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OPTIQUE

Faisceaux multipliés

Un article sur la nouvelle génération de fibres optiques est publié par un chercheur brésilien dans un important périodique international

Publié en mars 2010

Les fibres à cristaux photoniques représentent un nouveau moment dans l’ère des communications optiques

UNICAMP AND UNIVERSITY OF BATHLes fibres à cristaux photoniques représentent un nouveau moment dans l’ère des communications optiquesUNICAMP AND UNIVERSITY OF BATH

Dans les années 90, des chercheurs de l’Université de Bath, en Angleterre, ont réussi à créer et ont révélé au monde un nouveau type de fibre optique qu’ils ont baptisé fibres à cristaux photoniques (FCP ou PCF pour Photonic Crystal Fiber). Selon ses inventeurs, cette innovation présente plusieurs avantages et aurait des propriétés bien plus intéressantes que les fibres optiques conventionnelles, filaments faits de silice ou de matériau polymère de l’épaisseur d’un fil de cheveu, capables de transmettre à haute vitesse des données sous forme de lumière. Quinze ans après cette découverte, les FCPs sont déjà employées dans divers domaines: de l’amplification de signaux dans les réseaux de transmission de données vers des tomographes optiques informatisés, en passant par des dispositifs laser, des capteurs ultrasensibles et des sources de lumière. Mais ils n’ont pas totalement substitué les fibres traditionnelles. En janvier de cette année, l’ingénieur électricien Arismar Cerqueira Sodré Júnior, professeur à la Faculté de Technologie de l’Université d’État de Campinas (Unicamp), au campus de la ville de Limeira, a publié un article intitulé « Recent progress and novel applications of photonic crystal fibers » dans la revue Report on Progress in Physics, dans lequel il aborde les applications et l’état de l’art de cette nouvelle technologie.

Au début du texte, Arismar Cerqueira, âgé de 31 ans, reprend l’interrogation du physicien irlandais Philip Russel, de l’Université de Erlangen- Nuremberg, en Allemagne, inventeur de cette nouvelle classe de fibres optiques : les fibres à cristaux photoniques pourraient-elles marquer le début d’une nouvelle ère dans les communications optiques ? Et, dans sa conclusion, de 21 pages, Arismar Cerqueira laisse pla- Unicamp ner un doute provocateur : la technologie FCP peut-elle rendre obsolètes les fibres optiques conventionnelles ? L’étude a été écrite à partir d’une invitation des éditeurs de la publication, considérée l’une des trois les plus prestigieuses au monde dans le domaine de la photonique. Elle possède un facteur d’impact de 12,09 (ce facteur se rapporte au nombre de fois que les articles qu’elle publie sont cités par d’autres auteurs dans leurs travaux). Selon les éditeurs de Report on Progress in Physics, la version électronique de l’article (qui, techniquement, est une révision, car elle ne présente aucune nouvelle découverte, mais révise tout ce qui existe sur le sujet en question) a été téléchargée plus de 250 fois dans les 11 premiers jours qui ont suivi sa publication, le 21 janvier, but atteint uniquement par 10% de tous les articles divulgués par des périodiques publiés par l’Institute of Physics (IOP, dans son sigle en anglais).

Les FCPs suscitent énormément de questions, mais présentent déjà plusieurs réponses. Pour mieux comprendre les perspectives futures de ce nouveau genre de fibre, il est fondamental de comprendre comment elles fonctionnent, quelles sont leurs potentialités, dans quels appareils elles sont utilisées et comment elles se différencient de la technologie traditionnelle. Bien plus efficaces que les fils de cuivre, les fibres optiques conventionnelles sont constituées d’une couche externe et d’un noyau, généralement en silice. Son mode de fonctionnement est simple : un faisceau laser est projeté sur une extrémité de la fibre et, suivant les caractéristiques optiques du matériau, il parcourt la fibre par réflexions successives. La capacité de confiner la lumière et de la faire voyager en son intérieur est rendue possible car le noyau possède un indice de réfraction supérieur à celui de la couche externe. Pour obtenir cet indice à un niveau plus élevé, la silice interne est enrichie (ou dopée) avec des atomes d’un autre matériau, tel le germanium. L’une des différences entre les fibres à cristaux photoniques et les fibres conventionnelles est que les premières ne doivent pas nécessairement contenir dans leur noyau des éléments dopants. La différence de réfraction entre le revêtement externe et le noyau de la fibre est dû à l’existence d’un ensemble régulier de petits orifices sous la forme de tunnels qui courent parallèlement à l’axe de la fibre et dans toute sa longueur. Ces orifices ont un diamètre de l’ordre d’un micromètre, l’équivalent d’un millimètre divisé par mille.

Démonstration de fibres à cristaux photoniques hybrides : sans filtre, à gauche, avec un filtre bleu et un filtre orange. Plusieurs longueurs d’ondes électromagnétiques

UNICAMPDémonstration de fibres à cristaux photoniques hybrides : sans filtre, à gauche, avec un filtre bleu et un filtre orange. Plusieurs longueurs d’ondes électromagnétiques UNICAMP

Une autre particularité des fibres à cristaux photoniques, qui sont déjà fabriquées par de grandes entreprises telles Alcatel-Lucent, en France ; Sumitomo, au Japon ; Corning, aux États- Unis ; et Draka, aux Pays-Bas, est qu’elles peuvent avoir des formes variées et sont produites avec divers matériaux, parmi lesquels la silice pure ou dopée, les polymères, les liquides, les métaux, d’autres types de verre et même avec de l’air et des gaz. La possibilité de varier les formes et la matière première est un avantage car elle permet au fabricant de projeter sa microstructure de façon à ce que la fibre présente des propriétés définies spécifiques à chaque cas. Il est, ainsi, possible de guider la lumière par différents mécanismes de propagation dans une grande variété de longueur d’ondes. « Les FCPs répondent aux exigences du marché global, qui demande des dispositifs de petites dimensions, légers, et qui consomment
peu d’énergie. Elle permet de mieux profiter de la lumière et cela améliore le fonctionnement des dispositifs optiques et la précision des appareils tels les capteurs de température et de pression, les biocapteurs, les détecteurs de champ électrique et les capteurs de gaz, entre autres », affirme Arismar Cerqueira.

Des milliers de fibres
Pour le chercheur, l’invention de la technologie FCP et son arrivée sur le marché représentent certainement un nouveau moment dans l’ère des communications optiques, mais il ne croit pas qu’elle rendra obsolètes les fibres optiques traditionnelles. « Il existe actuellement des centaines de milliers de kilomètres de fibres installées dans le monde, traversant des continents, le fond des mers, et largement utilisées dans les télécommunications . Il serait impraticable de substituer tous ces câbles optiques par des FCPs. Les nouvelles fibres représentent une technologie complémentaire et peuvent être utilisées pour des applications dans des domaines aussi divers que la médecine, la télédétection, les télécommunications et la métrologie, parmi d’autres », affirme-t-il.

Dans son article, Arismar Cerqueira aborde les nouveaux types de fibres de cristaux photoniques, parmi lesquelles les FCPs hybrides qu’il a aidé à inventer pendant son doctorat à la Scuola Superiore Sant’Anna, en Italie, avec une partie de ses études à l’Université de Bath, où il a intégré le groupe du professeur Jonathan Knight, responsable de la production de la première FCP au monde. Les fibres hybrides allient les caractéristiques de guidage de la lumière des deux types de FCP existant jusqu’à lors. Dans la première catégorie de FCP, le guidage est obtenue de façon similaire à la technologie traditionnelle, par réflexion interne de la lumière du noyau de la fibre, tandis que dans le second groupe la lumière est orientée par un nouvel effet, appelé photonic bandgaps, et circule par des fenêtres spécifiques de fréquence préalablement établies dans le projet de la fibre. Selon le professeur de l’Unicamp, la FCP hybride a été le premier guide d’onde optique à permettre le guidage simultané de la lumière par les deux mécanismes de propagation. D’après le chercheur, l’un des domaines les plus prometteurs pour l’usage des FCPs, est le développement des dispositifs optiques non linéaires, employés dans les télécommunications et produits avec quelques dizaines de mètres de fibres optiques. Selon lui, dans ce domaine il existe déjà des équipements en vente sur le marché, tels des sources de supercontinuum, un effet marqué par la production d’une lumière laser très forte et d’une large longueur d’onde. « Le supercontinuum est utilisé dans les tomographes informatisés, les équipements pour la caractérisation des fibres et des dispositifs optiques, ainsi que les systèmes de multiples longueurs d’onde pour les appareils de communication appelés DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing ou multiplexage par division de longueur d’onde dense), présents dans tous les systèmes de télécommunications », dit-il. L’entreprise anglaise Fianium et la nord-américaine RPMC Lasers, sont deux des principaux fabricants de sources de supercontinuum avec des fibres à cristaux photoniques.

Un autre usage possible pour cette technologie est le développement des peignes de fréquence, qui sont des sources de multiples longueurs d’ondes et qui possèdent toute sorte d’usages. Elles peuvent être employées comme mesureur de fréquence, pour la génération de pulsations ultracourtes et dans des appareils de métrologie et de spectroscopie optique de haute résolution. Pour l’instant, aucun de ces usages n’existe commercialement. Les FCPs peuvent aussi être utilisés pour le guidage de la lumière dans des régions de l’infrarouge proche et lointain et dans des capteurs pour détecter les fuites de gaz dans des processus industriels et dans des attentats terroristes. « Dans ces régions, les fibres traditionnelles ne fonctionnent pas car elles subissent une perte optique prohibitive. Avec la technologie traditionnelle, la lumière ne circule même pas un mètre, tandis qu’avec les FCPs elle peut « voyager » des dizaines de mètres », affirme le chercheur de l’Unicamp. L’entreprise NKT Photonics, du Danemark, commercialise des produits fondés sur la technologie FCP pour la région de l’infrarouge.

Les diverses formes de fibres à cristaux photoniques dans des images captées par un microscope électronique à balayage. La première, au-dessus, est hybride, avec deux types de guidage de lumière laser

UNICAMPLes diverses formes de fibres à cristaux photoniques dans des images captées par un microscope électronique à balayage. La première, au-dessus, est hybride, avec deux types de guidage de lumière laser UNICAMP

Les FCPs sont aussi capables de guider la lumière dans la région de fréquence électromagnétique des térahertz (THz), une bande également prohibitive pour les fibres traditionnelles. Pour Arismar Cerqueira, la propagation de la lumière dans cette bande représente une technologie clé pour résoudre les difficultés qui existent dans la transmission de données entre la microélectronique et les communications optiques. « Actuellement, la capacité de transmission de données des systèmes optiques peut être considérée infinie ou, tout au moins, certains ordres de grandeur supérieurs aux demandes de trafic des systèmes de communications. Mais, à cause de la limitation des composants électroniques, la bande de transmission est sous-utilisée. Avec le guidage de la lumière en THz, la limite de transmission de données peut augmenter de quelques dizaines de térabytes par seconde, ce qui améliorerait jusqu’à mille fois le fonctionnement des systèmes de communication dans le monde ».

Contribution brésilienne
Le Brésil peut être considéré l’un des centres avancés dans la recherche sur les FCPs. Des travaux importants ont été réalisés par le professeur Arismar Cerqueira et d’autres recherches sont en développement à l’Institut de Physique Gleb Wataghin de l’Unicamp qui, depuis plus de 30 ans, mène des recherches dans le domaine des fibres optiques et intègre le Centre de Recherche en Optique et Photonique (CePOF) de Campinas, l’un des Centres de Recherche, d’Innovation et de Diffusion (Cepids) de la FAPESP. Outre le CePOF, l’Unicamp a aussi participé à un autre grand projet dont les FCPs sont l’une de ses lignes de recherche : le Fotonicom, l’un des Instituts Nationaux de Sciences et de Technologie (INCTs) soutenus par la Fondation et le Conseil National de Développement Scientifique et Technologique (CNPq). L’une des innovations apparues à l’Unicamp a été une fibre à cristaux photoniques avec des électrodes (fils en cuivre) intégrés. Cette particularité permet d’appliquer du voltage à la fibre ou d’y faire passer un courant électrique simultanément au guidage de la lumière. Ainsi, le faisceau lumineux peut être modulé avec le courant électrique, ouvrant de nouvelles possibilités pour utiliser la fibre dans des capteurs pour la détection de gaz et des modulateurs optiques employés dans des réseaux de transmission de données. Il est aussi important de noter les expériences réalisées au Laboratoire de Phénomènes Ultra-rapides, coordonné par le professeur Carlos Henrique de Brito Cruz, directeur scientifique de la FAPESP. Un article publié par Arismar Cerqueira et Carlos Brito dans la revue Optics Letters en 2008, démontre le développement d’un convertisseur de fréquence pour le transfert d’énergie entre des banggaps photoniques. D’autres expériences réalisées à l’Unicamp avec des fibres FCPs peuvent être lues dans les éditions nº 106 et 147 de la revue Pesquisa FAPESP.

Articles scientifiques
1. CERQUEIRA S. JR., A. Recent progress and novel applications of photonic crystal fibers. Reports on Progress in Physics. v. 73. 2010. On-line.
2. CERQUEIRA S. JR., A.; CORDEIRO, C.M.B.; BIANCALANA, F.; ROBERTS, P. J.; HERNANDEZ-FIGUEROA, H. E.; BRITO CRUZ, C. H. Nonlinear interaction between two different photonic bandgaps of a hybrid photonic crystal fiber. Optics Letters. v. 33, p. 2.080-82. 2008.
3. CERQUEIRA S. JR., A; LUAN, F.; CORDEIRO, C. M. B.; GEORGE, A. K.; KNIGHT, J. C.. Hybrid photonic crystal fiber. Optics Express. v. 14, p. 926-31. 2006.

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