The Technology that Made the Internet Possible

En 1887, un jeune professeur de physique attachait une fine tige de verre au bout d'une flèche et la chargeait dans son arbalète artisanale. Il chauffait l'extrémité de la tige jusqu'à former une perle de verre en fusion. De la taille d'une tête d'épingle, elle tenait à peine. Puis, il décocha la flèche. Un rayon de soleil traversant la pièce illumina une minuscule fibre de verre, dont le diamètre le plus fin était inférieur à un dixième de celui d'un cheveu humain. Ces fibres servaient initialement à mesurer de très petites forces. Cependant, dans les décennies qui suivirent, d'autres chercheurs y trouvèrent une utilisation différente : la transmission de signaux lumineux. Dans les années 1960, l'industrie des télécommunications recherchait désespérément un moyen de transmettre plus d'informations. L'objectif était de pouvoir transmettre simultanément toutes les conversations du monde sur un seul fil de lumière. Mais les fibres de verre de l'époque étaient très décevantes : la lumière s'atténuait tellement qu'un signal devenait indéchiffrable après seulement un kilomètre. Personne ne croyait en leur viabilité, à l'exception d'un homme. Son propre patron qualifiait son rêve de "chasse gardée", mais s'il avait raison, et si l'on parvenait à les fabriquer à grande échelle, elles pourraient un jour connecter les continents. En 1960 et 1973, le nombre d'appels téléphoniques quotidiens aux États-Unis a doublé, passant de 285 millions à 576 millions. Pendant la même période, la NASA a envoyé des hommes sur la Lune pour un coût total de 26 milliards de dollars, tandis qu'AT&T a dû dépenser près du triple pour installer de nouvelles infrastructures téléphoniques. L'infrastructure existante ne pouvait pas suivre la demande. À l'époque, les appels téléphoniques transitaient principalement par des fils de cuivre. Un appel téléphonique classique fonctionnait ainsi : un courant constant alimentait le téléphone. La voix modulait ce courant, l'amplitude des variations correspondant au volume, et la fréquence des variations au ton. Ce courant arrivait à un haut-parleur chez le destinataire, qui le reconvertissait en son. Pour transporter plusieurs appels sur un même câble, les compagnies téléphoniques utilisaient une technique astucieuse. Bien que l'oreille humaine puisse entendre jusqu'à 20 kHz, il suffit de 300 à 3400 Hz pour comprendre une conversation. Les compagnies téléphoniques filtraient donc les fréquences au-dessus de 4 kHz. Cependant, pour éviter que toutes les conversations ne se superposent sur la même bande de fréquences, elles déplaçaient les signaux électriques. Ainsi, une conversation pouvait utiliser la bande 0-4 kHz, une autre la bande 4-8 kHz, et ainsi de suite, sur le même fil de cuivre. À l'autre bout, un filtre séparait les différentes bandes de fréquences, avant que le signal ne soit ramené à la bande 0-4 kHz pour atteindre le haut-parleur. Mais à mesure que les compagnies téléphoniques utilisaient des fréquences de plus en plus élevées, des problèmes apparaissaient. Le courant oscillant générait des champs magnétiques et des courants de Foucault. Ces derniers, renforcés par les hautes fréquences, finissaient par annuler l'oscillation au centre du fil. Le signal ne pouvait alors voyager que sur la surface du fil, augmentant la résistance et limitant la portée des signaux haute fréquence. Pour compenser cette perte, les signaux étaient amplifiés tous les quelques kilomètres. Mais au-delà de 65 MHz, les hautes fréquences s'éteignaient en moins de deux kilomètres, les rendant impraticables. Ce compromis entre puissance du signal et débit de données était connu depuis 1948 grâce au théorème de Shannon-Hartley, qui décrivait la capacité maximale d'un canal de communication. La seule façon d'augmenter cette capacité était d'élargir la bande passante, mais le cuivre avait atteint ses limites. L'industrie des télécommunications n'avait pas d'alternative, jusqu'à ce qu'ils "voient la lumière". La lumière visible a des fréquences de l'ordre de centaines de térahertz. La possibilité d'utiliser ces fréquences avec des bandes de fréquences beaucoup plus larges semblait être un "Eldorado fabuleux". Cependant, deux problèmes se posaient : il n'existait pas de source lumineuse suffisamment puissante pour envoyer un signal, et le verre, bien que transparent, n'était pas assez pur. En 1960, Ted Maiman inventa le laser, une "arme de science-fiction" qui relança l'intérêt pour les communications optiques. Mais le deuxième problème restait entier : le verre de l'époque avait une perte de signal énorme. Un scientifique de Bell Labs, chargé d'étudier la fibre optique, découvrit que la perte était de mille décibels par kilomètre. Pour être pratique, cette perte devait être inférieure à 20 décibels par kilomètre, comparable au cuivre. Une perte de mille décibels par kilomètre signifiait qu'il ne restait qu'un milliardième du signal initial. L'amélioration nécessaire était d'un facteur 10 à la puissance 98, ce qui semblait impossible. Bell Labs abandonna le projet. C'est alors qu'intervint Charles Kao. Travaillant pour un laboratoire de télécommunications anglais en 1960, il s'intéressa aux fibres optiques, malgré le scepticisme de son entourage. Il se demanda pourquoi le verre avait une telle perte et si cette perte était intrinsèque au matériau. Si c'était le cas, la fibre optique était condamnée. Sinon, elle avait une chance. La raison de la perte de lumière n'était pas que la lumière s'échappait par les côtés, car le verre piège très bien la lumière, même dans les courbes, grâce au phénomène de réflexion totale interne. Ce phénomène se produit lorsque la lumière passe d'un milieu plus réfractif à un milieu moins réfractif avec un angle suffisant. La lumière est alors réfléchie à l'intérieur du milieu le plus réfractif. Pour que cela fonctionne dans une fibre, il fallait un cœur en verre avec un indice de réfraction plus élevé qu'une gaine de verre environnante. Kao savait donc que la perte ne venait pas de la fuite de lumière. Il fallait chercher ailleurs. Il consulta des scientifiques des matériaux et des experts en verre, mais personne ne connaissait la cause exacte de la perte. Il identifia deux causes potentielles : la diffusion et l'absorption. Le verre n'est pas un solide cristallin, mais un solide amorphe. Ses atomes n'ont pas d'ordre à longue portée. Les fluctuations de densité dans la structure du verre, dues à la vitesse de refroidissement, pouvaient provoquer la diffusion de la lumière (diffusion de Rayleigh). Cependant, en refroidissant lentement le verre, ces fluctuations diminuaient. Kao consulta une étude de Robert Maurer de Corning Glass, qui avait mesuré la diffusion de Rayleigh. Ses calculs suggéraient qu'une perte de diffusion d'environ 1 décibel par kilomètre était possible avec un verre refroidi lentement. Cette valeur était bien inférieure aux pertes observées. La cause devait donc être l'absorption. L'absorption se produit lorsqu'un photon de lumière excite un électron à un niveau d'énergie supérieur. Dans le verre de silice pure, la bande interdite est suffisamment large pour que la lumière visible ne puisse pas exciter les électrons. Cependant, les matières premières du verre contenaient des impuretés, notamment des traces de métaux, qui absorbaient beaucoup plus la lumière. Le fer, par exemple, absorbait fortement les longueurs d'onde bleues et infrarouges. Les verres impurs absorbaient moins la lumière verte, d'où la teinte verdâtre du verre vu de profil. Kao consulta d'autres experts qui estimèrent qu'en éliminant ces impuretés métalliques, la perte pourrait descendre à environ 20 décibels par kilomètre, comparable au cuivre. C'était une amélioration théorique, mais suffisante pour Kao. En 1966, son équipe publia un article concluant que le problème crucial du matériau était "difficile mais pas impossible". Cependant, personne ne prêta attention à son papier, car une amélioration d'un tel ordre de grandeur semblait impossible. Kao avait besoin de preuves. Il décida de mesurer la perte dans le verre le plus pur jamais fabriqué : la silice fondue. Ce verre était obtenu en faisant fondre de la silice pure à plus de 2000°C, ce qui le rendait difficile à travailler. Kao ne disposait que de petits échantillons de moins de 30 centimètres. Avec ses collègues, il inventa un instrument de mesure très précis. Après trois ans de travail, il mesura un échantillon et constata une perte quasi nulle, de l'ordre de quelques décibels par kilomètre. Cela attira l'attention du monde scientifique. Robert Maurer, le chercheur de Corning qui avait publié l'étude sur la diffusion, s'intéressa au problème. Pour fabriquer une fibre pratique, il fallait résoudre trois problèmes majeurs. Premièrement, choisir le verre. Il pouvait soit purifier les matières premières du verre ordinaire, soit utiliser la silice fondue, déjà prouvée comme étant très pure. Corning utilisait une technique appelée hydrolyse par flamme pour produire du verre ultra-pur. Le deuxième problème était la composition du verre. La silice fondue avait un indice de réfraction de 1.46, le plus bas de tous les verres. Pour la réflexion totale interne, le cœur devait avoir un indice de réfraction plus élevé que la gaine. Maurer décida d'utiliser la silice fondue pour la gaine, et d'ajouter des impuretés pour augmenter l'indice de réfraction du cœur. Il utilisa un verre dopé au titane. Le troisième problème était la fabrication de la fibre. Schultz et Keck, recrutés par Maurer, développèrent une technique où un mélange de gaz était transformé en plasma, déposant une fine couche de verre à l'intérieur d'un tube. Après des milliers de passes, le tube était effondré pour former une tige solide : la préforme. Ils utilisèrent la technique d'hydrolyse par flamme pour produire une poudre de silice dopée au titane. Ils la dispersèrent à l'intérieur d'un tube de silice fondue. Après des essais et des ajustements du flux de gaz, ils parvinrent à obtenir une couche uniforme. L'été 1969 fut consacré à la fabrication de kilomètres de fibre, mais le titane se dégradait à haute température, absorbant trop de lumière. Une seconde étape de traitement thermique en présence d'oxygène permit d'améliorer les résultats. Le 22 juillet 1970, une préforme se rompit après seulement quelques mètres de fibre. Keck testa cette courte fibre et constata une perte de 17 décibels par kilomètre. Ce fut un succès, même s'il fallut presque un mois pour obtenir 210 mètres de fibre avec une perte de 16.9 décibels par kilomètre. Maurer publia leurs résultats, mais personne ne les croyait. Les compagnies téléphoniques exigèrent de voir les fibres. Pendant deux ans, ils affinèrent leurs méthodes. Pour rendre la fibre plus solide, ils utilisèrent un dopage au germanium, qui ne se dégradait pas à la chaleur. La première fibre de germanium eut une perte de seulement quatre décibels par kilomètre, avec une excellente résistance. Keck considéra cela comme la première fibre à faible perte vraiment pratique. En 1977