Nous vivons à l’ère de l’information où l’accès à Internet est considéré comme un droit humain fondamental. L’exercice de ce droit repose largement sur les progrès technologiques réalisés dans le domaine de la communication optique. L’utilisation de la lumière pour envoyer des informations a une longue histoire: de la Grèce antique, en passant par les tours de sémaphore de Claude Chappe et le photophone d’Alexander Graham Bell, aux réseaux à fibre optique et aux futures constellations Internet par satellite actuellement développées par des géants de la technologie.

Plongeons un peu plus en profondeur dans les technologies qui ont été utilisées pour diffuser des informations à l’aide de la lumière à travers l’histoire.

Sémaphores et héliographes

Reconstruction d’un télégraphe hydraulique au Musée de la technologie de Thessalonique. Crédit: Gts-tg, CC BY-SA 4.0

La lumière pouvant voyager dans l’air bien plus loin que le son, la communication visuelle a toujours été la méthode de choix pour diffuser des informations sur de longues distances. L’un des premiers exemples est le Phryctoriae de la Grèce antique, un système de tours construit au sommet de montagnes qui pouvait envoyer des messages en allumant des torches. Apparemment, c’est ainsi que la nouvelle de la chute de Troie s’est répandue dans tout le pays. Les Grecs ont proposé différentes méthodes de codage des messages. L’une consistait à avoir deux groupes de cinq torches où chaque torche représenterait la ligne et la colonne dans une matrice 5 × 5 de lettres grecques connue sous le nom de carré Polybe. L’autre est le télégraphe hydraulique qui se composait d’un conteneur rempli d’eau et d’une tige verticale flottant à l’intérieur. La tige était inscrite de divers messages sur sa hauteur. Lorsque le signal de la torche à distance a été reçu, l’eau du récipient a été lentement drainée jusqu’à ce que la torche s’éteigne à nouveau. Grâce à la position de la tige inscrite, le niveau d’eau pourrait être corrélé à un message spécifique.

Tours de sémaphore et schéma de codage conçu par Claude Chappe. Crédit: Govind P. Agrawal, domaine public

À la fin du XVIIIe siècle, les frères Chappe ont conçu et érigé un réseau de tours de sémaphore en France pour la communication militaire. Au sommet de chaque tour se trouvait un sémaphore composé de deux bras mobiles en bois reliés par une traverse. En ajustant l’angle de chaque bras et de la barre transversale, un total de 196 symboles ont pu être affichés, observés depuis la tour suivante avec un télescope. En attendant que la station descendante copie le symbole, le protocole de communication incluait déjà un signal ACK comme moyen de contrôle de flux. En termes de débit de données, le système pourrait atteindre environ 2-3 symboles par minute; il faut environ deux minutes pour qu’un symbole voyage de Paris à Lille en 22 gares et 230 km.

À la fin du 19e et au début du 20e siècle, l’héliographe était largement utilisé pour la communication militaire. Il se composait d’un miroir qui pouvait être pivoté ou bloqué avec un obturateur pour générer des éclairs de soleil et était principalement utilisé pour transmettre du code Morse. Même si l’héliographe a été rendu obsolète par la plupart des armées dans les années 1940, il était encore utilisé par les forces afghanes lors de l’invasion soviétique dans les années 1980 et est toujours inclus dans de nombreux kits de survie pour la signalisation d’urgence.

La plus grande invention de Bell

Illustration de la partie émetteur du photophone. Crédit: Wikimedia Commons, domaine public.

Beaucoup d’entre vous connaissent probablement le type de projets de bricolage où un signal audio est transmis par un faisceau laser qui est étonnamment facile à construire. L’invention remonte à Alexander Graham Bell, qui en 1880 a inventé le photophone qu’il pensait être sa «plus grande invention jamais faite, plus grand que le téléphone». Il pourrait transmettre la parole sans fil à l’aide d’un miroir flexible monté à l’extrémité d’un tube parlant pour moduler l’intensité de la lumière du soleil réfléchie. La partie réceptrice se composait d’une cellule photoélectrique au sélénium au foyer d’un miroir parabolique. Bell et son assistant Tainter construisent également des récepteurs non électriques en utilisant des matériaux enduits de noir de lampe découvrant ainsi l’effet photoacoustique. Même si Bell était immensément fier de son invention jusqu’au point où il a voulu nommer sa deuxième fille «photophone», l’appareil n’a jamais vraiment réussi. Cela était principalement dû au fait que les transmissions d’ondes radio lancées par Marconi quelques années plus tard dépassaient de loin la distance réalisable avec la lumière et ne nécessitaient pas de ligne de visée directe.

Guider la lumière à travers le verre

Augmentation du produit bande passante-distance à travers l’histoire. Les carrés marquent l’introduction de nouvelles technologies comme le multiplexage par répartition en longueur d’onde (WDM) et le multiplexage par répartition spatiale (SDM). Crédits: Govind P. Agrawal

Hormis quelques projets militaires, les télécommunications au XXe siècle étaient principalement menées via des câbles coaxiaux et des signaux micro-ondes dans la gamme de fréquences relativement basses 1-10 GHz. C’était jusqu’au développement des communications par fibre optique dans les années 1970, qui a été rendu possible par l’invention des fibres optiques à faible perte et des lasers à semi-conducteurs.

Le principal inconvénient de la communication à haut débit via des câbles coaxiaux est que les signaux doivent être répétés environ tous les kilomètres pour compenser les pertes de câbles. Avec la communication sans fil par radiofréquence (RF), l’espacement des répéteurs peut être beaucoup plus grand, mais dans les deux cas, la bande passante est limitée à ~ 100 Mbit / s en raison de la fréquence «basse» de la porteuse RF.

La fréquence de la lumière visible et infrarouge est d’environ 1014 Hz, bien plus élevé que le 109 Fréquences Hz «Gigahertz» utilisées pour la communication RF. En conséquence, le spectre optique est environ 2600 fois plus large, en termes de fréquence, que le tout Spectre RF. Cette bande passante plus large permet des débits de données beaucoup plus élevés.

L’une des premières applications de la fibre optique comprenait le contrôle de missiles à courte portée grâce à une attache à fibre optique fixée à l’arrière du missile qui se déroulait rapidement pendant le vol. En 1977, General Telephone and Electronics a envoyé le premier trafic téléphonique en direct au monde via un système de fibre optique à 6 Mbit / s. Aujourd’hui, on estime que le réseau mondial de fibre optique s’étend sur plus de 400 millions de kilomètres, soit près de trois fois la distance du soleil.

La communication par fibre optique a rapidement dépassé de loin les vitesses de transmission de la communication RF et a été renforcée par des techniques de multiplexage telles que le multiplexage par répartition en longueur d’onde (envoi de plusieurs longueurs d’onde sur la même fibre), le multiplexage par répartition dans le temps (séparation des signaux par leur heure d’arrivée), ou l’espace- multiplexage par division (utilisant des fibres multicœurs ou multimodes). En utilisant une combinaison de ces techniques, des débits de données allant jusqu’à 11 Pbit / s ont été démontrés en laboratoire. Les faibles pertes lumineuses de 0,2 dB / km (c’est-à-dire que l’intensité ne perd qu’environ 5% après 1 km) dans les câbles à fibres optiques modernes permettent des espacements de répéteurs d’environ 80 km.

Internet depuis votre ampoule

Nous utilisons encore principalement le spectre RF pour la communication sans fil, mais il y a eu un regain d’intérêt pour l’optique sans fil. À courte distance, cela porte le nom accrocheur de LiFi et est devenu un sujet à la mode il y a environ 10 ans, en partie déclenché par cette conférence TED. Il a annoncé l’idée d’utiliser l’infrastructure déjà existante d’éclairage LED ordinaire pour la transmission de données.

Certains des avantages sont qu’il est plus efficace, plus sûr contre les écoutes clandestines et permet des bandes passantes plus élevées. Cependant, l’idée de faire transmettre votre WiFi à la maison via vos ampoules n’est jamais vraiment devenue populaire. L’une des raisons pourrait être que le fait d’avoir une connexion qui dépend de la lumière qui brille sur votre appareil n’est pas toujours considéré comme un avantage. Jusqu’à présent, le LiFi n’est utilisé que dans certaines applications industrielles où les interférences électromagnétiques ou la sécurité sont des problèmes importants. Mais les versions à faible bande passante sont des domaines privilégiés pour le piratage.

Aller à long terme

La transmission optique de données sur de longues distances porte le nom de communication optique en espace libre (FSO). Vous vous souvenez peut-être du programme de drones Aquila de Facebook, un véhicule géant à énergie solaire qui devrait rester dans la stratosphère pendant des mois pour diffuser Internet vers des régions éloignées. Outre les bandes de fréquences standard du GHz pour les communications air-sol, ils expérimentaient également des liaisons optiques en espace libre. La technologie derrière cela est toujours similaire au photophone de Bell, bien que nous utilisions maintenant des lasers IR au lieu de la lumière du soleil. Peu de temps après que Facebook a annulé son programme de drones Aquila en 2018, il est devenu public qu’ils travaillaient sur un système similaire utilisant des satellites au lieu de drones en raison de difficultés techniques. En septembre 2020, la filiale de Facebook PointView Tech a lancé le satellite Athena qui est censé tester une liaison laser au sol.

Google (ou Alphabet si vous préférez) travaille / travaillait sur des projets similaires appelés Loon et Taara. Maya Posh vient d’écrire un article plus détaillé sur Loon. Son objectif était d’envoyer un réseau de ballons à haute altitude dans la stratosphère offrant un accès Internet aux zones mal desservies, mais le projet a été arrêté il y a quelques semaines. Dans le cadre du projet Loon, une communication laser de 155 Mbit / s entre deux ballons distants de plus de 100 km a été réalisée. Le projet Taraa s’appuie sur ce succès et vise à développer des tours qui utilisent la communication laser en espace libre pour fournir une connectivité à 20 Gbit / s sur des distances de 20 km. Par rapport à l’installation de câbles à fibres optiques, ce serait un moyen rentable et rapidement déployable d’apporter une connectivité à haut débit dans les régions éloignées.

Paire émetteur-récepteur du projet open source Ronja. Crédits: Twibright Labs

Des systèmes similaires sont déjà disponibles dans le commerce par une société appelée Koruza délivrant jusqu’à 10 Gbit / s, bien que sur une gamme modeste de 150 m. Bien sûr, les pirates ont également joué avec la technologie. En 2001, le projet open source Ronja fournit des instructions pour construire une paire émetteur-récepteur à faible coût capable de communiquer à 10 Mbit / s sur une portée de 1,4 km. En tant qu’émetteur, il utilise simplement une LED rouge standard collimatée par de grandes lentilles récupérées dans des loupes. Ronja fonctionne dans la plupart des conditions météorologiques, y compris la pluie et la neige, mais échoue pendant le brouillard.

Rendu artistique de la liaison inter-satellite via la communication laser. Crédits: Mynaric

C’est l’un des principaux inconvénients de FSO. Si la nécessité d’une ligne de visée directe rend la communication plus sécurisée, elle impose également certaines restrictions. Le temps nuageux peut interrompre les communications satellite-sol, de sorte que les signaux micro-ondes sont considérés comme plus viables dans ce cas. Cependant, les futures constellations de satellites Internet comme Starlink de SpaceX, OneWeb ou le projet Kuiper d’Amazon utiliseront probablement la communication laser comme une liaison sécurisée à large bande passante entre les satellites. Les sociétés allemandes Tesat et Mynaric sont à l’avant-garde du développement de ce matériel. Leurs systèmes laser offrent actuellement des débits de données allant jusqu’à 10 Gbit / s entre les satellites LEO et les stations au sol et 1,8 Gbit / s entre les satellites géosynchrones distants de 80 000 km.

L’avancement de la communication optique des anciennes Phryctoriae à la communication laser moderne était motivé par l’objectif d’élargir l’interconnexion de l’humanité. Depuis le début, le débit des données de communication a augmenté d’environ 12 ordres de grandeur et a abouti à une course spatiale pour fournir un accès haut débit mondial via des réseaux satellitaires. Amener l’accès à Internet dans les zones mal desservies est certainement un objectif noble, mais nous pouvons également nous interroger sur l’utilité de permettre des bandes passantes toujours plus élevées alors qu’elle est principalement dévorée par le streaming vidéo. Bien qu’il n’y ait pas de limite fondamentale stricte au débit pouvant être atteint avec la communication optique, il est également intéressant de se poser la question de savoir ce qui va au-delà, peut-être la communication neutrino?