Comment les câbles à fibres optiques courbent-ils la lumière ?

Les câbles à fibre optique transmettent rapidement des signaux lumineux sur de longues distances. Chaque câble est constitué de fins brins de verre appelés « fibres optiques », des morceaux de verre qui transmettent des signaux par la lumière. Les câbles à fibre optique sont utiles car ils utilisent la lumière plutôt que l'électricité, ce qui signifie que les autres appareils électroniques à proximité ne leur causeront pas d'interférences. De nombreux projets scientifiques de grande envergure, comme les collisionneurs de particules Hardron, utilisent des câbles à fibre optique pour transmettre rapidement des signaux.

 

Comme vous le savez probablement, la lumière se propage par ondes et se propage directement dans un cône à partir de son point d'origine. Mais comment faire pour que la lumière contourne les angles, parcourant toute la longueur du câble à fibre optique ?

 

Si vous souhaitez éclairer un couloir étroit, il vous suffit de diriger la lumière vers le bout du couloir. Le faisceau s'élargit avec la distance ; vous devrez donc peut-être ajuster votre focalisation, mais vous ne devriez pas avoir de difficulté à atteindre le bout du couloir.

 

Mais que faire si le couloir est sinueux ? Comment faire passer la lumière dans le coin ? C'est simple : utilisez un miroir pour refléter la lumière.

 

Les câbles à fibre optique utilisent un principe similaire pour transmettre des signaux lumineux. C'est ce qu'on appelle la « réflexion totale interne ». Cela signifie que, quel que soit l'endroit où le signal lumineux est envoyé dans le câble, la lumière est réfléchie à l'intérieur et contenue dans le tube. Ainsi, les câbles à fibre optique ne présentent aucun problème de courbure lorsqu'ils transmettent la lumière sur de longues distances.

 

Le verre de la fibre optique ne peut pas être parfaitement pur, ce qui signifie que le signal se dégradera inévitablement avec le temps. La vitesse de dégradation du signal dépend de deux facteurs : la longueur d'onde de la lumière et la pureté du verre de la fibre optique.

 

Parlons de la signification de la longueur d'onde. En physique, il existe deux manières de parler de la lumière : la lumière que nous voyons et la lumière que nous pouvons mesurer mathématiquement. La lumière, comme je l'ai mentionné, est constituée d'ondes ; la physique mesure donc la lumière en termes de longueur d'onde, en nanomètres. Notre cerveau interprète ces longueurs d'onde comme différentes couleurs.

 

Les longueurs d'onde utilisées pour la fibre optique sont généralement beaucoup plus longues que celles de la lumière visible. Elles se situent généralement entre 850 et 1 550 nanomètres. Ce spectre invisible de lumière « longue » est appelé infrarouge (l'autre extrémité, celle des longueurs d'onde trop courtes pour être perçues, est appelée ultraviolet).

 

Lorsque ces ondes infrarouges sont transmises par des câbles à fibre optique, le verre (comme je l'ai mentionné) ralentit ou affaiblit la transmission. Cette atténuation de la lumière infrarouge se produit de deux manières : l'absorption et la diffusion. L'absorption est due aux minuscules particules de vapeur piégées dans le verre de la fibre optique. La diffusion, en revanche, se produit lorsque la lumière infrarouge rebondit sur les atomes ou les molécules du verre. La longueur de la lumière infrarouge réduit la diffusion et l'absorption, ce qui contribue à la clarté du signal.

 

Vous vous demandez peut-être : si la longueur des ondes réduit l’atténuation, pourquoi n’utilisons-nous pas des longueurs d’onde encore plus longues pour la fibre optique ? Quel est le seuil maximal des longueurs d’onde ?

 

Si nous utilisions des fréquences plus basses, il y aurait des interférences thermiques. Tout objet a une température, ce qui signifie que tout dégage une certaine quantité de chaleur. Une partie de cette énergie dégagée sous forme de chaleur prend la forme de lumière infrarouge. Si nous réduisions encore les longueurs d'onde, la température des objets environnants provoquerait des interférences, entraînant une perte de signal.