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Un peu d'histoire
Pour commencer, rien ne vaut un petit historique.
Fondamentalement, la fibre optique n'est qu'une dernière évolution à l'histoire de la communication "lumineuse" de l'être humain. En effet, cela fait des millénaires que nous utilisons la lumière pour communiquer là où la voix ne porte plus et quand l'écriture n'est plus visible.
Laissons les Grecs et les Romains là où ils étaient avec leurs signaux de lumière pour partir directement d'une époque plus contemporaine, soit autour de 1791. C'est un abbé Français du nom de Claude Chappe qui inventa un des premiers moyens de télécommunication moderne à l'aide de la lumière: le télégraphe optique (ci-dessous, une animation montrant son principe du fonctionnement de ce dernier).
Pour se rendre compte de l'impact de cette invention, il faut être conscient que cette méthode de communication est arrivée pratiquement 100 ans avant l'invention du "téléphone" par Alexander Graham Bell et presque 50 ans avant le Morse! Ce système de télécommunication avait, bien entendu, ses limites (principalement météorologiques) et a logiquement été détrôné par le télégraphe électrique.
Autour de 1850, les deux physiciens Daniel Collodon (Suisse) et Jacques Babinet (Français) démontrèrent que la lumière pouvait être guidée dans un matériau offrant un haut degré de réflexion confiné dans un autre matériau qui présentait lui-même un faible indice de réfraction. Dès 1920, certains ingénieurs ou médecins souhaitèrent utiliser cette découverte pour afin de transporter des images (télévision, étude du corps, etc.).
Et puis, dans les années soixante, une petite révolution arriva: le laser. Avec elle, beaucoup de chercheurs pensèrent qu'il était possible de transporter des données sur une longue distance. Toutefois, le principal problème résidait dans le fait de transporter de la lumière sur une longue distance, car à cette période, l'atténuation du verre exprimée en dB était beaucoup trop importante. À l'époque, l'objectif était d'obtenir moins de 20 dB par kilomètre afin d'avoir 1 % de la lumière émise au départ à l'arrivée.
Le défi technologique était énorme. Il faudra attendre 1970 pour obtenir des résultats satisfaisants et 1980 pour voir la première interconnexion en France réalisée en fibre optique entre 2 centraux téléphoniques distants de 7 kilomètres.
Dès lors, les records se sont succédés, que ce soit en terme de distance parcourue avec ou sans répéteur ou en terme de débit atteint. D'environ 20 dB/km dans les années 70, on est passé à 0.2 db/km aujourd'hui. Les progrès qui ont permis cette évolution sont multiples: diminution du cœur de la fibre optique, élimination des impuretés, amélioration des procédés de fabrication, convertisseur optoélectronique toujours plus performants, etc.
Aujourd'hui, nous sommes totalement dépendants de la fibre optique pour assouvir nos besoins en télécommunications (TV, voix ou données) et rien ne peut inverser cette dépendance, même le Wireless (il faut bien interconnecter les bornes Wireless!).
Ok, mais c'est quoi de la fibre optique?
Tout d'abord, je vais commencer par un avertissement. Ne regardez jamais de la fibre optique à son extrémité quand elle est branchée sur des équipements actifs. Quand je dis jamais, c'est jamais. Chaque année, quelques personnes finissent à moitié aveugle ou avec des graves troubles de la vue à cause d'une mauvaise manipulation de fibres optiques. Manipuler de la fibre optique qui "transporte de la lumière" est d'autant plus dangereux que vous ne la voyez pas puisque c'est de l'infrarouge… Donc, ne pas débrancher pour regarder au bout si on voit quelque chose!!!
Tout d'abord, la fibre optique dans son état le plus brut (vous ne verrez jamais une fibre comme ça dans votre armoire télécoms):
On distingue 2 types de fibre optique sur le marché: la fibre dite monomode et multimode. Les deux sont principalement composées dans leur cœur de silice mais ce qui les distingue l'une de l'autre, c'est le diamètre du cœur. Ci-dessous, encore une application concrète de mes désormais mondialement connus talents d'infographiste (pour ne pas dire polygraphe):
La composition d'une fibre otique est relativement "simple". En partant de l'intérieur vers l'extérieur, on trouve tout d'abord le cœur qui est composé principalement de silice (haut indice de réfraction) et qui a un diamètre d'environ 10 microns (monomode) ou 50 et 62.5 microns (multimode). Puis, on trouve la gaine dite "optique" qui offre, elle, un indice de réfraction très faible et qui a un diamètre de 125 microns. Enfin, et en fonction du terrain (liquide, aérien, enterré, etc.), on va trouver une gaine dite "mécanique" qui protège la fibre optique des tractions, compressions, etc.
La première (monomode) est principalement destinée aux infrastructures des opérateurs télécoms car elle permet de couvrir de grandes distances. Aujourd'hui, grâce à elle, on peut propager la lumière sur plus de 10'000 kilomètres sans avoir besoin de ré-amplifier le signal. Généralement, cette fibre permet de réaliser de grands Metropolitan Area Network (MAN) ou des Wide Area Network (WAN) pour interconnecter des villes, des pays ou des continents.
La seconde (multimode) est surtout destinée aux Local Area Network (LAN), c’est-à-dire aux réseaux locaux. Ce média est idéal pour interconnecter des bâtiments entre eux ou des infrastructures sur un campus jusqu'à 2 kilomètres. Comparée aux fibres monomodes, elle est moins chère, tout comme les équipements actifs (entre 50 et 80 % de moins). Pour l'anecdote, au début de la fibre optique, on était capable de fabriquer uniquement des fibres avec un gros cœur (50 microns ou plus). Il n'est d'ailleurs pas rare de trouver encore aujourd'hui au sein d'ancienne infrastructure télécoms des fibres de ce genre sur plusieurs dizaines de kilomètres. Malheureusement pour les détenteurs de ce type de fibre optique, les équipements qui fonctionnent sur de telles distances sont de plus en plus rares…
Il reste à expliquer comment la lumière voyage dans la fibre optique. Généralement (parce qu'il y a toujours des exceptions, c'est comme dans la vie), les équipements optiques travaillent avec 2 fibres optiques, une qui "transmet" (Tx) la lumière et une qui la "reçoit" (Rx). Pour rester simple, le laser parcourt la fibre optique en rebondissant d'une paroi à l'autre. Ces rebonds ne sont pas le fruit du hasard mais le résultat d'une réflexion précise de la lumière entre le cœur de la fibre et la gaine optique. Il en résulte une longueur d'onde précise. Ci-dessous, un schéma qui résume ce principe:
Enfin, la fibre optique bénéficie, tout comme toute l'industrie des télécommunications, de progrès constants et c'est sans surprise que chaque année, des nouveaux records sont atteints pour le transport de données (distance couverte et débit atteint). Ces évolutions ne reposent pas seulement sur le processus de fabrication de la fibre optique qui est sans cesse amélioré, mais aussi sur les équipements actifs qui progressent; les lasers aux convertisseurs optoélectroniques ainsi que de la puissance de traitement des appareils.
Les principales évolutions de ces dernières années s'appellent le Wavelength Division Multiplexing (WDM) ou encore le Dense Wavelength Division Multiplexing (DWDM). Globalement, ces technologies permettent de diffuser sur la même fibre optique plusieurs longueurs d'onde (on parle aussi de couleurs ou de multiplexage) afin de transmettre plus de données sur une seule paire de fibre optique.
Je n'irai pas plus loin dans les détails mais si le sujet vous emballe, je vous recommande très fortement la lecture de cette excellente "introduction aux télécommunications optiques" sur le site de l'Université de Nice Sophia Antipolis (l'article date un peu mais les illustrations et les explications sont excellentes).
Pourquoi utilise-t-on de la fibre optique?
Il y a plusieurs raisons à ça, mais les principales sont les distances et les débits que l'on peut atteindre grâce à elle. Il faudrait une énergie folle et des câbles démesurés si l'on souhaitait transporter la même quantité de données et sur les mêmes distances avec des fils cuivres. Pour information, une paire de cuivre torsadée du type catégorie 5e (le câble pour interconnecter des équipements sur un réseau avec une prise RJ-45 à chaque bout) ne doit pas, selon les normes en vigueur, dépasser 100 mètres… Avec une paire de fibre optique, vous pouvez transporter votre trame GigabitEthernet (1'000 Mbit/s) sur plus de 100 kilomètres et sans répéteur… totalement impossible avec du cuivre.
À l'heure actuelle, les dernières interfaces optiques permettent d'offrir un débit de 40 Gbit/s (OC-768 ou STM-256) sur une seule longueur d'onde… Faudra quand même débourser 500'000 Euros pour une interface de ce style et je ne parle même pas du truc qu'il faut mettre autour pour que ça marche. Mais ça c'est rien, en laboratoire, NEC a déjà franchit il y a 2 ans le mur des 10 Tbit/s grâce à un système DWDM sur 2 fibres optiques!!!
Mais il y a aussi d'autres raisons pour lesquelles on utilise de la fibre optique. Par exemple, si vous êtes dans un environnement soumis à d'importantes perturbations électromagnétiques, vous ne pourrez pas réaliser une interconnexion avec des "câbles" électriques (même si vous utilisez des câbles blindés). Seule une solution avec de la fibre optique vous permet de garantir une interconnexion sans faille avec vos équipements actifs.
Enfin, ce média a tout de même quelques défauts comme les rayons de courbure qui doivent respecter un certain minimal (vous ne pouvez même par faire des nœuds avec pour ceux qui ont raté couture), la tolérance à l'écrasement ou la jungle des connecteurs disponibles:
La fibre optique jusque dans nos machines
Comme on l'a vu, la fibre optique est un média extraordinaire qui n'a pratiquement pas de limites en terme de bande passante.
Alors, pourquoi ne pas amener cette fantastique bande passante jusqu'à nous utilisateurs? Ce procédé ou "technologie" à un nom: Fiber To The Home (FTTH).
À ce stade, il faut faire une distinction très claire entre ce qu'on appelle:
- Un réseau local, soit un réseau réalisé à l'intérieur d'un bâtiment, voir sur un campus qui est basé sur de la fibre multimode (généralement, moins de 2 kilomètres).
- Le réseau d'un opérateur qui connecte un bâtiment ou plusieurs à son infrastructure via de la fibre monomode (de 2 à 10'000 kilomètres).
Dans le premier cas, rien ne vous empêche de créer un réseau en fibre optique multimode plutôt qu'en cuivre, que ce soit dans votre appartement ou votre maison. Toutefois, je ne vois pas d'intérêt pratique à une telle réalisation. En effet, mise à part des problèmes graves de mise à terre, de perturbations électromagnétiques ou de distances trop grandes entre les équipements (c'est une jolie maison si le câble dépasse 100 mètres), il n'y a aucun avantage à réaliser ce type de réseau à la maison. Au contraire, les cartes réseaux, les câbles et les équipements actifs (hub, switch, etc.) optiques sont beaucoup plus chers que leur équivalent électrique. Comptez entre 300 et 500 Euros par exemple pour une carte optique PCI Gigabit (1'000 Mbit/s) de chez 3Com ou Intel (ces cartes ne sont pas compatibles Mac et je n'en ai pas trouvé!!!) contre 100 euros pour une carte électrique PCI Gigabit de chez Apple. Enfin, les équipements actifs comme des switches par exemple sont également beaucoup plus chers. Comptez "que" 1'800 Euros pour un switch 3Com électrique et plus de 5'400 Euros pour un Switch 3Com optique (sans les interfaces qui peuvent coûter chacune dans les 400 euros).
Pour la fibre monomode, les opérateurs n'offrent pas en standard ce type de connexion car il y a un problème de fond, principalement financier et non pas technologique.
Dans 99 % des cas, votre connexion à votre opérateur télécoms est assurée via du cuivre téléphonique, que ce soit chez France Telecom ou Swisscom. Ce média, en terme de distance et débit, n'a pas un avenir "infini" comme la fibre optique. Mais à l'époque, dans les années cinquante pour les câbles les plus vieux, c'était un des seuls médias disponibles pour connecter les bâtiments. Pour remplacer cette "vieille" technologie, il faudra beaucoup d'efforts financiers…
En effet, quand les opérateurs télécoms installent une infrastructure en fibre optique, les coûts de mises en place sont très élevés. Ce n'est pas la fibre optique qui est chère, mais ses coûts de mise en œuvre. Comptez dans les 100 euros par mètre si vous êtes dans la campagne, 150 à 250 euros le mètre si vous êtes dans une zone faiblement construite ou 300 à 400 euros en plein centre-ville… Pas étonnant qu'on n'ait pas de la fibre optique jusqu'à la maison… Et là, je ne prends pas en compte les équipements actifs (comptez 10 % des coûts de constructions). À titre d'exemple, si vous voulez traverser une ville sur 1 kilomètre seulement, comptez dans les 350'000 Euros…
Enfin, comme je l'ai dit, la fibre optique n'est pas trop cher en soit. Par conséquent, quand une route est ouverte, les opérateurs installent des câbles qui contiennent au moins 12 fibres optiques. Par exemple, chez Alcatel chaque câble est modulable par grappe de 12 fibres jusqu'à un total maximum de 432 fibres.
Conclusions
Comme on peut le voir, la fibre optique n'est pas forcément très utile dans le cadre d'un réseau local. Les câbles réseaux "cuivrés" permettent de bénéficier de débits jusqu'au Gigabit et ce sur une distance de 100 mètres, ce qui est bien au-delà des capacités de nos machines actuelles. En effet, on a beau avoir des Macs (les PC aussi) avec des cartes GigabitEthernet (1'000 Mbit/s), il en faudrait plus pour pouvoir en profiter. Le "burst" maximal qui peut être atteint avec un Mac (même sur l'Xserve) tourne autour de 200 Mbit/s (grosso modo 25 MByte/s)… Avec les machines actuelles, vous ne dépasserez probablement jamais les 60 à 70 Mbit/s en continu. Comptez dans les 500'000 Euros pour une machine qui peut délivrer dans les 800 à 900 Mbit/s en continu…
De plus, il faut savoir que le cuivre est plus rapide que la fibre optique… Je m'explique: tout le monde se souvient de ses cours de physique sur "La lumière voyage à plus de 299 mille mètres par seconde" et comme on l'a vu, la lumière dans une fibre optique voyage en zigzague et non en ligne droite. Même si c'est à une échelle infime, le chemin que parcours la lumière est augmenté d'environ 20 à 40 % suivant la longueur d'onde et le type de fibre optique. Par conséquent, et malgré le fait que les câbles cuivre soient torsadés, le temps que mettent les photons à parcourir la distance entre un point A et un point B est plus important que les électrons sur du cuivre. En bref, la vitesse relative à la distance à parcourir est de 220 mille mètres seconde via de la fibre optique contre 280 mille pour du cuivre. C'est clair, sur 100 mètres, vous n'aurez pas le temps de battre les paupières.
Et les opérateurs, quand offriront-ils des fibres jusqu'à nos machines, ou du moins, jusqu'à nos bâtiments?
À ma connaissance, seules 2 sociétés ont offert des services de ce type en Suisse. La première c'est Cablecom en 2001 au travers d'un projet appelé Fiber-City. Pour 100 ou 200 euros par mois, les entreprises situées dans une zone industrielle de Dietikon pouvaient bénéficier de connexion à Internet à 10 ou 100 Mbit/s. Plus récemment, en septembre 2003, les Services Industriels de la ville de Genève (SIG) ont annoncé le projet Voisin-Voisine. En gros, l'objectif était de connecter en fibre optique une cinquantaine de bâtiments dans le quartier des Charmilles à Genève (en fait de quartier, il s'agit surtout de 3 rues).
Pour ceux qui ne connaissent pas les SIG, y a quand même une histoire drôle avec ces gens. La mission des SIG est claire et elle est définie par les articles 158, 159 et 160 de la constitution genevoise: "Les SIG ont pour but de fournir dans le canton de Genève l'eau, le gaz, l'électricité et de l'énergie thermique, ainsi que de traiter les déchets."
Les esprits avertis remarqueront qu'il n'est pas tellement fait mention de "services télécoms", mais bon, ce n’est pas très grave. Ce n’est pas non plus très grave que quelque 5 millions de CHF aient été investis dans cette aventure et que le service devait être gratuit jusqu'au 31 décembre 2003 et que, pour des raisons que j'ignore, la gratuité a été prolongée jusqu'au 31 août 2004. Fondamentalement, ce n’est pas grave que cette société dépense 5 millions de CHF pour connecter 170 appartements sur 323, ça fait qu'une moyenne de CHF 31'250.- par ménage… En fait, ce n’est surtout pas très grave quand on sait que les SIG sont détenus à 55 % par le canton de Genève et que les 45 % restants appartiennent aux communes de Genève.
Hé bien oui, quand on sait que l'Etat de Genève a accusé un déficit de 459 millions de CHF en 2003, ce qui porte sa dette à plus de 11 milliards de CHF, on en est plus à quelques millions près, surtout pour de l'accès à Internet.
Bref, avec des gens qui tiennent aussi bien leurs comptes et qui mettent la priorité sur des objectifs aussi fondamentaux, la fibre optique à un bel avenir.
Un peu plus sérieusement, l'avenir de la fibre optique n'a jamais été aussi brillant. D'ici à 5 ans, et aux vues des évolutions informatiques, certains câbles ou bus dans nos machines seront probablement en fibre optique afin de répondre à la demande toujours croissante en bande passante. Pour ne citer qu'un exemple, la bande passante théorique d'une interface AGP 8x dans un G5 est supérieure à 2 TByte!
Tout en espérant avoir apporté un peu plus de lumière sur ce sujet, je suis conscient que j'ai certainement oublié ou négligé certains aspects de la fibre optique. Néanmoins, c'est avec plaisir que j'assurerai l'après-vente de cet "article" dans les commentaires.