La fibre à noyau creux est un nouveau type de fibre optique. Contrairement aux fibres traditionnelles, qui contiennent un noyau en verre de silice (principalement composé de dioxyde de silicium), les fibres creuses sont essentiellement « vides » : elles ne contiennent que de l'air, un gaz inerte ou du vide.
L'importance des fibres à âme creuse par rapport aux fibres à âme en silice traditionnelles ne réside pas dans la réduction des coûts due à l'absence d'âme solide, mais dans la propagation supérieure des signaux lumineux dans l'air plutôt que dans les fibres de verre.
Une formule fondamentale issue de la physique au lycée illustre cet avantage :
Ici, ( v ) représente la vitesse de la lumière dans un milieu, ( c ) est la vitesse de la lumière dans le vide, communément appelée environ 300,000 XNUMX kilomètres par seconde, et ( n ) est l'indice de réfraction du milieu. La vitesse de la lumière varie selon les différents supports.
L'indice de réfraction de l'air est d'environ 1, tandis que d'autres milieux ont des indices de réfraction supérieurs à 1. Par exemple, l'eau a un indice de réfraction de 1.33, le cristal de 1.55 et le diamant de 2.42. Le verre varie entre 1.5 et 1.9 selon sa composition.
Cela signifie que la lumière voyage à travers les fibres traditionnelles à noyau de silice à une vitesse nettement inférieure à ( c ). Les données expérimentales suggèrent que l'utilisation de fibres à âme creuse peut augmenter la vitesse des signaux lumineux d'environ 47 % par rapport aux fibres traditionnelles à âme de silice.
Cette augmentation pourrait réduire considérablement la latence des communications par fibre optique d’environ un tiers. Selon les calculs des instituts de recherche, la latence des fibres à âme de silice est d'environ 5 microsecondes par kilomètre, tandis que pour les fibres à âme creuse, elle est d'environ 3.46 microsecondes par kilomètre. Sur une distance de 1000 1.54 kilomètres, cela pourrait réduire la latence de XNUMX milliseconde.
Une telle amélioration de la latence est d'une grande importance pour les secteurs qui s'appuient sur des transactions à haute fréquence, telles que la négociation de titres financiers, ainsi que pour les scénarios de soins de santé et de fabrication industrielle à distance.
Développement et évolution de la fibre à âme creuse
Examinons ensuite la mise en œuvre technique de la fibre optique à âme creuse. Le principe des fibres optiques consiste essentiellement à confiner la lumière dans un câble.
Les fibres optiques à âme pleine traditionnelles sont constituées de trois parties de l'intérieur vers l'extérieur : l'âme, la gaine et le revêtement (parfois avec une gaine extérieure supplémentaire).
Lorsque la lumière pénètre dans la fibre optique, l'indice de réfraction du cœur de la fibre (n1) est supérieur à celui de la gaine (n2), ce qui entraîne une réflexion interne totale. Cela provoque une réflexion et une propagation continue de la lumière vers l'avant.
Dans les fibres creuses, l’indice de réfraction de l’air étant inférieur à celui de la gaine, il n’y a pas de réflexion interne totale.
Par conséquent, pour confiner la lumière dans les fibres creuses, une nouvelle approche technologique est nécessaire. Dès les années 1960, lorsque Charles Kao publia son article fondateur sur les fibres optiques, le concept de fibres creuses fut proposé. Cependant, la technologie matérielle de l’époque n’était pas suffisamment mature pour le réaliser.
En 1987, les physiciens appliqués américains Eli Yablonovitch et Sajeev John ont introduit pour la première fois le concept de cristaux photoniques, sortant ainsi de l’impasse. Les cristaux photoniques, également connus sous le nom de matériaux à bande interdite photonique, sont des microstructures artificielles formées par l'agencement périodique de milieux ayant différents indices de réfraction.
En termes simples, les cristaux photoniques ont une fonction de « sélection de longueur d’onde », permettant à certaines longueurs d’onde de lumière de passer à travers tout en bloquant d’autres. Les pierres précieuses irisées, les ailes de papillon, les plumes de paon et les coquilles de coléoptères qui présentent un éclat métallique coloré dans la nature tirent toutes leurs propriétés optiques uniques des microstructures périodiques des cristaux photoniques, qui réfléchissent sélectivement des longueurs d'onde spécifiques de la lumière.
Sur la base de la théorie des cristaux photoniques, Philip Russell de l'Université de Southampton a proposé pour la première fois en 1991 le concept de fibres à cristaux photoniques (PCF). En 1996, ses collègues Jonathan Knight et Tim Birks du Centre de recherche en optoélectronique de l'Université de Southampton ont développé avec succès des échantillons de fibres à cristaux photoniques à noyau solide et démontré les caractéristiques de transmission de la lumière au sein de ces fibres.
L'image ci-dessus montre la section transversale d'une fibre optique à ce moment-là. Comme vous pouvez le constater, il y a de nombreux petits trous et aucun noyau évident.
L’avènement des fibres à cristaux photoniques (PCF) a réussi à attirer l’attention de la communauté des chercheurs en optique. De nombreuses équipes ont commencé à se joindre à la recherche sur les PCF, accélérant ainsi les progrès connexes. En 1998, Jonathan Knight et ses collègues ont annoncé la découverte de « l'effet de guidage de la bande interdite photonique dans les fibres » et ont produit la première fibre à cristal photonique à bande interdite photonique (PBG-PCF) au monde. En 1999, Philip Russell et son équipe ont publié un article dans Science, proposant la fibre à cristaux photoniques à bande interdite photonique monomode à noyau creux (HC-SM-PBG-PCF). Peu de temps après, RF Cregan et son équipe ont développé avec succès un échantillon considéré comme la première fibre creuse au monde.
Différentes conceptions structurelles de fibres à cristaux photoniques à noyau creux sont présentées dans l'image ci-dessus. L'ensemble du PBG-PCF ressemble à un nid d'abeilles. Par conséquent, on l’appelait également à l’époque Holey Fiber (HF) et Micro-Structured Fiber (MSF). Le noyau de la fibre est creux et rempli d'air. Le revêtement est constitué de nombreux trous d’aération disposés périodiquement, tous avec des diamètres, des espacements et des périodes précis. Lorsqu'un signal optique pénètre dans la fibre, les photons se déplacent du noyau d'air vers la gaine. Les trous d’air disposés périodiquement dans la gaine forment une structure cristalline photonique, empêchant les photons de fréquences spécifiques de traverser la gaine et de les « renvoyer » dans le noyau. Ainsi, les photons ne peuvent continuer à se propager que le long du noyau d’air.
Malgré les efforts continus des scientifiques pour améliorer les PBG-PCF, ils n’ont pas réussi à résoudre le problème des pertes. La perte de ces fibres est restée au niveau dB/km et leur fabrication est difficile. Cela a entravé l’application pratique des fibres creuses. Par conséquent, les scientifiques ont continué à explorer de nouvelles structures de fibres à âme creuse. Les chercheurs ont proposé la fibre creuse de type Kagome. Plus tard, sur la base de recherches sur les fibres creuses de type Kagome, ils ont introduit les fibres creuses anti-résonantes, qui sont devenues une direction de recherche dominante dans l'industrie.
En 2019, l'équipe de Francesco Poletti du Centre de recherche en optoélectronique de l'Université de Southampton a inventé la célèbre fibre antirésonante imbriquée sans nœud (NANF), réduisant la perte des fibres creuses à 1.3 dB/km. Un an plus tard, en 2020, Lumenisity, la filiale industrielle de l'université de Southampton, a réduit la perte des fibres NANF à 0.28 dB/km, faisant sensation dans l'industrie.
Examinons de plus près la structure des fibres NANF :
Le cœur de la fibre NANF est rempli d'air. Autour du noyau se trouvent des tubes de verre parallèles, chacun emboîté avec un autre tube de verre à l'intérieur. Cette configuration est connue sous le nom d'imbrication unique. Si un autre tube est imbriqué à l’intérieur, on parle de double emboîtement.
Le but de l’imbrication est lié à la « résonance ».
La résonance, également appelée interférence, se produit lorsque deux ondes sont synchronisées, ce qui entraîne une amplitude maximale. A l’inverse, à certaines fréquences, l’énergie est minimisée, on parle d’anti-résonance. Les tubes de verre emboîtés sont conçus pour former une « cavité de résonance ».
Le spectre de transmission présente plusieurs pics. Les régions situées entre ces pics sont des zones à haute réflexion, également appelées fenêtres anti-résonance. À l'intérieur de ces fenêtres, la lumière entrant par le noyau creux subira une réflexion élevée, réduisant considérablement les pertes par fuite de fibre. Les côtés des tubes de verre ne se touchent pas, c'est ce qu'on appelle sans nœuds. Si des nœuds étaient présents, ils entraîneraient des pertes importantes.
Les fibres NANF ont surmonté les limites des fibres à cristaux photoniques à bande interdite photonique (PBG-PCF) et offrent une perte théorique et une bande passante de transmission supérieures aux fibres à noyau de verre actuelles, attirant ainsi une attention considérable de l'industrie.
Des entreprises telles que BT, Comcast et euNetworks ont adopté la technologie de fibre à âme creuse NANF de Lumenisity ces dernières années. BT a utilisé NANF pour construire une liaison de réseau mobile et a effectué des tests de distribution de clés quantiques sur NANF. Comcast a collaboré avec Lumenisity pour déployer une liaison hybride de 40 kilomètres de fibres creuses et traditionnelles à Philadelphie à des fins de tests de compatibilité. euNetworks a déployé un segment de fibre creuse Lumenisity de 14 kilomètres entre Londres et Basildon pour connecter deux centres de données essentiels aux transactions financières.
En raison de la valeur commerciale importante des fibres creuses, Microsoft a acquis Lumenisity le 9 décembre 2022. Le prix de la transaction n'a pas été divulgué mais il est sans aucun doute substantiel.
Avantages des fibres à âme creuse
Discutons des avantages des fibres creuses.
1. Latence plus faible
Cela a été détaillé plus tôt.
2. Perte inférieure
La perte de transmission est un paramètre technique crucial pour les fibres optiques. Une perte plus faible signifie que le signal optique peut voyager plus loin dans la fibre, ce qui le rend plus facile à reconnaître et à démoduler à l'extrémité de réception. Les signaux optiques subissent moins de pertes lorsqu’ils sont transmis dans l’air par rapport au verre de silice. Comme mentionné précédemment, les fibres à âme creuse actuelles peuvent atteindre une perte de 0.174 dB/km, comparable à la dernière génération de fibres à âme de verre. Selon les instituts de recherche, la perte minimale théorique des fibres à âme creuse peut être réduite à moins de 0.1 dB/km, ce qui est inférieur à celle des fibres à âme de verre standard (0.14 dB/km).
3. Prise en charge de plusieurs bandes optiques
Les fibres à noyau creux peuvent facilement prendre en charge diverses bandes telles que O, S, E, C, L et U.
4. Effets non linéaires réduits
Les effets non linéaires dans les fibres à âme creuse sont 3 à 4 ordres de grandeur inférieurs à ceux des fibres à âme de verre conventionnelles, ce qui permet une puissance optique d'entrée nettement plus élevée et étend ainsi les distances de transmission.
5. Transmission laser haute puissance
Les fibres à âme de verre traditionnelles absorbent l'énergie laser lors de la transmission laser haute puissance, entraînant une accumulation de chaleur au niveau des défauts du matériau ou une répartition inégale de la température entre l'âme et la gaine, endommageant ainsi les fibres. Dans les fibres creuses, plus de 99 % de la puissance optique est transmise par l'air, minimisant ainsi l'interaction avec le matériau. Cela se traduit par une absorption matérielle plus faible et un seuil de dommage laser plus élevé pour la même puissance de transmission.
En termes simples, les fibres creuses sont moins susceptibles d’être endommagées par les lasers haute puissance (niveau kilowatt).
Outre les avantages énumérés ci-dessus, les fibres à noyau creux offrent également une faible dispersion, une faible sensibilité thermique et une résistance aux rayonnements, ce qui explique le vif intérêt de l'industrie pour le développement de la technologie des fibres à noyau creux.
Applications des fibres à noyau creux
1. Communication
La faible perte et la faible latence des fibres creuses les rendent idéales pour la communication optique, en particulier dans les scénarios de communication sensibles à la latence.
2. Détection
Les fibres à noyau creux, avec leur plus grande flexibilité et leur grande ouverture, peuvent être utilisées en détection optique pour mesurer des paramètres tels que la température, la pression, le débit et la composition chimique.
3. Applications laser
Comme mentionné précédemment, les fibres creuses peuvent résister aux lasers de haute puissance. Ils peuvent être utilisés pour transmettre des faisceaux laser pour des processus de fabrication industriels tels que la découpe et la gravure au laser, ainsi que pour l'imagerie et le traitement des tissus malades profondément dans le corps humain. Les lasers émetteurs sont essentiellement une forme de transmission d’énergie qui présente d’importantes applications potentielles.
Conclusion
En résumé, les fibres creuses sont très avantageuses et ont un large éventail d’applications. Il est essentiel d’accroître l’attention et les investissements dans cette technologie. Actuellement, des efforts sont en cours pour réduire les pertes et améliorer les performances des fibres creuses. Pour accélérer le déploiement de cette technologie, nous devons nous concentrer sur les points suivants :
1. Standardisation de la structure interne des fibres. Déterminer l'architecture optimale pour la standardisation et la production de masse.
2. Amélioration des processus. Réduire la complexité de la fabrication pour parvenir à une production à grande échelle et à haut rendement.
3. Défis d'ingénierie lors du déploiement. Anticiper et résoudre les problèmes d'ingénierie potentiels dans les déploiements réels, tels que la manière d'épisser les fibres creuses en cas de rupture.
4. Accélérer le développement de la chaîne industrielle. Assurer un support adéquat en matériaux et composants.
Au fil du temps, nous espérons que ces problèmes seront résolus et que les fibres creuses atteindront bientôt un stade commercial mature, renforçant ainsi les capacités de notre réseau.