Comment fonctionnent les câbles à fibre optique et comment les ingénieurs les utilisent pour envoyer des messages

Tout d’abord, laissez-moi vous montrer comment fonctionnent les câbles à fibre optique.

J'ai un seau que j'ai modifié avec une fenêtre devant et, de l'autre côté, j'ai mis un bouchon dans ce trou, juste ici. J'ai une bouteille de propylène glycol, avec juste un peu de crème dedans. Un support en forme d'anneau et, bien sûr, un pointeur laser. Maintenant, gardez un œil sur cette prise quand j'éteins les lumières.

C'est merveilleux. La lumière suit le flux du liquide jusqu'au seau. Incroyable. Cela est dû à la réflexion interne totale. Lorsque la lumière pénètre dans le flux, elle est réfléchie dès qu'elle atteint l'interface entre ce dernier et le liquide.

Vous pouvez observer ici la première réflexion, puis la deuxième et la troisième. Cela est dû à la différence d'indice de réfraction entre le matériau guide, ici le propylène glycol, et l'air extérieur. Rappelons que chaque fois que la lumière frappe une surface, elle peut être absorbée par le matériau, réfléchie par celui-ci ou la traverser ; ce phénomène est appelé « réfraction ».

C'est plus facile à observer d'en haut. La réflexion et la réfraction peuvent se produire simultanément. Mais si un rayon lumineux frappe la surface sous un angle supérieur à l'angle critique, il sera entièrement réfléchi et non réfracté.

Pour ce système à base de propylène glycol et d'air, tant qu'un faisceau frappe la surface à un angle supérieur à 44,35 degrés par rapport à la normale, il se propage dans le flux par réflexion totale interne. Pour obtenir le même effet dans une fibre optique, les ingénieurs créent un cœur en verre, généralement du dioxyde de silicium pur, et une couche extérieure appelée « gaine », également en dioxyde de silicium, mais avec des particules de bore ou de germanium pour diminuer son indice de réfraction.

Une différence d'un pour cent suffit à faire fonctionner des câbles à fibre optique. Pour fabriquer un morceau de verre aussi long et fin, les ingénieurs chauffent une grande préforme. Son centre est le verre pur et l'extérieur la gaine. Ils étirent ensuite la fibre en enroulant la matière fondue sur une roue à des vitesses pouvant atteindre 1 600 mètres par seconde. Ces tours d'étirage ont généralement plusieurs étages de hauteur, ce qui permet à la fibre de refroidir avant d'être enroulée sur un tambour.

L'une des plus grandes prouesses techniques fut le premier câble à fibre optique transocéanique, baptisé TAT-8 . Il s'étendait de Tuckerton, dans le New Jersey, suivant le fond océanique sur plus de 5 600 kilomètres jusqu'à sa jonction avec Widemouth, en Angleterre, et Penmarch, en France.

Les ingénieurs ont soigneusement conçu le câble pour résister aux conditions océaniques. En son centre se trouve le cœur. De moins de 2,5 cm de diamètre, il contient six fibres optiques enroulées autour d'un fil d'acier central. Ils ont noyé ce dernier dans un élastomère pour amortir les fibres, l'ont entouré de brins d'acier, puis l'ont scellé dans un cylindre de cuivre pour le protéger de l'eau. Le câble final mesurait moins de 2,5 cm de diamètre, mais il pouvait gérer quelque 40 000 appels téléphoniques simultanés.

Le principe de transmission des informations par fibre optique est très simple. Je pourrais avoir un signal préétabli avec quelqu'un à l'autre bout. On pourrait utiliser le code Morse et bloquer le laser pour que la personne à l'autre bout voie des flashs transmettant un message.

Pour transmettre un signal analogique, comme la voix d'un appel téléphonique, le long d'un câble, les ingénieurs utilisent la modulation par impulsions et codage. Nous prenons un signal analogique, le découpons en sections, puis nous approchons au mieux l'intensité ou l'amplitude de l'onde.

Nous souhaitons transformer ce signal en signal numérique, c'est-à-dire avec des valeurs discrètes de volume sonore, et non pas n'importe lesquelles. Par exemple, j'utiliserai quatre bits, ce qui signifie que j'ai 16 valeurs possibles pour le volume sonore. Les quatre premières sections du signal pourraient donc être approximées par environ 10, 12, 14 et 15.

Nous prenons ensuite chaque section et convertissons son amplitude en une série de uns et de zéros. La première barre de valeur 10, une fois codée, devient un, zéro, un, zéro. Nous pouvons procéder ainsi pour chaque section de la courbe.

Au lieu de regarder la forme d'onde verte ou même les barres bleues, nous pouvons considérer le signal comme une série de uns et de zéros organisés dans le temps. C'est cette séquence que nous envoyons par fibre optique : un flash pour un et rien pour un zéro. Bien sûr, la méthode de codage exacte est connue du côté récepteur. Déchiffrer le message est donc un jeu d'enfant.

Vous vous demandez peut-être comment une impulsion laser peut parcourir près de 6 400 kilomètres à travers l'océan. Ce n'est pas sans aide, car la lumière s'échappe par les parois des fibres. Revenons à notre flux de propylène.

Voici comment la lumière s'atténue en se propageant. On peut voir ici un faisceau étroit dans le seau qui s'élargit légèrement en entrant dans le flux, puis, après le premier rebond, ressort encore plus large qu'à son entrée. Cela s'explique par le fait que l'interface avec l'air est irrégulière et que les rayons qui le composent frappent sous des angles légèrement différents.

Lors de la deuxième réflexion de ce faisceau, ces rayons individuels divergent encore davantage. Jusqu'au troisième rebond, de nombreux rayons ne forment plus l'angle critique et peuvent sortir par les côtés du flux. Ici, cela se produit en quelques centimètres, mais dans les câbles à fibre optique comme le TAT-8, le signal parcourt une distance impressionnante de 50 kilomètres avant de devoir être amplifié. Absolument incroyable.