Fibre optique: passé et présent

En 1966, Charles Kao Kuen , un scientifique originaire de Chine, a présenté les résultats de ses propres recherches au monde. Le principal message de son développement était que la communication optique peut être organisée à l'aide de fibre de verre. Dans son travail, Kao a présenté au monde les caractéristiques de conception uniques de la fibre et de ses matériaux. Le chercheur scientifique peut à juste titre être considéré comme la base des télécommunications par fibre optique aujourd'hui. La toute première mention du terme «fibre optique» a été utilisée pour la première fois en 1956 par NS Kapany des États-Unis.

Aujourd'hui, les technologies de communication par fibre optique ont si bien pénétré nos vies que nous n'y voyons plus rien de surprenant et percevons leur présence ainsi que la présence d'un système d'alimentation en eau dans un immeuble d'habitation. Par conséquent, dans cette publication, je voudrais parler davantage de l'optique et raconter quelques faits intéressants sur la technologie sur laquelle est basée la communication moderne à haut débit.

Un peu d'histoire

Au cours de l'histoire du développement de la fibre optique, de nombreuses études et expériences intéressantes ont été menées. Examinons seulement certains d'entre eux.

Le physicien anglais John Tyndall a mené une expérience avec la réflexion d'un faisceau lumineux dans un courant d'eau, dont il a enregistré une description dans son livre.

«Si l'angle auquel un rayon de lumière tombe de l'eau à l'air (c'est-à-dire l'angle entre la surface de deux milieux et une perpendiculaire) dépasse 48 degrés, alors le faisceau ne sort pas de l'eau - il est complètement réfléchi par la frontière eau-air ... Si le plus petit angle la goutte à laquelle une réflexion interne complète est observée, appelée l'angle limite, puis pour l'eau, elle sera égale à 48 ° 27 ", pour le verre incolore (verre blanc) - 38 ° 41" et pour le diamant - 23 ° 42 ", écrit Tyndall.



Configuration expérimentale de John Tyndall

Cette expérience, si vous le souhaitez, peut être mise à la maison par n'importe qui. Pointeur laser dont vous avez besoin pour briller sous différents angles dans la salle de bain avec un jet d'eau du robinet. À un certain angle, le faisceau lumineux sera complètement réfléchi dans le courant d'eau.





Une expérience similaire peut être effectuée avec une lampe de poche. Pour ce faire, dans une bouteille en plastique transparente, vous devez faire un trou sur le côté. Nous passons de l'eau à travers la bouteille et commençons à faire briller une lanterne sur le côté opposé de la bouteille. Si nous substituons la paume, alors une tache de lumière sera réfléchie dessus.





Les discussions actives sur les LED à fibre ont commencé dans les années cinquante du siècle dernier. Ensuite, ils ont commencé à les fabriquer à partir de divers types de matériaux transparents. Mais la transparence de ces matériaux n'était pas suffisante pour une bonne conductivité lumineuse.

Au cours de ces années, l'Union soviétique a même devancé l'Occident dans le domaine de la fibre optique. La première ligne de communication optique a été lancée en URSS en 1977 à Zelenograd. Le canal a été créé pour relier la zone industrielle du Nord et l'administration de la ville. Il a été fabriqué sur un câble optique développé par un bureau d'études spécial de l'industrie du câble (OKB KP), qui fait partie de Radioelectronic Technologies Concern (KRET) de Rostec State Corporation, spécialisée dans la production de câbles et de câbles.

En mai 1981, l'URSS a publié le décret du Comité central du PCUS et du Conseil des ministres de l'URSS "sur le développement et la mise en œuvre de systèmes de communication à fibres optiques et le transfert d'informations". Cet événement a été une impulsion pour le développement des communications par fibre optique et une augmentation du nombre de développements dans ce domaine.

Au début des années 60, d'abord en URSS, puis en Occident, les scientifiques ont conclu que l'absorption lumineuse du verre dépend fortement des matières colorantes et des produits de corrosion des réfractaires. Il a été expérimentalement prouvé que l'absorption lumineuse d'un verre parfaitement propre est si faible qu'elle se situe en dehors de la sensibilité des instruments de mesure.
En 1966, un groupe de scientifiques dirigé par Charles Kuen Kao a conclu que le verre de quartz serait le matériau le plus approprié pour les communications par fibre optique. Même alors, Kao croyait qu'avec l'aide de l'optique, il serait possible de transmettre des informations et bientôt ce type de communication remplacerait la transmission du signal sur des fils de cuivre.

Trois ans plus tard, Kao a reçu une fibre avec un coefficient d'atténuation de 4 dB / km. Ce résultat a été le premier exemple de verre ultra-clair. Un an plus tard, Corning Incorporated a produit des fibres avec un profil d'indice de réfraction étagé et a atteint un facteur d'amortissement de 20 dB / km à une longueur d'onde de 633 nm. Pour la première fois, une fibre de quartz a transmis un faisceau lumineux jusqu'à 2 kilomètres de distance.

D'accord à un rythme similaire, le transfert de données quantiques se développe maintenant. Un peu, mais un peu. En tant qu'expérience et utilisation commerciale sur de courtes distances.

Où la fibre est-elle utilisée en plus des télécommunications?

Aujourd'hui, la fibre est utilisée dans de nombreuses industries en plus des télécommunications. Il s'agit de machines à rayons X, où elles assurent une isolation galvanique entre une source haute tension et un équipement de contrôle basse tension. Le personnel et les patients sont donc isolés de la partie haute tension de l'équipement. La fibre est utilisée dans les appareillages de commutation des sous-stations électriques comme capteur du système de protection.

Les fibres optiques sont largement utilisées dans divers types de systèmes de mesure, où il est impossible d'utiliser des appareils électriques traditionnels. Par exemple, dans les systèmes de mesure de la température dans les moteurs à réaction d'un avion, dans les appareils d'IRM (dispositifs médicaux tomographiques pour examiner les organes internes, y compris le cerveau), etc. Les capteurs basés sur des fibres optiques peuvent mesurer la fréquence des vibrations, la rotation, le déplacement, la vitesse et l'accélération, couple, torsion et autres paramètres.

Aujourd'hui, on utilise des gyroscopes à base de fibre optique, qui fonctionnent sur la base de l'effet Sagnac. Un tel gyroscope ne comporte aucune pièce mobile, ce qui le rend très fiable. Malgré le fait que les systèmes de navigation modernes utilisent un grand nombre de capteurs différents, grâce auxquels la position de l'objet est déterminée, le système le plus indépendant ne peut être créé que sur la base de gyroscopes à fibre optique.
L'optique est largement utilisée dans les alarmes antivol. Un tel système de sécurité est agencé comme suit: lorsqu'un attaquant pénètre dans le territoire, les conditions de passage de la lumière à travers une fibre changent, et une alarme se déclenche.



Un exemple de mise en œuvre d'un gyroscope à fibre optique



Module de mesure inertielle à fibre optique à trois axes de la série ASTRIX fabriqué par AIRBUS DEFENSE & SPACE; Le modulateur LiNb03 est intégré dans le capteur dans chaque direction

La fibre est activement utilisée à des fins décoratives, comme décoration pour les vacances, dans l'art et la publicité.







De nouveaux types de fibres optiques sont constamment développés. Par exemple, les fibres cristallines photoniques. La répartition de la lumière en eux est basée sur des principes légèrement différents. Ces fibres peuvent être utilisées comme capteurs de liquide, de produits chimiques et de gaz. De plus, il peut être utilisé pour transporter un rayonnement puissant à des fins industrielles ou médicales.

Les lasers à fibre avec plusieurs dizaines de kilowatts de puissance de rayonnement continue ne sont plus nouveaux. Des armes basées sur des lasers à 6 fibres de 5,5 kW ont été testées dans l'US Navy en 2014. Les lasers à fibre coupent le métal et le béton. Par exemple, la machine de découpe de métaux IPG Photonics a une puissance de 100 kW.



Le développement de la fibre optique est en cours, à l'aide duquel il serait possible de transmettre une puissance de rayonnement laser de plusieurs kilowatts. En théorie, la transmission d'un rayonnement d'une puissance de 10 kW le long d'une fibre d'une longueur de 250 m avec un diamètre de coeur de 150 µm est considérée comme possible.



Fibre de cristal photonique

Il convient également de noter qu'aujourd'hui, les fibres multicœurs sont activement développées. Leur utilisation augmentera considérablement le débit global des liaisons à fibre optique.
La fibre a déjà plus de cinquante ans, mais la technologie ne va clairement pas disparaître. Des innovations dans le domaine de la fibre optique apparaissent régulièrement et les télécoms sont loin d'être la seule industrie intéressée par le développement de la technologie.