour les applications à large bande passante. De plus, la difficulté de connectorisation des fibres conventionnelles pourrait devenir obsolète avec les progrès rapides et l'adoption de la technologie additive (aussi appelée impression 3D) pour la création de connecteurs de fibre optique. Ces nouvelles technologies concurrentes – fibre insensible à la courbure et technologie additive – devraient devenir des choix plus populaires pour des applications telles que les fonds de panier optiques pour ordinateurs. Ces technologies sont hautement brevetables et offrent un potentiel de production en série. Lors de ma discussion avec Wayne Kachmar, il a avancé une idée intéressante : « Dans le monde de l'automobile, la combinaison de deux technologies – la technologie additive et la technologie des guides d'ondes polymères d'OIL – pourrait constituer une solution décisive pour les réseaux de données automobiles. Ce créneau offre potentiellement le volume, la demande et les exigences nécessaires pour faire progresser les guides d'ondes polymères. Cette application pourrait parfaitement correspondre à la technologie des guides d'ondes polymères. »
La terminaison des guides d'ondes polymères reste un processus manuel et doit être davantage automatisée. Cependant, à mesure que les guides d'ondes pénètrent de plus en plus dans les puces électroniques, la terminaison standard des connecteurs SC, LC et MT se prolongera à l'extérieur de la puce, presque comme un pigtail. Cependant, lors de la fixation du pigtail aux émetteurs ou détecteurs de la puce, d'autres méthodes de couplage de la lumière, comme la technologie additive, pourraient se généraliser sur la puce. Cela pourrait permettre à d'autres méthodes, notamment les guides d'ondes polymères, d'intégrer la zone interpuce. Cependant, il est peu probable que l'interface puce-fibre de verre soit modifiée en raison de nombreux détails techniques tels que la discordance d'indice de réfraction, la forme des guides d'ondes plats et ronds, ainsi que de nombreux autres défis physiques, à commencer par la différence de retrait thermique entre le polymère et le verre (et donc le matériau du substrat en silicium).
Conclusion
La technologie des guides d'ondes polymères d'Optical InterLinks n'a pas encore trouvé sa place dans l'industrie de la fibre optique. Si de nombreuses innovations ont connu de nombreux partisans et suivent des chemins plus ou moins parallèles – par exemple, la querelle « électrique » entre Nikola Tesla et Thomas Edison ou la « guerre des formats » entre Betamax et cassettes VHS –, l'une d'elles s'impose généralement comme la solution privilégiée et apporte une standardisation au secteur. Pour certaines technologies et industries où la puissance de calcul commence tout juste à exercer son influence, comme les capteurs et les systèmes automobiles, les guides d'ondes polymères pourraient trouver un terrain d'entente. Wayne Kachmar l'a bien résumé lors de notre discussion : « Cette technologie offre des opportunités. Les guides d'ondes polymères sont prometteurs pour l'industrie de la fibre optique. »
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