La crise de la COVID-19 a contraint les populations du monde entier à modifier rapidement leurs habitudes professionnelles et sociales, et les communautés sont devenues plus dépendantes d'Internet que jamais auparavant. La multiplication des réunions Zoom et des webinaires a mis en évidence la nécessité de poursuivre le développement des technologies qui ont rendu tout cela possible.
Depuis plus de 50 ans, les fibres optiques en verre de silice sont le support de transmission privilégié pour les communications optiques à haut débit, alimentant l'internet mondial et les services cloud utilisés par les particuliers et les entreprises du monde entier. Elles sont également utilisées pour la détection des installations pétrolières et gazières, la surveillance des infrastructures ferroviaires et des ponts, les endoscopes médicaux et de nombreuses autres applications, au sein d'un marché mondial de 40 milliards de dollars.
Cependant, la diffusion de la lumière dans le verre entraîne une perte d'énergie partielle, un phénomène appelé atténuation. Cette perte d'énergie devient un problème de plus en plus important à mesure que la longueur d'onde de la lumière diminue. Cette atténuation accrue dans la fibre optique constitue une limitation majeure pour les applications nécessitant des longueurs d'onde plus courtes.
Dans cette nouvelle étude, publiée dans Nature Communications, des chercheurs de l'Université de Southampton ont montré que guider la lumière à travers des fibres remplies d'air offre un moyen possible de surmonter cette limite d'atténuation insurmontable fixée par la diffusion du verre.
Une équipe du Centre de recherche en optoélectronique (ORC) de l'université a créé trois fibres à cœur creux présentant des pertes comparables, voire inférieures, à celles des fibres de verre massif, aux longueurs d'onde technologiquement pertinentes de 660, 850 et 1060 nanomètres. La faible atténuation de cette fibre optique ouvre des perspectives prometteuses pour les communications quantiques, la transmission de données et la puissance des lasers.
Le professeur Francesco Poletti de l'ORC déclare : « Depuis les années 1970, de nombreux types alternatifs de verre et de technologies de guides d'ondes ont été étudiés pour tenter de résoudre ce problème, mais en vain. ».
« Nos résultats montrent que les fibres à cœur creux ont le potentiel de surpasser les fibres optiques actuelles à plusieurs longueurs d'onde utilisées dans la technologie optique actuelle. Non seulement elles présentent une atténuation plus faible, mais elles peuvent également supporter des intensités laser plus élevées, telles que celles nécessaires pour la fusion de la roche et le forage de puits de pétrole, et permettre la production de lasers plus efficaces pour l'industrie. ».
Le professeur Poletti a ajouté que les fibres à cœur creux peuvent également transmettre des impulsions laser non déformées avec des niveaux de puissance de crête si élevés qu'elles seraient inutilisables si elles étaient transmises par des fibres de verre standard, et qu'elles préservent la polarisation de la lumière nécessaire à la production de capteurs et d'endoscopes d'imagerie plus précis.
Les fibres développées et décrites dans cet article sont le fruit de plus de dix ans de recherche menée par ORC sur les fibres imbriquées antirésonantes sans nœuds (NANF), un type particulier de fibre à cœur creux qui confine la lumière dans un vide central grâce à de fines membranes de verre entourant le cœur. Leurs premières fibres présentaient une atténuation de 5 décibels (dB), soit une transmission lumineuse de seulement 30 % par mètre de fibre. De nouvelles connaissances physiques, grâce aux contributions de la communauté internationale, et d'importants progrès dans les technologies de fabrication, menés par l'équipe de Southampton, ont permis à l'une des fibres présentées dans cette étude d'améliorer cette performance d'un facteur 10 000, atteignant une atténuation de seulement 5 dB par 10 kilomètres.
Le professeur Poletti a poursuivi : « La technologie que nous développons a le potentiel de servir de base au développement de centres de données plus rapides avec une latence plus courte pour l'utilisateur final, de gyroscopes plus précis pour les missions interplanétaires, d'une fabrication laser plus efficace, pour ne citer que quelques exemples. ».
L'équipe de l'Université de Southampton qui a inventé et développé cette technologie de fibre optique grâce au financement du projet Lightpipe du Conseil européen de la recherche (ERC) continue de travailler à l'amélioration des performances optiques de ces fibres, tout en produisant des longueurs plus importantes à moindre coût.
Le professeur Sir David Payne, directeur du Centre de recherche en optoélectronique, a ajouté :
« La capacité de transmission des fibres optiques est telle que nous n'aurions jamais imaginé l'exploiter entièrement. Or, ces cinq à dix dernières années, nous avons réalisé que nous approchions de ce point, et la pandémie de COVID-19 a encore accéléré ce processus. De ce fait, il n'est plus possible de modifier les fibres conventionnelles pour augmenter leur capacité ; nous devons désormais recourir au déploiement massif de nouveaux câbles à fibres optiques. Cette solution est envisageable, mais elle engendre des coûts supplémentaires. ».
« Un internet plus rapide et plus fiable, avec une plus grande bande passante, nous aiderait à maintenir nos niveaux actuels de travail et de socialisation en ligne, et nous permettrait également d'aller plus loin dans des domaines tels que la vidéoconférence 3D et la réalité virtuelle. ».
Le professeur Poletti a conclu : « Nous sommes convaincus d'avoir enfin trouvé une solution susceptible de compléter, et dans de nombreux cas de remplacer, les fibres de silice entièrement solides qui ont constitué la base des applications domestiques et commerciales pendant un demi-siècle. ».
