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Fibre optique Dans les coulisses des filatures du Web

PHILIPPE PÉLAPRAT

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Aucune de vos requêtes sur la Toile ne lui échappe ! La fibre de verre s'est en effet rendue indispensable pour équiper toutes les infrastructures de télécommunications qui permettent l'accès au Web. Depuis les câbles sous-marins transocéaniques jusqu'aux raccordements d'abonnés des fournisseurs d'accès à Internet, elle assure le transfert des données. Plongée dans les secrets de fabrication du numéro 2 mondial de la fibre optique, Draka Comteq.

Les autoroutes de l'information, c'est elle. Elle ? La fibre optique. Ce matériau est devenu le support incontournable des transferts de données sur Internet. Il a supplanté depuis longtemps le bon vieux fil de cuivre sur les dorsales nationales ou internationales qui véhiculent nos requêtes ou nos e-mails. « La hausse continue du trafic IP et la fréquentation exponentielle des sites Web aux États-Unis et dans le reste du monde n'auraient pas été possibles sans la multiplication des artères optiques sous-marines et interurbaines », constate Jean-Michel Laveissière, le PDG fondateur d'IPercast, une entreprise spécialisée dans la gestion des contenus et services vidéo sur Internet. Et même si les volumes de requêtes se sont un peu stabilisés des deux côtés de l'Atlantique, il n'en demeure pas moins que la multiplication des abonnés à la fibre optique (+ 39 % dans le monde en 2008 selon l'Idate), poussée par l'essor de la vidéo haute définition et des usages simultanés sur une même ligne, devrait encore pousser le marché dans les prochaines décennies.

Ces prévisions sont partagées par les producteurs de fibre optique et notamment le champion européen Draka Comteq. Ce groupe néerlandais, numéro 2 mondial derrière l'américain Corning, s'est notamment installé à Douvrin (Pas-de-Calais), à une trentaine de kilomètres de Lille, pour fabriquer ce composant. L'unité de production ultramoderne, créée en 1991 par Alcatel, fait figure de filature d'un nouveau genre. S'étalant sur 122 000 m2, elle intrigue particulièrement par la hauteur inusitée de certains de ses bâtiments, une architecture monumentale, dictée par la fonction puisque la fibre est étirée sur des constructions métalliques hautes d'une trentaine de mètres. L'endroit, qui fait vivre 375 salariés, est aussi consacré à la production des préformes, ces longs cylindres de verre qui seront ensuite étirés pour former la fibre de verre. Douvrin est d'ailleurs devenu le centre de compétences mondial de cette technique pour l'ensemble des usines Draka.

Bien que le néerlandais ne soit pas verrier comme son concurrent américain Corning qui produit ses propres éléments primaires, les ateliers de fabrication des préformes de Draka ressemblent à des laboratoires et répondent aux spécifications des salles blanches. La pureté de la silice utilisée est en effet la règle de base et les opérations de chauffe qui se succèdent seraient autant d'occasions de polluer la pâte de verre si l'air ambiant n'était pas contrôlé.

Une minutieuse opération de dopage de la silice

Concrètement, le filage de la fibre de verre commence toujours par l'achat d'un tube de silice pure - la préforme initiale - fourni par un verrier comme l'allemand Heraeus. D'un diamètre de 5 centimètres et d'une longueur de 2 mètres, cette brique de base est placée dans un premier temps sur un tour rotatif autour duquel se déplace un four annulaire. Dans la méthode de production la plus répandue, la technique de dépôt par vaporisation (ou FCVD pour Furnace Chemical Vapor Deposition), des produits gazeux sont introduits dans le tube et chauffés à 1 000 °C par un chalumeau pour provoquer leur dépôt uniforme sur les parois internes. Ces produits - de l'aluminium notamment - ont la propriété de modifier les caractéristiques optiques du verre. Les couches successives déposées sont vitrifiées par les allers et retours du four externe, ce qui conduit progressivement à l'obturation du tube qui forme à ce stade un lourd barreau cylindrique. « L'opération de dopage de la silice est minutieuse puisque déterminante pour la qualité de la fibre et le niveau de performances voulu en termes d'indice de réfraction, commente Laurent Gasca, responsable des lignes de produits en charge des spécifications techniques chez Draka. Elle dure entre dix et quinze heures selon les caractéristiques programmées, mais de nouvelles machines tournantes, conçues en interne, permettent désormais de diviser ce temps par deux. »

L'industriel met également en oeuvre une seconde technique de préformage, qui a été initialement développée par Philips, la méthode PCVD (Plasma-Activated Chemical Vapor Deposition). Cette fois, il s'agit d'utiliser un four à micro-ondes annulaire pour traiter les éléments gazeux introduits dans le tube. Le procédé offre plusieurs avantages bien qu'imposant un plus grand nombre de va-et-vient du four sur le tube de verre : « Par rapport à la solution FCVD, le plasma permet un contrôle cent fois plus précis de l'indice de réfraction que l'on veut donner à la fibre, explique Laurent Gasca. Le nombre de couches fines déposées peut se compter par centaines et non plus par quelques dizaines avec le mode FCVD, pour un temps de fabrication équivalent. Enfin, les quantités de gaz nécessaires sont moindres, ce qui réduit d'autant les opérations de récupération des résidus. »

Un enrobage de quartz très pur

Une fois le traitement de la préforme réalisé, il faut la faire croître en diamètre : c'est l'opération de manchonnage, qui consiste à ajouter une couche de silice autour de la barre de verre initiale, futur coeur de la fibre, en faisant fondre des grains de quartz très purs, additionnés de composants fluorés ou chlorés à l'aide d'un chalumeau à plasma inductif. Draka utilise la méthode APVD (Advanced Plasma Vapor Deposition) mise au point originellement par Alcatel. Cette phase de grossissement s'effectue sur un « tour verrier », jusqu'à ce que le diamètre de la préforme atteigne une dizaine de centimètres.

1 000 km de fibres produites grâce à une préforme de 2 m

La production de la fibre elle-même se passe dans des ateliers très particuliers qui abritent des tours de fibrage, des bâtis métalliques relativement étroits mais d'une hauteur variant entre 25 et 35 mètres, traversant plusieurs étages du bâtiment. Ce dispositif s'explique par le fait que le processus de fibrage utilise tout simplement le principe de gravité : au sommet, un four annulaire entraîne la fonte à 2 000 °C de l'extrémité de la préforme installée en son centre, une goutte se forme et son poids étire le verre sur toute la hauteur de la tour. Arrivée en bas, la goutte est sectionnée par un opérateur et le mince fil de 125 microns s'embobine des heures durant sur un touret, pour une longueur de 800 à 1 000 kilomètres. Le processus s'effectue à l'air libre, sans intervention mécanique et à la vitesse d'un kilomètre par minute. Seuls des capteurs optiques vérifient, en divers points du parcours, le calibre de la fibre. Celui-ci n'est déterminé que par le réglage minutieux du four par rapport au diamètre de la préforme. En fin de parcours, la fibre est recouverte de deux couches : la première est une résine protectrice évitant notamment la pollution de la fibre par l'eau, ce qui la rendrait cassante. La seconde est un vernis coloré - ColorLock, décliné en douze teintes - qui permettra d'identifier une fibre parmi les dizaines qui seront enserrées dans les gaines composant un câble. « Draka est le seul industriel qui effectue ces deux phases d'enrobage directement sur la tour de fibrage, explique Laurent Gasca. Cela raccourcit le temps de production et évite des manipulations supplémentaires qui peuvent être la cause de détérioration. »

Une fois bobinée, la fibre subit des tests complets de caractérisation qui permettent de confirmer les spécifications programmées au départ. Un technicien raccorde une extrémité sur un banc d'émission laser et analyse les résultats collectés à l'autre bout du cheveu de verre. Une épreuve de résistance aux tensions mécaniques est également faite sur toutes les fibres sortant de l'usine.

Les bobines de fibre fabriquées par Draka sont destinées aux câbliers, comme la propre filiale du groupe, Draka Cable Solution, mais aussi des acteurs majeurs de la spécialité tel Nexans. Selon les besoins, les câbles contiennent quelques fils de verre ou plusieurs dizaines, qui sont lovés dans les rainures de joncs en plastique, remplis de gel hydrofuge, dans lesquels ils glissent librement pour offrir plus de souplesse. Draka fabrique 750 000 kilomètres de fibres multimodes par an (soit le quart des 3 millions de kilomètres produits sur la planète) et 19 millions de kilomètres de fibres monomodes (sur 150 millions).

Les deux spécialités de Draka

La fibre monomode Ce matériau est doté d'un coeur de très faible diamètre (moins de 10 microns) qui l'assimile à un guide d'onde, puisque la propagation de la lumière est rectiligne et s'érode peu. Elle autorise de très hauts débits et convient aux réseaux d'infrastructure qui se déploient d'un pays à l'autre, notamment par câbles sous-marins. « En liaison longue distance, on peut désormais couvrir 80 kilomètres sans réamplification du signal par un dispositif optoélectronique que l'on appelle répéteur », indique Laurent Gasca, responsable des lignes de produits, en charge des spécifications techniques. La fibre multimode Elle est réservée aux réseaux locaux. Son coeur, de diamètre supérieur à 50 microns, induit une propagation de l'information par plusieurs trajets lumineux, ou modes. Ils se réfléchissent sur les parois de la gaine de fibre, entraînant un phénomène de dispersion chromatique, ce qui impose à la longue une régénération. « On peut modérer l'usure du signal en réalisant un gradient d'indice pour la longueur d'onde utilisée, commente Laurent Gasca. C'est l'un des avantages de notre technologie plasma PCVD qui nous permet de maîtriser précisément les profils d'indice désirés. »

La qualité du verre au coeur de la transmission

Le prix Nobel de physique 2009, décerné à Charles Kuen Kao*, chercheur chez Standard Telephones and Cables (STC) dans les années 1960, récompense les travaux de cet ingénieur sur le couplage laser-fibre optique. Il a notamment mis en évidence que la performance en transmission d'information dépendait étroitement de la pureté du verre utilisé. Après avoir publié les conclusions de ses études, il réalisa en 1966, avec son confrère George Hockman, une expérimentation probante dans le laboratoire de STC en transmettant la lumière d'un laser sur plusieurs kilomètres d'une fibre dont le verre constituant le coeur était particulièrement pur. Cette démonstration mobilisa toutes les équipes de R et D et trois ans plus tard, Robert Maurer, Peter Schultz et Donald Keck parvenaient à mettre au point une méthode de production chez Corning Glass Works. Il faudra attendre encore sept années pour que la première liaison optique opérationnelle soit installée à Chicago en 1977. Aujourd'hui, plus de 80 % des communications longue distance transitent par des câbles à fibres optiques. *PRIX NOBEL PARTAGÉ AVEC WILLARD STERLING BOYLE ET GEORGE ELWOOD SMITH POUR LA RÉALISATION DES PREMIERS CAPTEURS D'IMAGES CCD.

DES PERFORMANCES EXPONENTIELLES

La fibre n'a cessé d'évoluer pour accroître sa bande passante et son débit. En bénéficiant des progrès réalisés par les équipements optoélectroniques, elle a multiplié par près de 2 000 la quantité de données véhiculées.

197744,7 Mbit/s

Le premier système de communication téléphonique optique est installé par ATT dans le centre-ville de Chicago (États-Unis). Les fibres permettent de transporter 672 conversations sur un seul canal.

20001 000 Mbit/s

En atteignant un tel débit, la fibre permet le lancement d'Internet haut débit à grande échelle.

200510 000 Mbit/s

Les offres « triple play » (Internet, téléphone et TV) font leur apparition. La voix sur IP se développe.

2009100 000 Mbit/s

L'amélioration des débits permet d'envisager le développement de la télévision HD et du marché de la domotique.

DEMAIN15 000 000 Mbit/s

Encore en développement dans les laboratoires, de tels débits permettront d'envoyer en une seconde l'équivalent de 400 DVD entre Paris et Chicago, soit dix fois la capacité des câbles sous-marins commerciaux les plus performants d'aujourd'hui.

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