Dossier Laser
Quand la lumière apporte la parole
L’invention du laser a contribué à l’explosion des télécommunications en permettant le développement des fibres optiques. Ces dernières véhiculent beaucoup plus d’informations que les traditionnels fils de cuivre
Certes, dès le jour où le premier laser a été présenté à la presse, certains ont pensé à l’exploiter comme moyen de communication. Mais ils songeaient à l’utiliser de manière directe. Or, en traversant l’atmosphère (sans même parler des obstacles comme les montagnes, les édifices, les nuages, la pluie, la pollution…), le faisceau laser, aussi pur, cohérent et intense soit-il, subit des pertes considérables qui le rendent inutilisable à grande échelle.
C’est en 1966 qu’un ingénieur américano-britannique démontre qu’une fibre optique dans laquelle circulerait de la lumière peut être utilisée comme moyen de télécommunication. Pour ses travaux décisifs dans ce domaine, Charles Kao a d’ailleurs reçu le Prix Nobel de physique en 2009. Une de ses principales contributions est d’avoir mis en évidence que les pertes optiques importantes mesurées dans le verre dont sont fabriquées les fibres ne sont pas dues au matériau lui-même, mais aux impuretés qu’il contient. Cela a poussé l’industrie à perfectionner ses techniques de fabrication afin d’obtenir une transparence très pure.
Guide d’onde
Une fibre optique est constituée d’un cœur et d’une gaine, tous les deux en verre, mais possédant un indice de réfraction différent. Cet agencement coaxial permet de conserver les photons à l’intérieur de la fibre, celle-ci jouant le rôle de guide d’ondes. Une configuration qui, alliée à l’utilisation d’un verre sans impuretés, réduit les pertes de manière importante et permet à la lumière de circuler sur de très grandes distances.
«Pour que la télécommunication optique soit réalisable, il ne faut pas seulement de bonnes fibres, mais aussi de bonnes sources de lumière, précise Nicolas Gisin. Les lasers sont les meilleurs candidats à ce poste puisqu’ils permettent de générer des impulsions rapides, monochromatiques et très intenses. Cela dit, le principe de base de la télécommunication implique de pouvoir allumer et éteindre la source de lumière un grand nombre de fois par seconde. Les premiers lasers, trop gros, n’étaient pas adaptés à cet usage.»
Miniaturisation
Ce sont les lasers à semi-conducteurs qui ont fourni la solution de la miniaturisation. L’allumage ou l’extinction d’un dispositif de moins d’un millimètre (à l’aune de ce que fabrique l’industrie aujourd’hui) ne dure en effet pas plus d’un milliardième de seconde. La contrainte, toutefois, est que ces appareils peuvent émettre certaines longueurs d’onde, mais pas d’autres.
Au début, il y a donc eu un dialogue entre les développeurs de lasers et ceux de fibres optiques pour essayer d’accorder au mieux le choix du verre dans lequel seront usinées les fibres optiques et la ou les longueurs d’onde produites par les semi-conducteurs.
Un compromis a été trouvé (1,3 et 1,5 micromètre de longueur d’onde) et les premières fibres optiques commencent à être installées en masse dès les années 1980. Elles ont maintenant tissé leur toile sur toute la planète, sur terre comme sous les océans. La téléphonie et Internet ne pourraient d’ailleurs plus s’en passer.
Question de coûts
«L’avantage des fibres optiques sur leur prédécesseur, les fils de cuivre, est énorme, mais il se résume essentiellement à une question de coût, souligne Nicolas Gisin. Le principal atout de la communication optique est la bande passante. On peut faire circuler beaucoup plus d’informations dans une fibre (sous forme de photons) que dans un fil métallique (sous forme d’électrons). Cela s’est encore amélioré dans les années 1990, lorsqu’a été développé le multiplexage.» Dans ce cas, on superpose dans la même fibre des signaux ayant des longueurs d’onde proches bien que différentes. Il suffit ensuite de les séparer à la sortie, ce qui se fait de manière courante aujourd’hui.
Résultat: si tous les habitants de Chine voulaient parler à tous les résidents d’Inde, ce milliard de communications pourrait passer simultanément dans un câble unique – constitué de nombreuses fibres optiques – dont le diamètre ne dépasserait pas une dizaine de centimètres. S’il était en cuivre, ce câble céderait sous son propre poids.
La musique et l’image sous laser• Le disque compact a été inventé en 1979, conjointement par les entreprises Philips (conception du disque et des lentilles de lecture) et Sony Corporation (définition du format et correction des erreurs de lecture). Il reprend et perfectionne une technologie développée pour le Laserdisc, un support conçu une année plus tôt et destiné à la vidéo. • La surface du CD est parsemée de minuscules alvéoles. Celles-ci réfléchissent le rayon laser émis par la tête de lecture. Un détecteur mesure les variations de la lumière réfléchie qui lui parviennent sous la forme d’un code binaire (une succession de 1 et de 0). • La taille de ces alvéoles dépend de la longueur d’onde du laser utilisé pour la lecture et produit par un semi-conducteur. Les CD utilisent une longueur d’onde de 780 nanomètres (à la limite de l’infrarouge). Ces galettes peuvent stocker jusqu’à 700 mégabyts (MB), soit près de 80 minutes de musique. • Le succès commercial des CD a progressivement supplanté les disques en vinyle. La vente des premiers a dépassé celle des seconds à la fin des années 1980. • En 1995 apparaît le DVD, développé par un consortium de dix firmes. Il sert principalement à l’enregistrement de données et de vidéo. Utilisant une longueur d’onde de 650 nm (rouge), plus petite que celle du CD, il permet un meilleur stockage de l’information. Un DVD (simple couche et simple face) peut contenir 4,7 gigabytes (GB). • Les cassettes magnétiques VHS sont supplantées par les DVD dès les années 2000. • Les progrès technologiques permettent de développer au début des années 2000 des lasers à semi-conducteur émettant dans la couleur bleue violette, c’est-à-dire d’une longueur d’onde nettement plus petite que le rouge. • En 2006, le Blu-Ray Disc, ou BD, est commercialisé. Développé par un consortium de dix firmes, il bat tous les records de stockage d’information. Utilisant une longueur d’onde de 405 nm, une galette (simple couche et simple face) peut contenir jusqu’à 50 GB.. |
Un rayon à tout faire• Il affûte les yeux. L’usage du laser pour des opérations ophtalmologiques est courant. Il permet de corriger la myopie, l’hypermétropie ou l’astigmatisme, mais aussi de traiter des affections comme la dégénérescence maculaire. • Il nettoie la peau. En dermatologie, le laser permet d’enlever tatouage et tache de vin ou d’épiler de façon permanente. • Il détruit le cancer. Le laser peut générer une lumière tueuse de cellules malades qui absorbent préférentiellement un marqueur chimique. La thérapie photodynamique permet une détection précoce et des traitements sélectifs pour certains cancers. • Il révèle le corps. La tomographie optique cohérente permet d’imager des tissus biologiques en trois dimensions. • Il usine les matériaux. Le laser permet de souder, plaquer, marquer, percer, découper ou encore décaper sans contact mécanique. Utilisé dans l’industrie automobile, aéronautique, manufacturière ou électronique, il s’attaque à des matériaux aussi divers que le bois, le papier, le textile, le plastique, l’acier, le cuivre, etc. • Il micro-usine les matériaux. La précision du laser permet de réaliser des pièces à l’échelle du micron, soit du millionième de mètre, notamment pour l’horlogerie. Il permet également de marquer des objets à cette échelle par exemple pour lutter contre la contrefaçon. • Il dessine. Le laser permet de dessiner des motifs (photolithographie), dont la précision est de l’ordre de la longueur d’onde, c’est-à-dire moins d’un micron. • Il prend des mesures. Le laser est devenu un outil de mesure. Il peut remplacer le fil à plomb ou le mètre dans les travaux de bricolage, permet de cartographier une scène de fouille archéologique, un château médiéval… • Il guide les avions. Les avions peuvent connaître leur position à tout moment grâce à des gyromètres laser. • Il fait l’addition. Les codes-barres utilisés entre autres sur les produits vendus dans les supermarchés sont lus grâce à un laser.  • Il rajoute une dimension. L’holographie couleur permet de réaliser de la photographie d’art en trois dimensions, tandis que les shows laser font depuis longtemps partie du monde du spectacle. • Il assure la sécurité. Le laser est un élément essentiel pour la sécurisation de site ou de lieux (détection d’intrus, protection de frontières…). • Il sonde l’atmosphère. Le LIDAR et le Teramobile sont devenus des outils indispensables pour détecter et analyser les polluants atmosphériques. • Il stocke de l’information. Les CD, DVD et autres Blu-Ray fonctionnent grâce au laser. • Il informe et communique. Les fibres optiques dans lesquelles circule de la lumière de lasers sont utilisées par la téléphonie fixe et mobile ainsi que par Internet. |