Publié par : Département de recherche et développement, Technologie Optic.ca Inc., septembre 2025
Depuis des décennies, les fibres optiques reposent sur un cœur en verre solide pour guider la lumière, constituant ainsi l’épine dorsale des télécommunications mondiales. Cependant, le verre impose une limitation physique fondamentale : la lumière y circule environ 30 % plus lentement que dans l’air. Dans une fibre de silice standard, la vitesse de groupe de la lumière est d’environ 2×10⁸ mètres par seconde, soit approximativement 67 % de la vitesse de la lumière dans le vide, ce qui entraîne une latence d’environ 5 microsecondes par kilomètre. Cette contrainte a longtemps été acceptée comme un compromis pour la fiabilité et la facilité de fabrication des fibres à cœur solide. Mais c’est là que les fibres à cœur creux changent la donne. En remplaçant le cœur solide par un canal rempli d’air, les fibres à cœur creux (HCF) permettent à la lumière de se propager à une vitesse proche de celle dans le vide, atteignant environ 3×10⁸ mètres par seconde. Cela réduit la latence à environ 3,3 à 3,5 microsecondes par kilomètre, offrant une augmentation de vitesse de 30 à 50 % par rapport aux fibres traditionnelles. Au-delà de la vitesse, les fibres à cœur creux réduisent drastiquement l’interaction avec le verre, par des facteurs allant de 10² à 10⁵, ce qui élimine pratiquement les effets non linéaires tels que Kerr, Brillouin ou la diffusion Raman. Elles prennent également en charge un spectre optique à faible perte plus large, allant de la gamme visible jusqu’à environ 2100 nm, et peuvent même atteindre une atténuation plus faible que les fibres monomodes conventionnelles en évitant la limite de diffusion Rayleigh de la silice. Ce changement marque l’émergence des fibres à cœur creux comme une technologie transformatrice et invite à une exploration approfondie de leurs principes de conception, de leurs caractéristiques de performance et des défis liés à leur déploiement.
Cet article commence par une revue du développement historique des fibres à cœur creux et des jalons clés qui ont conduit aux conceptions avancées actuelles. Il expose ensuite les principes théoriques sous-jacents à la technologie HCF et décrit les principaux types de fibres à cœur creux, ainsi que leurs avantages et limitations respectifs. Une comparaison entre les fibres de silice à cœur solide et les fibres à cœur creux est présentée, en mettant l’accent sur les métriques pertinentes pour les télécommunications. L’article se conclut par un résumé des défis actuels et des perspectives d’avenir.
La chronologie technologique des fibres à cœur creux est illustrée dans la Figure 1. Avant l’an 2000, les chercheurs ont exploré les capillaires silice-air pour des applications telles que la détection de gaz, les mesures interférométriques et le guidage d’atomes. Cependant, ces premiers modèles souffraient d’une forte atténuation dans des tubes de verre simples, ce qui limitait leur utilisation pratique. Le premier saut majeur a eu lieu en 1999, lorsque Cregan et al. de l’Université de Bath ont démontré une fibre à bande interdite photonique à cœur creux (HC-PBGF), prouvant qu’un revêtement microstructuré pouvait confiner la lumière dans un cœur d’air [1]. À partir de ce moment, le développement des HCF s’est divisé en deux voies : le guidage par bande interdite photonique utilisant des réseaux périodiques, et les conceptions anti-résonantes ou à couplage inhibé basées sur des tubes à parois minces. L’histoire pertinente pour les télécoms commence en 2002 avec une HC-PBGF à 7 cellules rapportant 13 dB/km [2], suivie des premières conceptions de fibres Kagome [3] (alors < 2000 dB/km, large bande mais fuyantes). Des raffinements structurels constants ont permis de réduire les pertes : une PBGF à 13 cellules a atteint 1,2 dB/km (2005) [4] ; l’introduction de la courbure négative autour de 2010 a réduit les pertes des fibres Kagome à < 250 dB/km [5]. En parallèle, des géométries ARF tubulaires plus simples ont émergé — les fibres “revolver” à anneau unique ont été démontrées en 2011 (< 1000 dB/km) [6], améliorées à 7,2 dB/km (2017) [7]. Une ARF à tubes conjoints a atteint 2 dB/km (2018) [8], et la percée est venue avec les fibres sans nœud anti-résonantes imbriquées (NANF), qui ont supprimé les fuites grâce à des anneaux internes “imbriqués” et ont atteint 0,28 dB/km (2020) [9]. Ensemble, ces jalons marquent la transition du guidage à bande étroite vers des conceptions anti-résonantes à faible perte, largement utiles et adaptées aux télécommunications.
Aujourd’hui, la fibre à cœur creux passe de la recherche en laboratoire au déploiement dans le monde réel. L’équipe Azure de Microsoft a déjà démontré son potentiel dans les infrastructures d’intelligence artificielle et de cloud, en rapportant des réductions significatives de latence et des gains de performance mesurables dans les tissus de centres de données. De grands opérateurs télécom ont également mené des essais sur le terrain, validant la technologie dans des conditions opérationnelles. Parallèlement, des fabricants spécialisés proposent désormais des conceptions NANF de qualité câble, conçues pour le raccordement, l’installation et la fiabilité sur longue distance. Ces étapes marquent collectivement le passage de la HCF d’une plateforme expérimentale à une technologie commerciale émergente, prête à transformer les réseaux de prochaine génération.
Dans les fibres optiques conventionnelles, le confinement de la lumière est obtenu par le principe de la réflexion totale interne (RTI). Le cœur de la fibre possède un indice de réfraction plus élevé que celui de la gaine, ce qui garantit que la lumière entrant avec un angle d’incidence faible est réfléchie dans le cœur et guidée le long de la fibre. Pour plus de détails, veuillez consulter notre article récent [11]. Dans les fibres à cœur creux, cependant, la situation est inversée : le cœur est rempli d’air (n ≈ 1) et la gaine est généralement en verre de silice (n ≈ 1,45), ce qui empêche de satisfaire la condition de RTI. À la place, les HCF utilisent des mécanismes plus avancés pour confiner la lumière dans le cœur creux. Trois approches principales ont été mises en œuvre avec succès : la bande interdite photonique (PBG), la fibre de Bragg et la fibre anti-résonante (ou à couplage inhibé), comme illustré dans la figure 2.
L’effet de bande interdite photonique provient d’une structure diélectrique périodique qui interdit la propagation de certaines plages de fréquences, de la même manière que les bandes interdites électroniques dans les semi-conducteurs restreignent les énergies des électrons. Dans les HCF, la gaine est conçue comme un cristal photonique bidimensionnel, généralement constitué d’un réseau de trous d’air dans la silice, tandis que le cœur creux agit comme un défaut dans ce réseau. La lumière dont la longueur d’onde tombe dans la bande interdite photonique est empêchée de se propager dans la gaine et est donc confinée dans le défaut creux. La physique de ce phénomène est régie par les équations de Maxwell dans les milieux périodiques, conduisant à un problème de valeurs propres.
où μ(r) est la distribution de perméabilité magnétique, ε(r) est la fonction diélectrique spatialement variable, E(r) est le champ électrique, ω est la fréquence angulaire, et c est la vitesse de la lumière dans le vide. Cette relation de valeurs propres implique que seules certaines fréquences (ou, de manière équivalente, longueurs d’onde) sont autorisées dans la structure cristalline, tandis que les autres sont réfléchies vers le cœur creux. Les fibres à bande interdite photonique (PBGF) sont des réalisations pratiques de ce principe. Elles présentent généralement un réseau hexagonal de trous d’air entourant un cœur creux central. Ces fibres peuvent atteindre une faible atténuation et une opération monomode dans la bande interdite, mais leur bande passante de guidage est relativement étroite (souvent < 50 nm), et les performances se dégradent fortement en dehors de cette plage. Leur fabrication nécessite un contrôle précis de la taille des trous, de leur espacement et de leur symétrie, ce qui les rend sensibles aux imperfections structurelles.
Les fibres de Bragg sont une autre mise en œuvre du principe de bande interdite photonique, mais au lieu d’un réseau 2D, elles utilisent une structure radiale unidimensionnelle (1D). La gaine est constituée de couches concentriques de matériaux à indice de réfraction élevé et faible, formant un miroir cylindrique de Bragg. Lorsque l’épaisseur des couches satisfait la condition du quart d’onde
où nᵢ et dᵢ sont respectivement l’indice de réfraction et l’épaisseur de chaque couche — l’interférence constructive réfléchit certaines longueurs d’onde (λ) vers le cœur. Cette structure confine la lumière dans une bande spectrale étroite. Les fibres de Bragg offrent un fort confinement modal et peuvent être monomodes même avec de grands diamètres de cœur. Cependant, elles souffrent d’une bande passante limitée et d’une complexité de fabrication élevée. Leurs performances sont très sensibles à l’uniformité des couches et au contraste d’indice de réfraction. Bien qu’efficaces pour des longueurs d’onde spécifiques, elles sont moins adaptées aux applications à large bande ou aux télécommunications en raison de fenêtres de guidage étroites et d’une atténuation plus élevée.
Une approche alternative est la réflexion antirésonante, qui repose sur des capillaires à parois minces en silice entourant le noyau creux. Lorsque l'épaisseur de paroi d satisfait la condition d'antirésonance
où n₍glass₎ est l’indice de réfraction de la silice, λ est la longueur d’onde de la lumière, et m est un entier — l’interférence destructive supprime la transmission vers la gaine, tandis que l’interférence constructive renforce la réflexion. Cet effet est analogue à un étalon Fabry–Pérot, mais exploité à l’inverse : au lieu de maximiser la transmission, il la minimise, confinant ainsi la lumière dans le cœur creux. La réflexion large bande qui en résulte permet aux fibres anti-résonantes (ARF) de guider la lumière sur des plages spectrales couvrant plusieurs centaines de nanomètres. Les ARF comprennent plusieurs sous-types :
Les fibres à bande interdite photonique et les fibres anti-résonantes représentent deux approches distinctes du guidage à cœur creux, chacune avec ses compromis. Les PBGF ont initialement atteint des pertes plus faibles, mais dans des fenêtres de transmission étroites — généralement de quelques dizaines de nanomètres. Leur structure à bande interdite filtre intrinsèquement la lumière hors bande, ce qui est utile pour l’optique non linéaire et le façonnage spectral. Cependant, leur petite taille de cœur (10–15 µm) peut entraîner une non-linéarité accrue à des puissances élevées.
Les ARF, y compris les NANF, offrent une bande passante beaucoup plus large — souvent de plusieurs centaines de nanomètres — et ont récemment surpassé les PBGF en termes de performance de perte. Leurs cœurs plus grands permettent une transmission de puissance plus élevée avec une non-linéarité réduite, ce qui les rend idéales pour les liaisons télécom à très large bande et haute capacité. Alors que les fibres à bande interdite photonique nécessitent des microstructures périodiques précises sur de longues longueurs, les fibres anti-résonantes exigent un contrôle rigoureux de la géométrie des tubes, mais impliquent globalement moins d’éléments structurels. Depuis 2023, le consensus industriel privilégie les fibres AR/NANF pour les télécommunications en raison de leur combinaison supérieure de faible perte, large bande passante et bonne évolutivité. Les fibres PBG conservent une valeur dans des applications spécialisées, mais ne sont plus les candidates principales pour un déploiement à grande échelle. Pour une comparaison côte à côte des trois types de fibres, voir le tableau 1.
Dans les réseaux haute performance, la latence n’est pas simplement une métrique — c’est un avantage concurrentiel. Que vous exploitiez une plateforme de trading financier, gériez des charges de travail IA en temps réel ou synchronisiez des centres de données à travers différentes régions, chaque microseconde compte. C’est là que les fibres anti-résonantes (ARF) redéfinissent ce qui est possible. Contrairement aux fibres de silice conventionnelles, où la lumière se propage à environ 67 % de la vitesse de la lumière dans le vide (en raison de l’indice de réfraction du verre, n ≈ 1,45), les ARF guident la lumière à travers l’air (n ≈ 1,0003), permettant une propagation à près de 99,7 % de la vitesse de la lumière. Cela se traduit par une réduction de latence d’environ 30 % sur une même distance. Par exemple, sur une liaison de 40 km, une fibre ARF peut transmettre les données environ 48 microsecondes plus rapidement qu’une fibre standard. Dans des environnements où la latence est critique, comme le trading haute fréquence, cette différence temporelle peut représenter des millions de dollars d’avantage. Dans les infrastructures cloud, cela signifie une synchronisation plus rapide, moins de gigue et une meilleure réactivité pour le calcul distribué.
Avec des pertes désormais dans la plage de < 0,2 dB/km, les fibres à cœur creux (HCF) sont devenues viables pour les longues distances. Des recherches récentes ont démontré la transmission de signaux multiplexés en longueur d’onde (WDM) sur plus de 1000 km dans des fibres NANF, avec des amplificateurs standards et sans problème fondamental. La non-linéarité fortement réduite signifie que les HCF peuvent potentiellement transporter une puissance plus élevée ou davantage de canaux avant d’atteindre les limites non linéaires de Shannon. De plus, les fibres creuses présentent une dispersion chromatique (et une pente) bien plus faible dans la bande C — en fait, une fibre DNANF montre une dispersion environ 7 fois plus faible qu’une fibre monomode standard (SMF) — ce qui pourrait simplifier le traitement numérique du signal (DSP) pour les systèmes cohérents ou permettre le lancement de spectres plus larges sans compensation de dispersion.
La figure 3 illustre les profils de perte comparatifs d’une fibre DNANF et de deux fibres de silice de référence : la fibre à faible perte de 2002 de Nagayama et al., et la PSCF de 2025 de Sato et al. La DNANF présente une atténuation moyenne inférieure à 0,14 dB/km sur une bande passante de 424 nm centrée à 1504 nm, soit l’équivalent de 54,3 THz. Dans cette plage, une fenêtre plus étroite de 144 nm autour de 1553 nm montre une atténuation inférieure à 0,1 dB/km, soulignant l’adéquation de cette fibre au multiplexage dense en longueurs d’onde (DWDM) et à la transmission cohérente à haute capacité.
Cette large région à faible perte est particulièrement significative pour les systèmes télécom, car elle permet l’utilisation de spectres optiques plus larges sans nécessiter d’amplification fréquente ni de compensation de dispersion. Comparées aux fibres de silice, qui offrent généralement une faible perte sur des bandes plus étroites, les DNANF offrent à la fois une flexibilité spectrale et des avantages en matière de latence grâce à leur cœur guidé par l’air.
Les fibres à cœur creux (HCF) ne contiennent pas ou très peu de verre dans leur cœur, ce qui les rend particulièrement intéressantes dans des situations où les fibres standards rencontrent des difficultés :
Fabrication et coût : Les HCF sont actuellement plus coûteuses à produire que les fibres monomodes (SMF), en raison de la complexité de fabrication des préformes et des rendements plus faibles. À mesure que les techniques s’améliorent (par exemple, empilement et étirage automatiques pour les PBGF ou empilement de tubes optimisé pour les NANF) et que les volumes augmentent, les coûts devraient diminuer. La création d’usines dédiées aux fibres creuses (comme celle de Lumenisity au Royaume-Uni) est un pas dans cette direction.
Manipulation des fibres : Les fibres creuses, en particulier celles avec des membranes fines, peuvent être plus fragiles face au stress et aux courbures. Les conceptions de câbles doivent les protéger contre les pliages brusques et l’écrasement. Les premiers déploiements utilisent une encapsulation robuste pour garantir une fiabilité comparable à celle des câbles à fibre standard.
Connectique et épissure : Raccorder une HCF à une fibre standard sans pertes ni réflexions importantes est délicat — l’interface air/verre réfléchit environ 4 % de la lumière. Les solutions actuelles incluent des connecteurs spécialisés ou des épissures avec une interface inclinée/anti-réflexion, ou l’utilisation de fibres à indice gradué intermédiaires comme adaptateurs de mode. À mesure que ces méthodes se perfectionnent, on verra une intégration fluide des segments HCF dans les réseaux (par exemple, des pigtails à cœur creux pour les émetteurs-récepteurs, ou des épisseurs par fusion adaptés aux HCF).
Normalisation : Les opérateurs télécom exigeront des types de fibres standardisés (avec dimensions, fiabilité, etc. spécifiées). Des travaux sont en cours pour définir les spécifications des câbles HCF standard et qualifier leur stabilité environnementale à long terme (par exemple, garantir l’absence d’infiltration d’humidité pouvant augmenter l’atténuation).
Malgré ces défis, la dynamique derrière le développement des fibres à cœur creux est forte. Les percées récentes ont essentiellement validé que les HCF peuvent égaler voire dépasser les performances des fibres solides sur des métriques critiques. L’industrie des télécommunications reconnaît désormais les HCF non plus comme des curiosités de laboratoire, mais comme des catalyseurs potentiels pour les réseaux de prochaine génération. Par exemple, une fibre à cœur creux 47 % plus rapide et avec une perte plus faible que la SMF pourrait réduire le besoin en amplificateurs (coût réduit) et diminuer la latence (meilleure performance) dans les réseaux longue distance. Le fait que des entreprises comme Microsoft, BT (British Telecommunications), Comcast et d’autres partagent publiquement les résultats de leurs essais souligne ce potentiel.
Les fibres à cœur creux sont passées d’une idée théorique à une technologie pratique, sur le point d’être commercialisée dans le secteur des télécommunications. Les fibres de Bragg et les fibres à bande interdite photonique ont ouvert la voie, en démontrant les principes fondamentaux du guidage par bande interdite. Aujourd’hui, les fibres à cœur creux anti-résonantes prennent le relais, battant des records de perte et montrant que guider la lumière dans l’air peut offrir des performances supérieures à celles des fibres en verre solide. À mesure que les techniques de fabrication mûrissent et que les défis liés au déploiement sont surmontés, on peut s’attendre à ce que les HCF complètent — voire remplacent — les fibres conventionnelles dans des itinéraires spécialisés à haute performance. Cela nous rapproche de la vision d’une lumière circulant dans les réseaux presque aussi vite que dans l’espace libre, tout en conservant la fiabilité et la contrôlabilité de la fibre optique. Les prochaines années s’annoncent passionnantes, alors que les résultats en laboratoire se traduisent en infrastructures réelles, marquant potentiellement un tournant majeur dans la technologie des communications optiques.
Technologie Optic Inc. reconnaît le potentiel transformateur de la technologie des fibres à cœur creux et investit activement dans la recherche, le prototypage et les partenariats stratégiques pour accélérer son adoption. Notre équipe d’ingénierie s’engage à faire progresser l’intégration des HCF dans les infrastructures télécom de nouvelle génération, avec un accent sur la latence ultra-faible, la transmission à haute capacité et le déploiement évolutif. Nous croyons que les fibres à cœur creux joueront un rôle central dans la définition de l’avenir des communications optiques, et nous sommes enthousiastes à l’idée de contribuer à cette évolution.
[1] R. F. Cregan et al., “Single-Mode Photonic Band Gap Guidance of Light in Air,” Science, vol. 285, no. 5433, pp. 1537–1539, Sep. 1999, doi: 10.1126/science.285.5433.1537.
[2] N. Venkataraman et al., “Low Loss (13 dB/km) Air Core Photonic Band-Gap Fibre,” in 2002 28TH European Conference on Optical Communication, Sep. 2002, pp. 1–2. Accessed: Sep. 11, 2025. Available: https://ieeexplore.ieee.org/document/1601381.
[3] F. Benabid et al., “Stimulated Raman Scattering in Hydrogen-Filled Hollow-Core Photonic Crystal Fiber,” Science, vol. 298, no. 5592, pp. 399–402, Oct. 2002, doi: 10.1126/science.1076408.
[4] P. J. Roberts et al., “Ultimate low loss of hollow-core photonic crystal fibres,” Opt. Express, vol. 13, no. 1, pp. 236–244, Jan. 2005, doi: 10.1364/OPEX.13.000236.
[5] Y. Y. Wang et al., “Low loss broadband transmission in optimized core-shape Kagome Hollow-Core PCF,” in Conference on Lasers and Electro-Optics 2010, May 2010, p. CPDB4. doi: 10.1364/CLEO.2010.CPDB4.
[6] A. D. Pryamikov et al., “Demonstration of a waveguide regime for a silica hollow - core microstructured optical fiber with a negative curvature of the core boundary in the spectral region > 3.5 μm,” Opt. Express, vol. 19, no. 2, pp. 1441–1448, Jan. 2011, doi: 10.1364/OE.19.001441.
[7] B. Debord et al., “Ultralow transmission loss in inhibited-coupling guiding hollow fibers,” Optica, vol. 4, no. 2, pp. 209–217, Feb. 2017, doi: 10.1364/OPTICA.4.000209.
[8] S. Gao et al., “Hollow-core conjoined-tube negative-curvature fibre with ultralow loss,” Nat Commun, vol. 9, no. 1, p. 2828, Jul. 2018, doi: 10.1038/s41467-018-05225-1.
[9] G. T. Jasion et al., “Hollow Core NANF with 0.28 dB/km Attenuation in the C and L Bands,” in Optical Fiber Communication Conference 2020, paper Th4B.4, Optica Publishing Group, Mar. 2020, p. Th4B.4. doi: 10.1364/OFC.2020.Th4B.4.
[10] M. Komanec et al., “Hollow-Core Optical Fibers,” Radioengineering, vol. 29, pp. 417–430, Sep. 2020, doi: 10.13164/re.2020.0417.
[11] M. Bakhtbidar, “Optical Fiber in Modern Communication,” Technologie Optic.ca Inc. Accessed: Sep. 11, 2025. Available: https://www.optic.ca/pages/optical-fiber-in-modern-communication.
[12] K. Nagayama et al., “Ultra-low-loss (0.1484 dB/km) pure silica core fibre and extension of transmission distance,” Electronics Letters, vol. 38, no. 20, pp. 1168–1169, Sep. 2002, doi: 10.1049/el:20020824.
[13] S. Sato et al., “Ultra-low Loss 0.1397dB/km Silica-core Single-mode Fiber,” in Optical Fiber Communication Conference (OFC) 2025, paper M1F.4, Optica Publishing Group, Mar. 2025, p. M1F.4. doi: 10.1364/OFC.2025.M1F.4.
[14] M. Petrovich et al., “Broadband optical fibre with an attenuation lower than 0.1 decibel per kilometre,” Nat. Photon., pp. 1–6, Sep. 2025, doi: 10.1038/s41566-025-01747-5.
Depuis des siècles les hommes cherchent des moyens d'utiliser la lumière pour communiquer- des feux de signalisation et télégraphes sémaphoriques aux liaisons laser modernes. Cependant dans l'espace libre l'énergie lumineuse se diffuse et diminue rapidement avec la distance...
La communication optique constitue la colonne vertébrale invisible de notre société numérique moderne. Que ce soit pour naviguer sur Internet diffuser des vidéos haute définition ou organiser des réunions internationales en temps réel toutes ces activités reposent sur...
Publié 9/12/2025
