L'auteur de cet article est Hervé Arribart, Fellow Presans.
Parmi tous les lauréats du Prix Nobel de physique, Charles Kao (1933 – ), co-lauréat du Prix en 2009, fait figure d’exception : il est le seul à n’avoir fait aucune découverte ni invention. Pourtant, il est considéré comme le père des fibres optiques et on lui doit effectivement d’avoir déclenché des progrès technologiques qui ont été à l’origine d’une spectaculaire transformation de notre vie quotidienne. Comment peut-on devenir un grand innovateur sans être ni inventeur ni découvreur ? Répondre à cette question revient dans le cas de Kao à raconter l’histoire des fibres optiques pour les télécommunications.
L’idée d’utiliser la lumière pour transporter l’information n’était pas nouvelle. A la fin du XIXème siècle, Alexander Bell, le père du téléphone, avait inventé le photophone, un système qui utilisait la lumière ambiante pour transmettre un message vocal d’un émetteur à un receveur. Le signal se propageait dans l’air ambiant. Le système a été testé avec succès, mais n’a jamais connu de développement, à cause du problème posé par les mauvaises conditions météorologiques : la pluie, le brouillard… A l’évidence, utiliser l’air ambiant pour propager un signal optique n’était pas une bonne solution. Un milieu optique approprié est nécessaire pour y propager le signal dans de bonnes conditions et à grande distance.
Fig. 1 : Principe de la réflexion interne totale : pour un faisceau provenant d’un milieu d’indice optique n2 et se dirigeant vers un milieu d’indice optique plus faible n1, la réflexion à l’interface entre les deux milieux est de 100% si l’angle d’incidence θ dépasse une certaine valeur critique θc.
Un tel milieu optique demande bien sûr à être transparent, ce qui signifie que la propagation de la lumière à travers lui ne doit être que faiblement atténuée. Les milieux transparents ne sont pas si communs. A part l’air, on peut envisager l’eau et certains autres liquides et le verre ou quelques rares autres matériaux.
Mais, pour propager la lumière entre un point A et un point B, on a aussi besoin que la lumière soit confinée dans la direction A → B et ne s’échappe pas dans les autres directions. Pour cela, la solution est d’utiliser un principe d’optique connu depuis le XVIIème siècle : la réflexion interne totale. Ce principe est illustré sur la figure 1 et son application à la propagation de la lumière dans une fibre est illustrée sur la figure 2.
Fig. 2 : Guidage de la lumière par réflexion interne totale dans une fibre optique
Jusqu’au début du XXème siècle, sa seule application était l’utilisation de la propagation de lumière dans des jets d’eau pour réaliser des fontaines lumineuses (figure 3). Le principe du guidage de la lumière dans un jet d’eau avait été découvert par Daniel Colladon, professeur à l’université de Genève en 1842, et des fontaines lumineuses spectaculaires avaient été réalisées pour l’International Health Exhibition à Londres en 1884 et pour l’Exposition Universelle à Paris en 1889.
Fig. 3 : Fontaine lumineuse.
Fig. 4 : Instruments de gastroscopie au début du XXème siècle
Mais, la lumière transmet aussi des images, et l’utilisation de tiges de verre ou de fibres de verre pour la vision à distance en endoscopie, et plus particulièrement en gastroscopie, devint au début du XXème siècle le principal moteur du développement des fibres optiques (figure 4). Une difficulté importante à résoudre était celle des fuites de lumière aux endroits où la fibre était en contact avec un autre milieu, comme les parois internes de l’œsophage en gastroscopie. Ce problème est illustré sur la figure 5.
Fig. 5 : Le problème des fuites de lumière quand une fibre nue est en contact avec un autre matériau, et le moyen de le résoudre en protégeant la fibre par une gaine (‘cladding’ en anglais)
Il fut résolu en 1951 par Brian O’Brien, président de la société américaine d’optique, en revêtant la fibre nue par un matériau de faible indice optique, de façon à ce que la réflexion interne se produise à l’interface interne et ne soit pas perturbée par les conditions régnant sur la surface externe. Ce revêtement, appelé ‘cladding’ en anglais et gaine en français, constituait la recette pour produire des fibres transmettant bien la lumière.
Ce fut Lawrence Curtiss, un étudiant de l’université de Rochester, qui imagina en 1956 le procédé permettant de produire des fibres optiques de grande longueur. La gaine était constituée d’un verre d’indice plus faible que celui de la fibre interne. Pour la fabriquer, une tige faite de ce dernier matériau était introduite à l’intérieur d’un tube fait du premier. Les deux étaient scellés l’un à l’autre, formant ce que l’on appelle la préforme, et on étirait cette dernière dans un four pour obtenir la fibre optique. En principe, il était possible d’obtenir ainsi des fibres de longueur quasiment illimitée. Des applications nouvelles apparurent dans plusieurs domaines, dont celui de l’automobile. Mais, personne ne pensait encore aux télécommunications optiques par fibres.
Le monde des télécommunications n’était pas inactif pour autant, la course vers le haut-débit étant aussi vieille que les télécommunications elles-mêmes. Dans les années 1950s, l’utilisation de microondes comme vecteurs du signal paraissait être la solution d’avenir, et les grands industriels des télécommunications, comme AT&T dans ses fameux Bell Laboratories engouffraient des dépenses énormes dans la recherche sur cette technologie. Une découverte capitale allait changer la façon de voir les choses : celle du laser en 1960. La lumière délivrée par un laser est en effet directionnelle et aisément manipulable et modulable, contrairement à celle émise par les autres sources lumineuses. On pouvait penser qu’elle constituât un vecteur de choix pour véhiculer l’information. Des projets naquirent où le rayon laser était propagé dans l’air enfermé dans un tuyau.
Pourquoi l’utilisation de fibres optiques dans laquelle on injecte le rayon laser n’apparut elle pas immédiatement comme une évidence ? La réponse à cette question tient dans le phénomène d’absorption de la lumière qui se produit dans tout matériau, et qui se mesure en décibel par kilomètre (dB/km). Ainsi, dans le verre ordinaire, pourtant transparent pour des trajets optiques courts de l’ordre du cm, l’absorption est d’environ 200 dB/km, ce qui signifie qu’au bout de 1 km, la fraction de lumière restante est seulement de 10-20, c’est-à-dire négligeable. Telle était la situation au moment où Charles Kao commença à s’intéresser à ce sujet.
Charles Kao était né à Shanghai, puis sa famille s’était déplacée à Hong-Kong. Il avait émigré en Angleterre pour s’inscrire en génie électrique au Woolwich Polytechnic, aujourd’hui, université de Greenwich. En 1960, tout en commençant la préparation de son doctorat à l’University College de Londres, il fut recruté comme chercheur par la ‘Standard Telephones and Cables’ (STC) à Harlow, qui avait lancé un programme de recherche sur l’utilisation des lasers dans les télécommunications (figure 6). Son supérieur, Tony Karbowiak, l’incita à travailler sur les milieux optiques pour la propagation de l’information. L’idée de Karbowiak était d’utiliser des guides d’onde optiques en couches minces. En 1964, celui-ci quitta STC ; Kao fut nommé chef du programme de télécommunication optique et se tourna vers les fibres optiques.
Fig. 6 : Charles Kao dans son laboratoire de Standard Telephones and Cables à la fin des années 1960s
Contrairement à tous ses compétiteurs, Kao pensait que l’atténuation relativement importante de 200 dB/km dans le verre n’était pas une fatalité. Il se tourna vers les spécialistes en matériaux vitreux de l’université de Sheffield, qui l’encouragèrent dans son intuition, lui déclarant que le mécanisme d’atténuation n’était probablement pas intrinsèque au matériau, mais dû à des impuretés, comme le fer, présentes en relativement forte concentration. Kao calcula que si la concentration en fer pouvait être réduite à une partie par million (1 ppm), alors l’atténuation ne serait plus que de 20 dB/km, ce qui ouvrirait la voie aux télécommunications à longue distance, puisque la fraction de lumière restante après un trajet d’un kilomètre serait de 1%, rendant faisable sa détection et son amplification dans des relais. Ces réflexions firent l’objet d’un premier article important écrit avec son adjoint, George Hockham, en 1966. Dans cet article visionnaire, il écrit : “It is foreseeable that glasses with a bulk loss of about 20 dB/km … will be obtained, as the iron-impurity concentration may be reduced to 1 part per million.”, puis “Theoretical and experimental studies indicate that a fibre of glassy material constructed in a cladded structure … represents a possible practical optical waveguide with important potential as a new form of communication medium.” et “The 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.“. Cet article, aujourd’hui considéré comme fondateur des télécommunications à fibres optiques, n’eut pourtant que peu de retentissements à l’époque.
Il restait à Charles Kao à accomplir un pas supplémentaire : prouver que dans certains solides l’atténuation pouvait effectivement atteindre 20 dB/km ou moins, ce qu’il fit pendant les années suivantes en mettant au point un instrument d’optique ultra-sensible capable de mesurer avec une grande précision des atténuations très faibles dans des échantillons de petites dimensions. Il mesura dans l’Infrasil, une silice vitreuse obtenue par fusion directe du quartz naturel, une atténuation de 5 dB/km. Ce résultat fut publié 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’est Robert Maurer de la société Corning qui y réussit le premier, en inventant en 1970 un procédé de fabrication de silice révolutionnaire, ne passant pas par la fusion, mais par le dépôt du matériau à partir de la phase gazeuse en utilisant des précurseurs organiques de la silice issus de la chimie fine, et donc plus facile à obtenir purs. Le cœur de la fibre et sa gaine sont produits successivement par le même procédé, décrit dans le brevet indiqué dans les références. Maurer obtint des fibres dont l’atténuation était de 7 dB/km. Depuis, l’amélioration continue du procédé a permis de progresser très significativement, le record d’atténuation étant aujourd’hui de 0,15 dB/km (97 % de la lumière transmise après un trajet de 1 km).
En décernant le prix à Charles Kao plutôt qu’à Robert Maurer, le comité Nobel a voulu récompenser l’innovation plus que l’invention. C’est un cas unique. Il faut dire que rares sont les cas de percées technologiques dans lesquelles l’innovation a précédé l’invention. Le fait que le prix Nobel ait été décerné plus de quarante ans après la publication des articles originaux montre bien que c’est globalement le développement des télécommunications par fibres optiques plus que l’invention de la fibre optique de faible atténuation qui a été récompensé.
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Références :
– Hecht J., “City of light, the story of optical fibers”, Oxford University Press (1999)
– Kao C. and Hockham G., “Dielectric-fibre surface waveguides for optical frequencies”, Proceedings IEEE 113 (1966) 1151 –
– Kao C. and Hockham G., “Spectrophotometric studies of ultra low loss optical glasses II: double beam method”, Journal of Scientific Instruments Series 2 vol. 2 (1969) 331 – Maurer R. and Schultz P., brevet US 3,659,915
