{"id":4488,"date":"2017-08-23T17:33:22","date_gmt":"2017-08-23T16:33:22","guid":{"rendered":"http:\/\/open-organization.com\/?p=4488"},"modified":"2017-08-23T17:33:22","modified_gmt":"2017-08-23T16:33:22","slug":"un-grand-innovateur-qui-na-rien-invente-charles-kao-et-la-naissance-des-telecommunications-par-fibres-optiques","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/open-organization.com\/en\/2017\/08\/23\/un-grand-innovateur-qui-na-rien-invente-charles-kao-et-la-naissance-des-telecommunications-par-fibres-optiques\/","title":{"rendered":"(Fran\u00e7ais) Un grand innovateur qui n\u2019a rien invent\u00e9 : Charles Kao et la naissance des t\u00e9l\u00e9communications par fibres optiques"},"content":{"rendered":"

Sorry, this entry is only available in Fran\u00e7ais<\/a>. For the sake of viewer convenience, the content is shown below in the alternative language. You may click the link to switch the active language.<\/p>

[et_pb_section bb_built=”1″][et_pb_row][et_pb_column type=”4_4″][et_pb_text]<\/p>\n

L'auteur de cet article est Herv\u00e9 Arribart, Fellow Presans<\/a>.<\/pre>\n
Parmi tous les laur\u00e9ats du Prix Nobel de physique, Charles Kao (1933 – ), co-laur\u00e9at du Prix en 2009, fait figure d\u2019exception : il est le seul \u00e0 n\u2019avoir fait aucune d\u00e9couverte ni invention. Pourtant, il est consid\u00e9r\u00e9 comme le p\u00e8re des fibres optiques et on lui doit effectivement d\u2019avoir d\u00e9clench\u00e9 des progr\u00e8s technologiques qui ont \u00e9t\u00e9 \u00e0 l\u2019origine d\u2019une spectaculaire transformation de notre vie quotidienne. Comment peut-on devenir un grand innovateur sans \u00eatre ni inventeur ni d\u00e9couvreur ? R\u00e9pondre \u00e0 cette question revient dans le cas de Kao \u00e0 raconter l\u2019histoire des fibres optiques pour les t\u00e9l\u00e9communications.<\/p>\n
L\u2019id\u00e9e d\u2019utiliser la lumi\u00e8re pour transporter l\u2019information n\u2019\u00e9tait pas nouvelle. A la fin du XIX\u00e8me si\u00e8cle, Alexander Bell, le p\u00e8re du t\u00e9l\u00e9phone, avait invent\u00e9 le photophone, un syst\u00e8me qui utilisait la lumi\u00e8re ambiante pour transmettre un message vocal d\u2019un \u00e9metteur \u00e0 un receveur. Le signal se propageait dans l\u2019air ambiant. Le syst\u00e8me a \u00e9t\u00e9 test\u00e9 avec succ\u00e8s, mais n\u2019a jamais connu de d\u00e9veloppement, \u00e0 cause du probl\u00e8me pos\u00e9 par les mauvaises conditions m\u00e9t\u00e9orologiques : la pluie, le brouillard\u2026 A l\u2019\u00e9vidence, utiliser l\u2019air ambiant pour propager un signal optique n\u2019\u00e9tait pas une bonne solution. Un milieu optique appropri\u00e9 est n\u00e9cessaire pour y propager le signal dans de bonnes conditions et \u00e0 grande distance.<\/p>\n
\"Fig.<\/a>
Fig. 1 : Principe de la r\u00e9flexion interne totale : pour un faisceau provenant d\u2019un milieu d\u2019indice optique n2 et se dirigeant vers un milieu d\u2019indice optique plus faible n1, la r\u00e9flexion \u00e0 l\u2019interface entre les deux milieux est de 100% si l\u2019angle d\u2019incidence \u03b8 d\u00e9passe une certaine valeur critique \u03b8c.<\/p><\/div>\n
Un tel milieu optique demande bien s\u00fbr \u00e0 \u00eatre transparent, ce qui signifie que la propagation de la lumi\u00e8re \u00e0 travers lui ne doit \u00eatre que faiblement att\u00e9nu\u00e9e. Les milieux transparents ne sont pas si communs. A part l\u2019air, on peut envisager l\u2019eau et certains autres liquides et le verre ou quelques rares autres mat\u00e9riaux.<\/p>\n
Mais, pour propager la lumi\u00e8re entre un point A et un point B, on a aussi besoin que la lumi\u00e8re soit confin\u00e9e dans la direction A \u2192 B et ne s\u2019\u00e9chappe pas dans les autres directions. Pour cela, la solution est d\u2019utiliser un principe d\u2019optique connu depuis le XVII\u00e8me si\u00e8cle : la r\u00e9flexion interne totale. Ce principe est illustr\u00e9 sur la figure 1 et son application \u00e0 la propagation de la lumi\u00e8re dans une fibre est illustr\u00e9e sur la figure 2.<\/p>\n
\"Fig.<\/a>
Fig. 2 : Guidage de la lumi\u00e8re par r\u00e9flexion interne totale dans une fibre optique<\/p><\/div>\n
Jusqu\u2019au d\u00e9but du XX\u00e8me si\u00e8cle, sa seule application \u00e9tait l\u2019utilisation de la propagation de lumi\u00e8re dans des jets d\u2019eau pour r\u00e9aliser des fontaines lumineuses (figure 3). Le principe du guidage de la lumi\u00e8re dans un jet d\u2019eau avait \u00e9t\u00e9 d\u00e9couvert par Daniel Colladon, professeur \u00e0 l\u2019universit\u00e9 de Gen\u00e8ve en 1842, et des fontaines lumineuses spectaculaires avaient \u00e9t\u00e9 r\u00e9alis\u00e9es pour l\u2019International Health Exhibition \u00e0 Londres en 1884 et pour l\u2019Exposition Universelle \u00e0 Paris en 1889.<\/p>\n
 <\/p>\n
 <\/p>\n
\"Fig.<\/a>
Fig. 3 : Fontaine lumineuse.<\/p><\/div>\n
 <\/p>\n
\"Fig.<\/a>
Fig. 4 : Instruments de gastroscopie au d\u00e9but du XX\u00e8me si\u00e8cle<\/p><\/div>\n
Mais, la lumi\u00e8re transmet aussi des images, et l\u2019utilisation de tiges de verre ou de fibres de verre pour la vision \u00e0 distance en endoscopie, et plus particuli\u00e8rement en gastroscopie, devint au d\u00e9but du XX\u00e8me si\u00e8cle le principal moteur du d\u00e9veloppement des fibres optiques (figure 4). Une difficult\u00e9 importante \u00e0 r\u00e9soudre \u00e9tait celle des fuites de lumi\u00e8re aux endroits o\u00f9 la fibre \u00e9tait en contact avec un autre milieu, comme les parois internes de l\u2019\u0153sophage en gastroscopie. Ce probl\u00e8me est illustr\u00e9 sur la figure 5.<\/p>\n
 <\/p>\n
 <\/p>\n
 <\/p>\n
 <\/p>\n
\"Fig.<\/a>
Fig. 5 : Le probl\u00e8me des fuites de lumi\u00e8re quand une fibre nue est en contact avec un autre mat\u00e9riau, et le moyen de le r\u00e9soudre en prot\u00e9geant la fibre par une gaine (\u2018cladding\u2019 en anglais)<\/p><\/div>\n
Il fut r\u00e9solu en 1951 par Brian O\u2019Brien, pr\u00e9sident de la soci\u00e9t\u00e9 am\u00e9ricaine d\u2019optique, en rev\u00eatant la fibre nue par un mat\u00e9riau de faible indice optique, de fa\u00e7on \u00e0 ce que la r\u00e9flexion interne se produise \u00e0 l\u2019interface interne et ne soit pas perturb\u00e9e par les conditions r\u00e9gnant sur la surface externe. Ce rev\u00eatement, appel\u00e9 \u2018cladding\u2019 en anglais et gaine en fran\u00e7ais, constituait la recette pour produire des fibres transmettant bien la lumi\u00e8re.<\/p>\n
Ce fut Lawrence Curtiss, un \u00e9tudiant de l\u2019universit\u00e9 de Rochester, qui imagina en 1956 le proc\u00e9d\u00e9 permettant de produire des fibres optiques de grande longueur. La gaine \u00e9tait constitu\u00e9e d\u2019un verre d\u2019indice plus faible que celui de la fibre interne. Pour la fabriquer, une tige faite de ce dernier mat\u00e9riau \u00e9tait introduite \u00e0 l\u2019int\u00e9rieur d\u2019un tube fait du premier. Les deux \u00e9taient scell\u00e9s l\u2019un \u00e0 l\u2019autre, formant ce que l\u2019on appelle la pr\u00e9forme, et on \u00e9tirait cette derni\u00e8re dans un four pour obtenir la fibre optique. En principe, il \u00e9tait possible d\u2019obtenir ainsi des fibres de longueur quasiment illimit\u00e9e. Des applications nouvelles apparurent dans plusieurs domaines, dont celui de l\u2019automobile. Mais, personne ne pensait encore aux t\u00e9l\u00e9communications optiques par fibres.<\/p>\n
Le monde des t\u00e9l\u00e9communications n\u2019\u00e9tait pas inactif pour autant, la course vers le haut-d\u00e9bit \u00e9tant aussi vieille que les t\u00e9l\u00e9communications elles-m\u00eames. Dans les ann\u00e9es 1950s, l\u2019utilisation de microondes comme vecteurs du signal paraissait \u00eatre la solution d\u2019avenir, et les grands industriels des t\u00e9l\u00e9communications, comme AT&T dans ses fameux Bell Laboratories engouffraient des d\u00e9penses \u00e9normes dans la recherche sur cette technologie. Une d\u00e9couverte capitale allait changer la fa\u00e7on de voir les choses : celle du laser en 1960. La lumi\u00e8re d\u00e9livr\u00e9e par un laser est en effet directionnelle et ais\u00e9ment manipulable et modulable, contrairement \u00e0 celle \u00e9mise par les autres sources lumineuses. On pouvait penser qu\u2019elle constitu\u00e2t un vecteur de choix pour v\u00e9hiculer l\u2019information. Des projets naquirent o\u00f9 le rayon laser \u00e9tait propag\u00e9 dans l\u2019air enferm\u00e9 dans un tuyau.<\/p>\n
Pourquoi l\u2019utilisation de fibres optiques dans laquelle on injecte le rayon laser n\u2019apparut elle pas imm\u00e9diatement comme une \u00e9vidence ? La r\u00e9ponse \u00e0 cette question tient dans le ph\u00e9nom\u00e8ne d\u2019absorption de la lumi\u00e8re qui se produit dans tout mat\u00e9riau, et qui se mesure en d\u00e9cibel par kilom\u00e8tre (dB\/km). Ainsi, dans le verre ordinaire, pourtant transparent pour des trajets optiques courts de l\u2019ordre du cm, l\u2019absorption est d\u2019environ 200 dB\/km, ce qui signifie qu\u2019au bout de 1 km, la fraction de lumi\u00e8re restante est seulement de 10-20<\/sup>, c\u2019est-\u00e0-dire n\u00e9gligeable. Telle \u00e9tait la situation au moment o\u00f9 Charles Kao commen\u00e7a \u00e0 s\u2019int\u00e9resser \u00e0 ce sujet.<\/p>\n
Charles Kao \u00e9tait n\u00e9 \u00e0 Shanghai, puis sa famille s\u2019\u00e9tait d\u00e9plac\u00e9e \u00e0 Hong-Kong. Il avait \u00e9migr\u00e9 en Angleterre pour s\u2019inscrire en g\u00e9nie \u00e9lectrique au Woolwich Polytechnic, aujourd\u2019hui, universit\u00e9 de Greenwich. En 1960, tout en commen\u00e7ant la pr\u00e9paration de son doctorat \u00e0 l\u2019University College de Londres, il fut recrut\u00e9 comme chercheur par la \u2018Standard Telephones and Cables\u2019 (STC) \u00e0 Harlow, qui avait lanc\u00e9 un programme de recherche sur l\u2019utilisation des lasers dans les t\u00e9l\u00e9communications (figure 6). Son sup\u00e9rieur, Tony Karbowiak, l\u2019incita \u00e0 travailler sur les milieux optiques pour la propagation de l\u2019information. L\u2019id\u00e9e de Karbowiak \u00e9tait d\u2019utiliser des guides d\u2019onde optiques en couches minces. En 1964, celui-ci quitta STC ; Kao fut nomm\u00e9 chef du programme de t\u00e9l\u00e9communication optique et se tourna vers les fibres optiques.<\/p>\n
\"Fig.<\/a>
Fig. 6 : Charles Kao dans son laboratoire de Standard Telephones and Cables \u00e0 la fin des ann\u00e9es 1960s<\/p><\/div>\n
Contrairement \u00e0 tous ses comp\u00e9titeurs, Kao pensait que l\u2019att\u00e9nuation relativement importante de 200 dB\/km dans le verre n\u2019\u00e9tait pas une fatalit\u00e9. Il se tourna vers les sp\u00e9cialistes en mat\u00e9riaux vitreux de l\u2019universit\u00e9 de Sheffield, qui l\u2019encourag\u00e8rent dans son intuition, lui d\u00e9clarant que le m\u00e9canisme d\u2019att\u00e9nuation n\u2019\u00e9tait probablement pas intrins\u00e8que au mat\u00e9riau, mais d\u00fb \u00e0 des impuret\u00e9s, comme le fer, pr\u00e9sentes en relativement forte concentration. Kao calcula que si la concentration en fer pouvait \u00eatre r\u00e9duite \u00e0 une partie par million (1 ppm), alors l\u2019att\u00e9nuation ne serait plus que de 20 dB\/km, ce qui ouvrirait la voie aux t\u00e9l\u00e9communications \u00e0 longue distance, puisque la fraction de lumi\u00e8re restante apr\u00e8s un trajet d\u2019un kilom\u00e8tre serait de 1%, rendant faisable sa d\u00e9tection et son amplification dans des relais. Ces r\u00e9flexions firent l\u2019objet d\u2019un premier article important \u00e9crit avec son adjoint, George Hockham, en 1966. Dans cet article visionnaire, il \u00e9crit : \u201cIt is foreseeable that glasses with a bulk loss of about 20 dB\/km \u2026 will be obtained, as the iron-impurity concentration may be reduced to 1 part per million.<\/em>\u201d, puis \u201cTheoretical and experimental studies indicate that a fibre of glassy material constructed in a cladded structure \u2026 represents a possible practical optical waveguide with important potential as a new form of communication medium.<\/em>\u201d et \u201cThe realisation of a successful fibre waveguide depends, at present, on the availability of suitable low-loss dielectric material. The crucial material problem appears to be one which is difficult but not impossible. Certainly, the required loss figure of around 20 dB\/km is much higher than the lower limit of loss figure imposed by fundamental mechanisms.<\/em>\u201c. Cet article, aujourd\u2019hui consid\u00e9r\u00e9 comme fondateur des t\u00e9l\u00e9communications \u00e0 fibres optiques, n\u2019eut pourtant que peu de retentissements \u00e0 l\u2019\u00e9poque.<\/p>\n
Il restait \u00e0 Charles Kao \u00e0 accomplir un pas suppl\u00e9mentaire : prouver que dans certains solides l\u2019att\u00e9nuation pouvait effectivement atteindre 20 dB\/km ou moins, ce qu\u2019il fit pendant les ann\u00e9es suivantes en mettant au point un instrument d\u2019optique ultra-sensible capable de mesurer avec une grande pr\u00e9cision des att\u00e9nuations tr\u00e8s faibles dans des \u00e9chantillons de petites dimensions. Il mesura dans l\u2019Infrasil, une silice vitreuse obtenue par fusion directe du quartz naturel, une att\u00e9nuation de 5 dB\/km. Ce r\u00e9sultat fut publi\u00e9 en 1969. Les deux articles, celui de 1966 et celui de 1969, montraient donc le chemin : il fallait devenir capable de produire sous forme de fibres de la silice ultra-pure. C\u2019est Robert Maurer de la soci\u00e9t\u00e9 Corning qui y r\u00e9ussit le premier, en inventant en 1970 un proc\u00e9d\u00e9 de fabrication de silice r\u00e9volutionnaire, ne passant pas par la fusion, mais par le d\u00e9p\u00f4t du mat\u00e9riau \u00e0 partir de la phase gazeuse en utilisant des pr\u00e9curseurs organiques de la silice issus de la chimie fine, et donc plus facile \u00e0 obtenir purs. Le c\u0153ur de la fibre et sa gaine sont produits successivement par le m\u00eame proc\u00e9d\u00e9, d\u00e9crit dans le brevet indiqu\u00e9 dans les r\u00e9f\u00e9rences. Maurer obtint des fibres dont l\u2019att\u00e9nuation \u00e9tait de 7 dB\/km. Depuis, l\u2019am\u00e9lioration continue du proc\u00e9d\u00e9 a permis de progresser tr\u00e8s significativement, le record d\u2019att\u00e9nuation \u00e9tant aujourd\u2019hui de 0,15 dB\/km (97 % de la lumi\u00e8re transmise apr\u00e8s un trajet de 1 km).<\/p>\n
En d\u00e9cernant le prix \u00e0 Charles Kao plut\u00f4t qu\u2019\u00e0 Robert Maurer, le comit\u00e9 Nobel a voulu r\u00e9compenser l\u2019innovation plus que l\u2019invention. C\u2019est un cas unique. Il faut dire que rares sont les cas de perc\u00e9es technologiques dans lesquelles l\u2019innovation a pr\u00e9c\u00e9d\u00e9 l\u2019invention. Le fait que le prix Nobel ait \u00e9t\u00e9 d\u00e9cern\u00e9 plus de quarante ans apr\u00e8s la publication des articles originaux montre bien que c\u2019est globalement le d\u00e9veloppement des t\u00e9l\u00e9communications par fibres optiques plus que l\u2019invention de la fibre optique de faible att\u00e9nuation qui a \u00e9t\u00e9 r\u00e9compens\u00e9.<\/p>\n
 <\/p>\n
***<\/p>\n
R\u00e9f\u00e9rences :<\/p>\n
– Hecht J., \u201cCity of light, the story of optical fibers\u201d, Oxford University Press (1999)<\/p>\n
– Kao C. and Hockham G., \u201cDielectric-fibre surface waveguides for optical frequencies\u201d, Proceedings IEEE 113 (1966) 1151 –<\/p>\n
– Kao C. and Hockham G., \u201cSpectrophotometric studies of ultra low loss optical glasses II: double beam method\u201d, Journal of Scientific Instruments Series 2 vol. 2 (1969) 331 – Maurer R. and Schultz P., brevet US 3,659,915<\/p>\n
[\/et_pb_text][et_pb_post_nav _builder_version=”3.14″ prev_text=”Previous article” next_text=”Next article” in_same_term=”on” background_color=”#3d59a1″ title_font=”|800|||||||” title_text_color=”#ffffff” title_font_size=”15px” custom_padding=”10px|10px|10px|10px” border_radii=”on|5px|5px|5px|5px” border_width_all=”1px” border_color_all=”#3d59a1″ saved_tabs=”all” custom_margin=”30px|||” global_module=”8506″ \/][\/et_pb_column][\/et_pb_row][\/et_pb_section]<\/p>","protected":false},"excerpt":{"rendered":"
Sorry, this entry is only available in Fran\u00e7ais<\/a>. For the sake of viewer convenience, the content is shown below in the alternative language. You may click the link to switch the active language.<\/p>\n
L’histoire du prix Nobel attribu\u00e9 \u00e0 Charles Kao en 2009 pour son travail sur les fibres optiques, racont\u00e9e par le Fellow Presans Herv\u00e9 Arribart.<\/p>\n","protected":false},"author":177,"featured_media":4514,"comment_status":"open","ping_status":"open","sticky":false,"template":"","format":"standard","meta":{"_et_pb_use_builder":"on","_et_pb_old_content":"
L'auteur de cet article est Herv\u00e9 Arribart, Fellow Presans<\/a>.<\/pre>
Parmi tous les laur\u00e9ats du Prix Nobel de physique, Charles Kao (1933 - ), co-laur\u00e9at du Prix en 2009, fait figure d\u2019exception : il est le seul \u00e0 n\u2019avoir fait aucune d\u00e9couverte ni invention. Pourtant, il est consid\u00e9r\u00e9 comme le p\u00e8re des fibres optiques et on lui doit effectivement d\u2019avoir d\u00e9clench\u00e9 des progr\u00e8s technologiques qui ont \u00e9t\u00e9 \u00e0 l\u2019origine d\u2019une spectaculaire transformation de notre vie quotidienne. Comment peut-on devenir un grand innovateur sans \u00eatre ni inventeur ni d\u00e9couvreur ? R\u00e9pondre \u00e0 cette question revient dans le cas de Kao \u00e0 raconter l\u2019histoire des fibres optiques pour les t\u00e9l\u00e9communications.<\/p>
L\u2019id\u00e9e d\u2019utiliser la lumi\u00e8re pour transporter l\u2019information n\u2019\u00e9tait pas nouvelle. A la fin du XIX\u00e8me si\u00e8cle, Alexander Bell, le p\u00e8re du t\u00e9l\u00e9phone, avait invent\u00e9 le photophone, un syst\u00e8me qui utilisait la lumi\u00e8re ambiante pour transmettre un message vocal d\u2019un \u00e9metteur \u00e0 un receveur. Le signal se propageait dans l\u2019air ambiant. Le syst\u00e8me a \u00e9t\u00e9 test\u00e9 avec succ\u00e8s, mais n\u2019a jamais connu de d\u00e9veloppement, \u00e0 cause du probl\u00e8me pos\u00e9 par les mauvaises conditions m\u00e9t\u00e9orologiques : la pluie, le brouillard\u2026 A l\u2019\u00e9vidence, utiliser l\u2019air ambiant pour propager un signal optique n\u2019\u00e9tait pas une bonne solution. Un milieu optique appropri\u00e9 est n\u00e9cessaire pour y propager le signal dans de bonnes conditions et \u00e0 grande distance.<\/p>[caption id=\"attachment_4491\" align=\"alignleft\" width=\"456\"]\"Fig.<\/a> Fig. 1 : Principe de la r\u00e9flexion interne totale : pour un faisceau provenant d\u2019un milieu d\u2019indice optique n2 et se dirigeant vers un milieu d\u2019indice optique plus faible n1, la r\u00e9flexion \u00e0 l\u2019interface entre les deux milieux est de 100% si l\u2019angle d\u2019incidence \u03b8 d\u00e9passe une certaine valeur critique \u03b8c.[\/caption]
Un tel milieu optique demande bien s\u00fbr \u00e0 \u00eatre transparent, ce qui signifie que la propagation de la lumi\u00e8re \u00e0 travers lui ne doit \u00eatre que faiblement att\u00e9nu\u00e9e. Les milieux transparents ne sont pas si communs. A part l\u2019air, on peut envisager l\u2019eau et certains autres liquides et le verre ou quelques rares autres mat\u00e9riaux.<\/p>
Mais, pour propager la lumi\u00e8re entre un point A et un point B, on a aussi besoin que la lumi\u00e8re soit confin\u00e9e dans la direction A \u2192 B et ne s\u2019\u00e9chappe pas dans les autres directions. Pour cela, la solution est d\u2019utiliser un principe d\u2019optique connu depuis le XVII\u00e8me si\u00e8cle : la r\u00e9flexion interne totale. Ce principe est illustr\u00e9 sur la figure 1 et son application \u00e0 la propagation de la lumi\u00e8re dans une fibre est illustr\u00e9e sur la figure 2.<\/p>[caption id=\"attachment_4492\" align=\"alignright\" width=\"456\"]\"Fig.<\/a> Fig. 2 : Guidage de la lumi\u00e8re par r\u00e9flexion interne totale dans une fibre optique[\/caption]
Jusqu\u2019au d\u00e9but du XX\u00e8me si\u00e8cle, sa seule application \u00e9tait l\u2019utilisation de la propagation de lumi\u00e8re dans des jets d\u2019eau pour r\u00e9aliser des fontaines lumineuses (figure 3). Le principe du guidage de la lumi\u00e8re dans un jet d\u2019eau avait \u00e9t\u00e9 d\u00e9couvert par Daniel Colladon, professeur \u00e0 l\u2019universit\u00e9 de Gen\u00e8ve en 1842, et des fontaines lumineuses spectaculaires avaient \u00e9t\u00e9 r\u00e9alis\u00e9es pour l\u2019International Health Exhibition \u00e0 Londres en 1884 et pour l\u2019Exposition Universelle \u00e0 Paris en 1889.<\/p>
\u00a0<\/p>
\u00a0<\/p>[caption id=\"attachment_4490\" align=\"aligncenter\" width=\"887\"]\"Fig.<\/a> Fig. 3 : Fontaine lumineuse.[\/caption]
\u00a0<\/p>[caption id=\"attachment_4493\" align=\"alignleft\" width=\"456\"]\"Fig.<\/a> Fig. 4 : Instruments de gastroscopie au d\u00e9but du XX\u00e8me si\u00e8cle[\/caption]
Mais, la lumi\u00e8re transmet aussi des images, et l\u2019utilisation de tiges de verre ou de fibres de verre pour la vision \u00e0 distance en endoscopie, et plus particuli\u00e8rement en gastroscopie, devint au d\u00e9but du XX\u00e8me si\u00e8cle le principal moteur du d\u00e9veloppement des fibres optiques (figure 4). Une difficult\u00e9 importante \u00e0 r\u00e9soudre \u00e9tait celle des fuites de lumi\u00e8re aux endroits o\u00f9 la fibre \u00e9tait en contact avec un autre milieu, comme les parois internes de l\u2019\u0153sophage en gastroscopie. Ce probl\u00e8me est illustr\u00e9 sur la figure 5.<\/p>
\u00a0<\/p>
\u00a0<\/p>
\u00a0<\/p>
\u00a0<\/p>[caption id=\"attachment_4494\" align=\"alignright\" width=\"456\"]\"Fig.<\/a> Fig. 5 : Le probl\u00e8me des fuites de lumi\u00e8re quand une fibre nue est en contact avec un autre mat\u00e9riau, et le moyen de le r\u00e9soudre en prot\u00e9geant la fibre par une gaine (\u2018cladding\u2019 en anglais)[\/caption]
Il fut r\u00e9solu en 1951 par Brian O\u2019Brien, pr\u00e9sident de la soci\u00e9t\u00e9 am\u00e9ricaine d\u2019optique, en rev\u00eatant la fibre nue par un mat\u00e9riau de faible indice optique, de fa\u00e7on \u00e0 ce que la r\u00e9flexion interne se produise \u00e0 l\u2019interface interne et ne soit pas perturb\u00e9e par les conditions r\u00e9gnant sur la surface externe. Ce rev\u00eatement, appel\u00e9 \u2018cladding\u2019 en anglais et gaine en fran\u00e7ais, constituait la recette pour produire des fibres transmettant bien la lumi\u00e8re.<\/p>
Ce fut Lawrence Curtiss, un \u00e9tudiant de l\u2019universit\u00e9 de Rochester, qui imagina en 1956 le proc\u00e9d\u00e9 permettant de produire des fibres optiques de grande longueur. La gaine \u00e9tait constitu\u00e9e d\u2019un verre d\u2019indice plus faible que celui de la fibre interne. Pour la fabriquer, une tige faite de ce dernier mat\u00e9riau \u00e9tait introduite \u00e0 l\u2019int\u00e9rieur d\u2019un tube fait du premier. Les deux \u00e9taient scell\u00e9s l\u2019un \u00e0 l\u2019autre, formant ce que l\u2019on appelle la pr\u00e9forme, et on \u00e9tirait cette derni\u00e8re dans un four pour obtenir la fibre optique. En principe, il \u00e9tait possible d\u2019obtenir ainsi des fibres de longueur quasiment illimit\u00e9e. Des applications nouvelles apparurent dans plusieurs domaines, dont celui de l\u2019automobile. Mais, personne ne pensait encore aux t\u00e9l\u00e9communications optiques par fibres.<\/p>
Le monde des t\u00e9l\u00e9communications n\u2019\u00e9tait pas inactif pour autant, la course vers le haut-d\u00e9bit \u00e9tant aussi vieille que les t\u00e9l\u00e9communications elles-m\u00eames. Dans les ann\u00e9es 1950s, l\u2019utilisation de microondes comme vecteurs du signal paraissait \u00eatre la solution d\u2019avenir, et les grands industriels des t\u00e9l\u00e9communications, comme AT&T dans ses fameux Bell Laboratories engouffraient des d\u00e9penses \u00e9normes dans la recherche sur cette technologie. Une d\u00e9couverte capitale allait changer la fa\u00e7on de voir les choses : celle du laser en 1960. La lumi\u00e8re d\u00e9livr\u00e9e par un laser est en effet directionnelle et ais\u00e9ment manipulable et modulable, contrairement \u00e0 celle \u00e9mise par les autres sources lumineuses. On pouvait penser qu\u2019elle constitu\u00e2t un vecteur de choix pour v\u00e9hiculer l\u2019information. Des projets naquirent o\u00f9 le rayon laser \u00e9tait propag\u00e9 dans l\u2019ai\nr enferm\u00e9 dans un tuyau.<\/p>
Pourquoi l\u2019utilisation de fibres optiques dans laquelle on injecte le rayon laser n\u2019apparut elle pas imm\u00e9diatement comme une \u00e9vidence ? La r\u00e9ponse \u00e0 cette question tient dans le ph\u00e9nom\u00e8ne d\u2019absorption de la lumi\u00e8re qui se produit dans tout mat\u00e9riau, et qui se mesure en d\u00e9cibel par kilom\u00e8tre (dB\/km). Ainsi, dans le verre ordinaire, pourtant transparent pour des trajets optiques courts de l\u2019ordre du cm, l\u2019absorption est d\u2019environ 200 dB\/km, ce qui signifie qu\u2019au bout de 1 km, la fraction de lumi\u00e8re restante est seulement de 10-20<\/sup>, c\u2019est-\u00e0-dire n\u00e9gligeable. Telle \u00e9tait la situation au moment o\u00f9 Charles Kao commen\u00e7a \u00e0 s\u2019int\u00e9resser \u00e0 ce sujet.<\/p>
Charles Kao \u00e9tait n\u00e9 \u00e0 Shanghai, puis sa famille s\u2019\u00e9tait d\u00e9plac\u00e9e \u00e0 Hong-Kong. Il avait \u00e9migr\u00e9 en Angleterre pour s\u2019inscrire en g\u00e9nie \u00e9lectrique au Woolwich Polytechnic, aujourd\u2019hui, universit\u00e9 de Greenwich. En 1960, tout en commen\u00e7ant la pr\u00e9paration de son doctorat \u00e0 l\u2019University College de Londres, il fut recrut\u00e9 comme chercheur par la \u2018Standard Telephones and Cables\u2019 (STC) \u00e0 Harlow, qui avait lanc\u00e9 un programme de recherche sur l\u2019utilisation des lasers dans les t\u00e9l\u00e9communications (figure 6). Son sup\u00e9rieur, Tony Karbowiak, l\u2019incita \u00e0 travailler sur les milieux optiques pour la propagation de l\u2019information. L\u2019id\u00e9e de Karbowiak \u00e9tait d\u2019utiliser des guides d\u2019onde optiques en couches minces. En 1964, celui-ci quitta STC ; Kao fut nomm\u00e9 chef du programme de t\u00e9l\u00e9communication optique et se tourna vers les fibres optiques.<\/p>[caption id=\"attachment_4495\" align=\"alignnone\" width=\"945\"]\"Fig.<\/a> Fig. 6 : Charles Kao dans son laboratoire de Standard Telephones and Cables \u00e0 la fin des ann\u00e9es 1960s[\/caption]
Contrairement \u00e0 tous ses comp\u00e9titeurs, Kao pensait que l\u2019att\u00e9nuation relativement importante de 200 dB\/km dans le verre n\u2019\u00e9tait pas une fatalit\u00e9. Il se tourna vers les sp\u00e9cialistes en mat\u00e9riaux vitreux de l\u2019universit\u00e9 de Sheffield, qui l\u2019encourag\u00e8rent dans son intuition, lui d\u00e9clarant que le m\u00e9canisme d\u2019att\u00e9nuation n\u2019\u00e9tait probablement pas intrins\u00e8que au mat\u00e9riau, mais d\u00fb \u00e0 des impuret\u00e9s, comme le fer, pr\u00e9sentes en relativement forte concentration. Kao calcula que si la concentration en fer pouvait \u00eatre r\u00e9duite \u00e0 une partie par million (1 ppm), alors l\u2019att\u00e9nuation ne serait plus que de 20 dB\/km, ce qui ouvrirait la voie aux t\u00e9l\u00e9communications \u00e0 longue distance, puisque la fraction de lumi\u00e8re restante apr\u00e8s un trajet d\u2019un kilom\u00e8tre serait de 1%, rendant faisable sa d\u00e9tection et son amplification dans des relais. Ces r\u00e9flexions firent l\u2019objet d\u2019un premier article important \u00e9crit avec son adjoint, George Hockham, en 1966. Dans cet article visionnaire, il \u00e9crit : \u201cIt is foreseeable that glasses with a bulk loss of about 20 dB\/km \u2026 will be obtained, as the iron-impurity concentration may be reduced to 1 part per million.<\/em>\u201d, puis \u201cTheoretical and experimental studies indicate that a fibre of glassy material constructed in a cladded structure \u2026 represents a possible practical optical waveguide with important potential as a new form of communication medium.<\/em>\u201d et \u201cThe realisation of a successful fibre waveguide depends, at present, on the availability of suitable low-loss dielectric material. The crucial material problem appears to be one which is difficult but not impossible. Certainly, the required loss figure of around 20 dB\/km is much higher than the lower limit of loss figure imposed by fundamental mechanisms.<\/em>\u201c. Cet article, aujourd\u2019hui consid\u00e9r\u00e9 comme fondateur des t\u00e9l\u00e9communications \u00e0 fibres optiques, n\u2019eut pourtant que peu de retentissements \u00e0 l\u2019\u00e9poque.<\/p>
Il restait \u00e0 Charles Kao \u00e0 accomplir un pas suppl\u00e9mentaire : prouver que dans certains solides l\u2019att\u00e9nuation pouvait effectivement atteindre 20 dB\/km ou moins, ce qu\u2019il fit pendant les ann\u00e9es suivantes en mettant au point un instrument d\u2019optique ultra-sensible capable de mesurer avec une grande pr\u00e9cision des att\u00e9nuations tr\u00e8s faibles dans des \u00e9chantillons de petites dimensions. Il mesura dans l\u2019Infrasil, une silice vitreuse obtenue par fusion directe du quartz naturel, une att\u00e9nuation de 5 dB\/km. Ce r\u00e9sultat fut publi\u00e9 en 1969. Les deux articles, celui de 1966 et celui de 1969, montraient donc le chemin : il fallait devenir capable de produire sous forme de fibres de la silice ultra-pure. C\u2019est Robert Maurer de la soci\u00e9t\u00e9 Corning qui y r\u00e9ussit le premier, en inventant en 1970 un proc\u00e9d\u00e9 de fabrication de silice r\u00e9volutionnaire, ne passant pas par la fusion, mais par le d\u00e9p\u00f4t du mat\u00e9riau \u00e0 partir de la phase gazeuse en utilisant des pr\u00e9curseurs organiques de la silice issus de la chimie fine, et donc plus facile \u00e0 obtenir purs. Le c\u0153ur de la fibre et sa gaine sont produits successivement par le m\u00eame proc\u00e9d\u00e9, d\u00e9crit dans le brevet indiqu\u00e9 dans les r\u00e9f\u00e9rences. Maurer obtint des fibres dont l\u2019att\u00e9nuation \u00e9tait de 7 dB\/km. Depuis, l\u2019am\u00e9lioration continue du proc\u00e9d\u00e9 a permis de progresser tr\u00e8s significativement, le record d\u2019att\u00e9nuation \u00e9tant aujourd\u2019hui de 0,15 dB\/km (97 % de la lumi\u00e8re transmise apr\u00e8s un trajet de 1 km).<\/p>
En d\u00e9cernant le prix \u00e0 Charles Kao plut\u00f4t qu\u2019\u00e0 Robert Maurer, le comit\u00e9 Nobel a voulu r\u00e9compenser l\u2019innovation plus que l\u2019invention. C\u2019est un cas unique. Il faut dire que rares sont les cas de perc\u00e9es technologiques dans lesquelles l\u2019innovation a pr\u00e9c\u00e9d\u00e9 l\u2019invention. Le fait que le prix Nobel ait \u00e9t\u00e9 d\u00e9cern\u00e9 plus de quarante ans apr\u00e8s la publication des articles originaux montre bien que c\u2019est globalement le d\u00e9veloppement des t\u00e9l\u00e9communications par fibres optiques plus que l\u2019invention de la fibre optique de faible att\u00e9nuation qui a \u00e9t\u00e9 r\u00e9compens\u00e9.<\/p>
\u00a0<\/p>
***<\/p>
R\u00e9f\u00e9rences :<\/p>
- Hecht J., \u201cCity of light, the story of optical fibers\u201d, Oxford University Press (1999)<\/p>
- Kao C. and Hockham G., \u201cDielectric-fibre surface waveguides for optical frequencies\u201d, Proceedings IEEE 113 (1966) 1151 -<\/p>
- Kao C. and Hockham G., \u201cSpectrophotometric studies of ultra low loss optical glasses II: double beam method\u201d, Journal of Scientific Instruments Series 2 vol. 2 (1969) 331 - Maurer R. and Schultz P., brevet US 3,659,915<\/p>","_et_gb_content_width":"","_monsterinsights_skip_tracking":false,"_monsterinsights_sitenote_active":false,"_monsterinsights_sitenote_note":"","_monsterinsights_sitenote_category":0,"footnotes":""},"categories":[3],"tags":[69,215,268,399,630,635,714,726,795,857,861,1007,1255,1362,1451,1455,1521,1648,1688,1691,1692],"_links":{"self":[{"href":"https:\/\/open-organization.com\/en\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/4488"}],"collection":[{"href":"https:\/\/open-organization.com\/en\/wp-json\/wp\/v2\/posts"}],"about":[{"href":"https:\/\/open-organization.com\/en\/wp-json\/wp\/v2\/types\/post"}],"author":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/open-organization.com\/en\/wp-json\/wp\/v2\/users\/177"}],"replies":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/open-organization.com\/en\/wp-json\/wp\/v2\/comments?post=4488"}],"version-history":[{"count":0,"href":"https:\/\/open-organization.com\/en\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/4488\/revisions"}],"wp:featuredmedia":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/open-organization.com\/en\/wp-json\/wp\/v2\/media\/4514"}],"wp:attachment":[{"href":"https:\/\/open-organization.com\/en\/wp-json\/wp\/v2\/media?parent=4488"}],"wp:term":[{"taxonomy":"category","embeddable":true,"href":"https:\/\/open-organization.com\/en\/wp-json\/wp\/v2\/categories?post=4488"},{"taxonomy":"post_tag","embeddable":true,"href":"https:\/\/open-organization.com\/en\/wp-json\/wp\/v2\/tags?post=4488"}],"curies":[{"name":"wp","href":"https:\/\/api.w.org\/{rel}","templated":true}]}}