La fibre optique, gadget pour chercheurs puis ingrédient central pour les télécommunications

26/08/2017
Auteurs : Jacques Ernest
OAI : oai:www.see.asso.fr:1301:2012-1:19595
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Résumé

La fibre optique, gadget pour chercheurs puis ingrédient central pour les télécommunications

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	    <date dateType="Updated">Sat 26 Aug 2017</date>
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REE N°1/2012 ◗ 45 Lasers, fibres et télécommunications Jacques Ernest Le passage des techniques hyperfré- quences aux lasers et aux technolo- gies optiques Il faut beaucoup insister sur le fait qu’aux alentours des années 50/60, on estimait que les progrès à ve- nir dans le domaine des télécommunications provien- draient encore du spectaculaire développement des techniques hyperfréquences, en ondes décimétri- ques puis centimétriques, qu’avait impulsées le radar depuis la 2e Guerre mondiale, ainsi que les techni- ques connexes : magnétron, klystron, tube à ondes progressives, antennes, câbles coaxiaux, et plus tard guide d’ondes millimétriques, etc. Ce «  passé électromagnétique  » («  passé  » du point de la recherche, alors que les hyperfréquences sont répandues partout dans notre monde actuel !) a marqué la vie des grands laboratoires militaires, aux Etats-Unis, en Allemagne, en Angleterre, et même en France, ainsi que celle d’importantes institu- tions de recherche fondamentale, comme celles de l’Université Columbia aux Etats-Unis, de l’Ecole Nor- male Supérieure en France (Yves Rocard, père d’un certain Michel…) et de grands centres de recherche industriels associés à la dite activité de physique fon- damentale, notamment ceux de la CSF en France et bien entendu des Bell Labs et d’ITT aux Etats-Unis1 . 1 Voir notamment : A History of Engineering and Science in the Bell System’, E.F. O’Neill, Editor C’est bien dans ce vivier extraordinaire de re- cherche qu’apparaît la montée en fréquences vers l’optique cohérente, et donc vers le laser (Light Am- plification by Stimulated Amplification of Radiation), héritier direct du maser (Microwave Amplification by Stimulated Emission or Radiation), né dans les labos de l’Université Columbia. S’il est vrai que la première démonstration de l’ef- fet laser en 1960 (laser impulsionnel à rubis, sans avenir direct pour les télécommunications) est due à Th. Maiman des laboratoires Hughes, sa théorie en avait bien été proposée, deux ans auparavant, par de grands chercheurs des Bell Labs associés à ceux de Columbia, Schawlow et Townes, futurs prix Nobel. De grands centres de recherche soviétiques, eux-mêmes partie du complexe militaro-scientifique du régime, étaient loin d’être inactifs. On connaîtra bientôt les noms de Basov et Prokhorov, du Laboratoire Lebedev à Moscou, eux-mêmes aussi futurs prix Nobel. Mais c’est bien au sein des laboratoires d’ATT (les Bell Labs) et aussi d’ITT, avec les équipes de Kao et Hockam, que se produisent les avancées déterminan- tes pour les télécommunications, dans ce qu’on com- mence tout juste à appeler l’optique cohérente, avec l’invention du premier laser à gaz à émission continue (hélium/néon) émettant vers 0,7 µm de longueur d’onde et permettant des expériences réalistes de transmission d’informations, à condition bien entendu de disposer aussi d’éléments adaptés de modulation et de détection des signaux lumineux. C’est dans ce contexte que s’inscrit l’expérience professionnelle de l’auteur de cet article, à ses débuts. La fibre optique, gadget pour chercheurs puis ingrédient central pour les télécommunications This article is aimed at giving an overview of the sudden transition, within ten tears, experienced by the optical fiber (and the related quantum optics or photonics) from the status of “gadgetry for research engineers”, without any predictable future, to that of having become a central element for the development of our communication systems, from now on. The article is essentially based on the author’s own experience, within the CGE/Alcatel research teams, in close cooperation with the corresponding basic research and industrial labs in France (including notably those of CNET), not forgetting very active contacts with the equivalent organizations, worldwide. abstract 46 ◗ REE N°1/2012 Lasers, fibres et télécommunications Après un commencement de carrière consacré aux antennes hyperfréquences, dans les laboratoires issus de la CSF, il a eu la chance d’être à la fois témoin et acteur des tout débuts de la révolution optique dans le domaine des télécommunications. De 1962 à 1964, il a, en particulier, travaillé au sein des équipes des Bell Labs (à Crawford Hill, N.J.) qui œuvraient avec enthousiasme sur les lasers (à gaz certes, mais conti- nus) et sur des premiers « devices » destinés à valider l’appli- cation possible des ces nouveautés à d’éventuelles liaisons de télécommunications optiques : il s’agissait, notamment, d’expérimentations sur des modulateurs de lumière à très haut débit (de l’ordre de plusieurs GHz, sous la direction de R. Kompfner, A.-G. Fox, T. Li, I-.P. Kaminow). Le « laser… à quoi ? » : explorations dans d’autres domaines d’applications potentielles Dès les années 60, le laser fait l’objet d’investigations en vue d’applications dans tous les domaines : militaires (télémé- trie, guidage), médicales (œil), industrielles (alignement, usina- ge…). Les recherches sur les sources laser contribuent à cette explosion d’idées avec de vastes découvertes dans des domai- nes de longueurs d’onde allant de l’infrarouge : laser à CO2 (10 µm), lasers à gaz allant jusqu’au bleu : laser à argon, mais aussi sur la manipulation des sources et faisceaux laser (modu- lation, déviation, changement de longueurs d’onde, etc.). Sous les retombées des recherches alors en cours dans le domaine du nucléaire (civil et militaire), apparaît le poten- tiel extraordinaire de concentration d’énergie optique dans un temps court (ns) et dans un très petit espace que peu- vent offrir certains types de laser, notamment le laser à verre dopé au néodyme. Tous ces travaux font à l’époque l’objet de financements importants de la part d’organismes d’état : DGRST, DRME (devenue DRET) et CEA. C’est ainsi qu’à partir de 1964, l’auteur rejoint les équipes dirigées par Jean Robieux, au Centre de Recherches de la CGE (Marcoussis), prenant en charge les activités concernant les lasers solides et les applications de l’optique quantique (op- tique non linéaire, modulation, déviation de faisceaux etc.). Signalons au passage que cette expertise en matière de lasers solides impulsionnels a permis alors à la CGE de livrer aux laboratoires américains concernés (Lawrence Livermore Lab, NRL) les premiers lasers kilojoules, ancêtres de l’actuel Laser Mégajoule. La période-clé dans le domaine des télécoms optiques : 1970-1980 C’est au début des années 1970 qu’apparaît un intérêt réel, dans les laboratoires des grands groupes de l’industrie électronique et des télécommunications (Bell Labs, RCA, Philips, NEC, CNET, Th-CSF et CGE) pour les possibilités nou- velles apportées par quelques innovations scientifiques et techniques, de caractère assez confidentiel au départ, mais qui s’avèreront capitales pour la suite. Il faut évidemment insister sur l’extraordinaire impact, dans le petit monde des chercheurs, mais également bien au-delà, du « breakthrough » introduit par Charlie Kao, alors grand responsable des recherches dans les laboratoires d’ITT (USA), prédisant le rôle central de la fibre optique comme support de transmission. Cela s’accompagnait d’autres pro- grès significatifs, qui ont tous contribué à valider l’idée de télécommunications optiques et donc à très haut débit : • Progrès dans les performances de fond des diodes élec- troluminescentes et des lasers à semi-conducteurs (à base GaAs puis, plus tard, InP), qui commencent enfin à fonc- tionner, à température ambiante (la première dans ce do- maine revenant encore aux Bell Labs), avec des durées de vie compatibles avec des applications industrielles. Impact fondamental des nouvelles structures pour les dits lasers (simples et doubles hétérojonctions) et, surtout, progrès dans les techniques de fabrication (épitaxie liquide puis par jets moléculaires, etc.) ; • Plus spectaculairement, apparition de techniques de fabri- cation de fibres optiques qui seront déterminantes pour la réduction de l’absorption de la lumière, aux longueurs d’onde intéressantes (celles délivrées par les émetteurs à semi-conducteur : 0,8 µm puis 1,3 et 1,6 µm ; • Un événement décisif : l’annonce par Corning Glass Works de l’obtention de fibres, à base de silice, d’atténuation très faible (20 db/km), à un Congrès de Genève, at- ténuation abaissée très vite à 4 db/km. D’un coup, la fibre optique change de statut : d’un objet qui n’intéressait que les médecins, chirurgiens et autres décorateurs, elle devient un support crédible pour la transmission d’informa- tions à grande distance et, qui plus est, à très haut débit, du fait même des hautes fréquences porteuses offertes par la lumière cohérente. Moins connues, mais encore plus déci- sives pour le passage à la fabrication industrielle des fibres, seront les techniques de matériaux et de fabrication (silice et silice dopée, MCVD) mises au point aux Bell Labs (Mc- Chesney et Pearson) : la fibre échappe à l’industrie verrière pour passer à des modes de fabrication plus proches de celle des semi-conducteurs. Cependant, il règne un grand climat d’incertitude, pen- dant toute la première moitié des années 70, quant au réel avenir de ces curiosités technologiques dans les télécoms. Je me souviens de discussions avec certains de mes correspon- dants et amis aux Bell Labs (Sevick, Chynoweth et autres), REE N°1/2012 ◗ 47 La fibre optique, gadget pour chercheurs puis ingrédient central pour les télécommunications en 1971, qui estimaient que l’introduction de ces innovations dans les systèmes et réseaux étaient « way off » ! Création d’une capacité scientifique et technique au CR CGE et lancement des activités industrielles Dès 1971, le Centre de Marcoussis de la CGE décide de lancer une activité de recherche sur le domaine à peine émergent des LFO (liaisons par fibres optiques), en abordant, avec des effectifs réduits, l’ensemble des questions posées : matériaux, verre et fibrage (Division Matériaux : J.-P. Dumas), DEL et lasers semi-conducteurs (Division Composants  : J. Belmas, J. Benoît), métrologie et préparation de démons- trateurs «  systèmes  » (R. Boirat, L. Jeunhomme, M. Rous- seau). Notre but essentiel est double : apprendre les métiers de base et, surtout, essayer de convaincre nos partenaires, notre aval industriel, la CIT et les Câbles de Lyon, ainsi que notre grand client, la DGT (en connivence avec les équipes du CNET, Lannion et Bagneux), de l’avenir de ces techniques encore exotiques. Budget de départ en 1972 : 1 MF ! Dès fin 1972, sortent les premières diodes laser (0,8 µm), et l’on commence à fibrer du verre, avec des techniques arti- sanales. Dès l’annonce de Corning, contact est pris avec cette société, en vue d’un accord de développement, finalement signé en 1974, qui nous permet d’accélérer nos recherches, d’obtenir rapidement des fibres crédibles, et là encore, d’im- pliquer de façon décisive notre aval industriel  : Câbles de Lyon et CIT/Transmission, et d’attirer des financements exter- nes (DGRST et surtout DAII). De grandes étapes s’ensuivront : • 1973-1974  : démarrage de la technique MCVD pour les fibres à base de silice ; • 1977 : orientation des études de composants vers les fenêtres 1,3 µm et 1,6 µm, où se trouvent les minima d’atténuation ; • 1979-1980 : choix prioritaire des composants (diodes la- ser) et des fibres monomodes pour les liaisons à grande distance, notamment sous-marines (à la suite, entre autres, d’entretiens avec les responsables du programme de câ- bles optiques sous-marins du Bell System, sur le projet qui conduira au TAT-8, en 1988). En parallèle, nous montons des démonstrations, d’abord de laboratoire (liaison expérimentale présentée au salon de la SFP en 1975) puis plus proches du terrain (liaison à 140 Mbit/s), dans le but de soutenir l’engagement croissant de notre aval industriel, essentiellement CIT/Transmission et Câbles de Lyon qui créent la CLTO, et se trouveront au pre- mier rang des fournisseurs des premières grandes démons- trations et réalisations décrites par ailleurs : Tuileries-Philippe Auguste, Le Mans-La Flèche, et bien entendu TAT-8. En conclusion Comme dans bien d’autres cas d’innovations majeures, la mutation optique dans le domaine des télécommunications a résulté, au début des années 1970, d’une concomitance de facteurs tant dans le domaine scientifique et technique que dans celui des politiques industrielles : émergence du laser et de l’optique cohérente, apparition de la fibre, mais aussi accélération de la mondialisation des marchés, pour les opérateurs comme pour les équipementiers. C’est ainsi que la fibre optique s’est d’abord imposée dans le domaine des câbles transatlantiques sous-marins, via une coopération internationale tout d’abord entre Europe et Etats-Unis. On doit insister sur le fait que la dite mutation était largement imprévisible. Une fois de plus, il a fallu la détermination de quel- ques acteurs qui y ont cru, pour vaincre le scepticisme initial. Jacques Ernest est diplômé (physique) de l’ESPCI de la Ville de Paris (1957). De 1957 à 1960, il mène des travaux sur les an- tennes hyperfréquences qui sont couronnés par un Doctorat ès sciences-physiques (Laboratoires de CSF, puis de Sud Aviation). De 1962 à 1964, il se consacre à des recherches sur les lasers et leurs applications aux télécoms (Bell Labs, Crawford Hill, USA). En 1964 et jusqu’en 1982, il prend la responsabilité des recherches sur les lasers, l’optronique et les liaisons par fibres optiques au Centre de Recherches de la CGE (Marcoussis). De 1982 à 1996, il est directeur technique de CIT-Alcatel puis directeur-adjoint de la R&D du Groupe Alcatel NV, en charge notamment des coopé- rations internationales. l' auteur