Technologies optiques Introduction Le développement des télécommunications s'est caractérisé par l'utilisation d'un domaine de fréquences de plus en plus vaste, depuis les quelques kilohertz des premières lignes téléphoniques jusqu'aux quelques dizaines de gigahertz des liaisons radio. Il était donc a priori logique que la lumière puisse être utilisée afin de prolonger le spectre. Elle ne pouvait cependant devenir un moyen de télécommunication que dans la mesure où il était possible de moduler une source optique à des fréquences élevées et de transmettre les signaux sur un support stable et peu atténuant. Le premier problème a été résolu par la mise au point des dispositifs à semiconducteurs comme les lasers et le second par les fibres optiques.
Les fibres optiques Une fibre optique est un guide diélectrique qui conduit la lumière sur une grande distance. Elle est habituellement à symétrie de révolution autour d'un axe et constituée de matériaux isotropes (verres) disposés en plusieurs couches avec des indices de réfraction différents (fig.1). Le cœur de la fibre, qui a un indice de réfraction plus fort que la gaine, piège la lumière : un rayon lumineux lancé dans ce milieu subit une réflexion totale chaque fois qu'il touche l'interface cœur-gaine.
Historique C'est en 1966 que fut lancée l'idée de transporter sur de grandes distances des signaux optiques sur une fibre, mais il faudra des années pour maîtriser les procédés de fabrication et contrôler la composition des matériaux qui influe de manière décisive sur l'atténuation (pertes) du signal transmis. On parviendra alors à obtenir des atténuations assez faibles pour que devienne possible la transmission des signaux sur des distances suffisamment grandes pour rendre la technique optique compétitive. Partie en 1960 de 1 000 décibels par kilomètre (dB/km), l'atténuation est descendue à 20 dB/km en 1975 puis à 0,2 dB/km en 1984. Comparée aux autres supports de transmission, la fibre optique moderne présente une atténuation faible et quasi constante sur une large plage de fréquences et offre ainsi l'avantage de bandes passantes gigantesques permettant d'envisager la transmission à haut débit de données numériques. Mais la fibre n'est pas seulement un atténuateur parfait : la variation de l'indice de réfraction du matériau en fonction de la longueur d'onde est la cause principale de la dispersion chromatique, qui va entraîner une déformation des signaux transmis. Cet effet linéaire se manifeste d'autant plus que la distance est élevée et la bande passante des signaux importante. Lorsque l'atténuation des fibres était importante, la dispersion chromatique n'était pas une préoccupation, puisque le signal optique, qui n'était utilisable que sur de courtes distances, devait être régénéré avant d'avoir été notablement déformé. Avec la diminution des pertes et l'apparition de systèmes à haut débit, la dispersion chromatique est devenue un effet fondamental. Les amplificateurs à fibre ont permis d'injecter dans les fibres optiques des puissances importantes, de porter le signal plus loin et de lutter contre les pertes de propagation ; la contrepartie en est l'apparition d'effets non linéaires qui sont eux aussi une source de dégradation du signal. Ces effets peuvent cependant être utilisés, dans certaines conditions, de manière positive afin de compenser l'influence de la dispersion chromatique. Dans le cas général, effets linéaires et non linéaires interagissent ; ils ne peuvent donc être isolés et traités séparément. La fibre optique apparaît par conséquent comme un milieu complexe, dont l'effet sur un signal ne peut être prédit qu'au moyen de logiciels de simulation.
Bases de la propagation dans une fibre optique : fibres monomodales et multimodales Dans une fibre idéale, l'indice de réfraction n ne dépend que de la distance r à l'axe. Le graphe n(r) s'appelle le profil d'indice de la fibre (fig. 1). Schématiquement, en partant de l'extérieur, on rencontre successivement : – une couche de protection mécanique en matière plastique ; – une gaine optique, zone où n(r) reste constant ; – un cœur, au voisinage de l'axe. Lorsque n(r) est constant dans le cœur, on parle de fibre à saut d'indice. L'expression générale de l'indice de réfraction en fonction du rayon (profil d'indice) est donnée par la relation suivante :
avec a représentant le rayon du cœur, ∆ la diminution relative de l'indice entre l'axe et la gaine, g un paramètre arbitraire positif caractéristique du profil (par exemple g = 1 profil en triangle, g = 2 profil parabolique, g = ∞ profil à saut d'indice), nc l'indice de réfraction (maximal) du cœur, et ng l'indice de réfraction de la gaine. En pratique, les variations d'indice de réfraction entre le cœur et la gaine sont très faibles (moins de 1 p. 100), l'indice lui-même restant au voisinage de 1,46 pour des verres à base de silice (n dépend de la longueur d'ondeλ). On distingue deux grandes familles de fibres : d'une part, les fibres multimodales, dont le diamètre de cœur est grand devant la longueur d'onde (une centaine de micromètres), et, d'autre part, les fibres monomodales, dont le diamètre de cœur est de l'ordre de la longueur d'onde (inférieur à 10 µm) et qui se caractérisent par la propagation d'un seul mode. Les fibres multimodales, apparues les premières parce qu'elles sont plus faciles à fabriquer et à connecter entre elles, ont une capacité de transmission limitée par les interférences entre les divers modes de propagation ; elles demeurent aujourd'hui largement employées dans les applications où leurs performances suffisent, pour des raisons de coût. Les fibres monomodales, mises au point dans les années 1980, sont, quant à elles, exclusivement utilisées dans les réseaux optiques à très haut débit.
Bien entendu, une fibre réelle ne se résume pas à la donnée de son profil d'indice. Il faut tenir compte de plusieurs éléments de perturbations : les impuretés chimiques, les fluctuations de la composition des verres, les irrégularités géométriques liées à la fabrication ou au conditionnement des fibres.
Phénomènes affectant la propagation L'atténuation La puissance optique le long de la fibre décroît avec la distance z parcourue par le champ électromagnétique. On caractérise cette décroissance par l'atténuation exprimée en décibels. Entre la puissance envoyée dans la fibre P(0) et celle qui est recueillie à une distance z (en km), il existe la relation suivante :
où A est l'atténuation par unité de longueur, exprimée en décibels par kilomètre. Divers phénomènes sont à l'origine de l'atténuation (fig. 2) :
– La diffusion Rayleigh. Elle est responsable de la décroissance d'ensemble en λ 4
—
pour les faibles longueurs d'onde. À l'échelle microscopique, les verres amorphes
constituant la fibre présentent de légères fluctuations de densité et d'indice qui provoquent une diffusion de la lumière dans toutes les directions et donc une atténuation de la puissance transmise. Cette atténuation est liée, d'une part, au matériau de base constituant la fibre et, d'autre part, aux différents dopants utilisés pour obtenir des indices de réfraction différents entre le cœur et la gaine optique [distribution n(r)]. Par exemple, avec de la silice et un dopage au germanium, on obtient une atténuation de 0,15 dB/km à la longueur d'onde de 1,6 µm. – Les mécanismes d'absorption. L'atténuation globale est toujours supérieure à l'atténuation de Rayleigh. La plus grosse part est due aux mécanismes d'absorption. Ces derniers sont liés essentiellement à la présence, dans le matériau de base, d'impuretés telles que les métaux de transition (130 dB/km pour 1ppm de fer pour λ = 0,85 µm) et surtout les ions OH (60 dB/km pour 1 ppm au premier harmonique λ = 1,38 µm) qui se manifestent par une raie d'absorption (fig. 2). On sait maintenant ramener ce pic OH à 2 dB/km ou moins. Le matériau de base lui-même contribue aussi à l'absorption via les queues d'absorption de ses résonances électroniques et ioniques. Pour la silice, on obtient ainsi 0,1 dB/km à 0,8 µm, 0,02 dB/km à 1,5 µm et 1 dB/km à 1,8 µm. La combinaison de la diffusion de Rayleigh, qui décroît avec la longueur d'onde, et des pertes par absorption, qui croissent avec la longueur d'onde, donne naissance à un minimum absolu de l'atténuation pour une fibre optique. Pour la silice, cela correspond à 0,15 dB/km vers λ = 1,55 µm. – Les épissures. Une grande longueur de fibre (de 10 à 100 km) résulte toujours de la mise bout à bout de tronçons beaucoup plus courts, de l'ordre de 1 kilomètre de longueur. À chaque jonction, ou épissure, la géométrie de la fibre est rompue et on distingue quatre types de défauts possibles au raccordement, tous combinables entre eux : une discontinuité de rayon, une erreur d'espacement, une erreur d'excentrement et une erreur d'alignement angulaire. – Les microcourbures des fibres. Elles apparaissent lors de l'assemblage des fibres pour former des câbles. – Les courbures des câbles lors de leur mise en place. Celles-ci affectent la propagation du mode : l'énergie du mode la plus éloignée de l'axe de la fibre est perdue par rayonnement, contribuant à augmenter l'atténuation de la fibre optique.
Les effets linéaires Dispersion chromatique
Comme tout quadripôle, la fibre optique est caractérisée par sa fonction de transfert. Dans la bande des signaux transmis, l'atténuation peut être considérée comme constante et les distorsions subies par le signal sont essentiellement représentées par la dispersion chromatique qui traduit la variation du temps de propagation de groupe en fonction de la fréquence (ou, de manière équivalente, de la longueur d'onde). La dispersion chromatique, souvent appelée D, est exprimée en picosecondes par nanomètre par kilomètre [ps/(nm.km)]. Pour la fibre monomodale standard (type G.652) à 1,55 µm, D est égal à — 17 ps/(nm.km). Un paramètre important est la longueur d'onde (λ0) pour laquelle la dispersion chromatique devient nulle. Dans le cas de la fibre standard, λ0 se situe autour de 1,3 µm. La dispersion est donc plus faible autour de cette longueur d'onde, ce qui garantit une moindre distorsion des signaux transmis. On comprend ainsi pourquoi la fenêtre autour de 1,3 µm a été utilisée en premier et l'est encore pour des transmissions sur de courtes distances. Mais, pour ces longueurs d'onde proches de 1,3 µm, l'atténuation est plus grande qu'à 1,55 µm. Les fibres à dispersion décalée (D.S.F., dispersion shifted fibers) présentent, autour de 1,55 µm, une dispersion beaucoup plus faible que celle des fibres standard, typiquement moins de 3,5 ps/(nm.km) en valeur absolue. Une impulsion se propageant le long de la fibre voit son enveloppe élargie, tandis que la fréquence optique est modulée le long de l'impulsion (fig. 3) : le détecteur, sensible uniquement à la puissance, détecte l'enveloppe et l'élargissement de celle-ci entraîne un recouvrement des impulsions successives, un phénomène rencontré dans tous les systèmes de communication numérique. La dispersion chromatique va ainsi limiter le débit pour une distance donnée ou, de manière équivalente, la distance maximale pour un débit donné.
Impact de la dispersion chromatique sur une impulsion Une impulsion subit des distorsions liées à la dispersion chromatique : élargissement de son enveloppe et modulation de la fréquence optique.
Dispersion modale de polarisation
Une fibre monomodale, au sens où on l'entend habituellement, autorise la propagation d'un seul mode, mais ce mode est dégénéré, c'est à dire qu'il peut se décomposer en deux modes de base indépendants ayant des polarisations orthogonales. L'ellipticité (une fibre réelle n'est jamais parfaitement circulaire), ainsi que les contraintes extérieures entraînent une biréfringence dont les axes changent de manière aléatoire le long de la fibre. Il en résulte un couplage entre les deux modes de base au cours de la propagation, si bien que, lorsqu'une impulsion est envoyée dans la fibre, deux impulsions séparées par un retard aléatoire sont reçues à l'extrémité, donnant lieu à un recouvrement entre impulsions, appelé en transmission numérique interférence entre symboles (fig 4)
La valeur moyenne de ce retard (aléatoire) caractérise la dispersion modale de polarisation (Polarization Dispersion Mode ou P.M.D.). Dans une fibre à fort couplage de modes, elle varie comme la racine carrée de la longueur et la fibre est caractérisée, en conséquence, par un « paramètre de P.M.D. » exprimé en ps/√km. Au contraire, dans une fibre à maintien de polarisation, le retard est une fonction linéaire de la distance. Les progrès effectués depuis le début des années 2000 dans les procédés de fabrication des fibres conduisent à des valeurs de paramètre de P.M.D. inférieures à 0,2 ps/√km.
La P.M.D. constitue une limitation importante à la portée des systèmes de transmission optique, d'autant plus que les fibres présentes dans les réseaux ne sont pas toutes récentes et n'atteignent donc pas toutes la valeur de 0,2 ps/√km. On estime que la valeur maximale de la P.M.D. est de 10 p. 100 du temps symbole, soit respectivement 10 ps et 2,5 ps pour une modulation binaire à 10 et 40 Gbit/s. Pour une fibre présentant un paramètre de P.M.D. de 0,5 ps/√km, la distance maximale de transmission est respectivement de 400 kilomètres et 25 kilomètres, ce qui est très inférieur à la portée du système de transmission en l'absence de P.M.D. Il faut toutefois noter que les modulations à plus de deux niveaux et les techniques de traitement du signal permettront d'augmenter notablement la robustesse face à la P.M.D., et donc, dans de nombreux cas, d'augmenter le débit sans pour autant changer les câbles optiques existants.
Les effets non linéaires L'indice de réfraction du matériau, théoriquement constant, dépend en fait de la puissance du champ électromagnétique (effet Kerr). Il en résulte qu'une impulsion se propageant dans une fibre optique va, dès lors qu'elle est suffisamment puissante, modifier l'indice, ce qui lui impose en retour une modulation de phase, appelée automodulation de phase. Cette modulation est théoriquement invisible du détecteur, qui n'est sensible qu'à la puissance du champ électromagnétique, mais elle va, par l'intermédiaire de la dispersion chromatique, être convertie en fluctuations d'amplitude qui dégradent la qualité du signal. Lorsque plusieurs signaux se propagent ensemble dans une fibre, chacun est affecté également d'une modulation de phase parasite due aux autres signaux : c'est la modulation de phase croisée, génératrice aussi de distorsions qui s'ajoutent à celles qui sont liées à l'automodulation de phase. Un paramètre essentiel de la fibre qui détermine l'importance des effets non linéaires est l'aire efficace. Celle-ci correspond, en première approximation, à la surface sur laquelle est distribuée l'énergie qui se propage : elle vaut environ 70 µm pour la fibre 2
standard. C'est en effet la densité de puissance par unité de surface qui est la grandeur importante, et les fabricants se sont efforcés de l'augmenter. C'est toutefois difficile, car cette augmentation a des contreparties sur d'autres caractéristiques : par exemple, l'énergie qui est moins concentrée le long de l'axe a plus tendance à s'échapper quand on courbe la fibre, d'où une sensibilité plus grande à la courbure.
Émetteurs et récepteurs Le laser Les systèmes pratiques utilisent des sources à semiconducteurs émettant autour des longueurs d'onde de 0,85 µm, 1,3 µm ou 1,55 µm. Les bandes de fréquences utilisées autour de ces trois longueurs d'onde sont souvent appelées les trois fenêtres de télécommunications. La première valeur a été imposée par les matériaux semiconducteurs disponibles avant 1980 ; les deux autres sont apparues avec le développement des fibres monomodales. Actuellement, le seul type de source utilisé est la diode laser qui a un spectre de raies très fines (entre 0,2 et 1 MHz lorsque le laser émet 1 mW) réparties sur un intervalle spectral de quelques nanomètres. La différence entre la puissance de la raie principale et celle des autres raies peut être de l'ordre de 30 décibels ou plus : on parle alors de laser monomodal. La région émissive étant un rectangle dont les côtés sont de l'ordre de 1 à 5 µm, le champ émis n'est donc pas à symétrie circulaire : il diverge davantage dans le plan parallèle au petit côté du rectangle. Il y a de ce fait une forte désadaptation entre le champ du laser et le champ de la fibre et ainsi des pertes de couplage.
Modulation interne et externe d'une source optique On peut moduler les sources de deux manières différentes. – La modulation directe. Dans ce cas, on agit sur le courant de jonction qui provoque l'effet laser. En première approximation, la puissance optique délivrée varie linéairement en fonction du courant. Ce type de modulation provoque une modification dynamique du spectre – qui est liée à la conversion amplitude-fréquence (chirp en anglais) – avec des effets nuisibles aux grandes vitesses de modulation. – La modulation externe. Le champ émis par la source n'est pas modulé et passe par un circuit optique spécial où l'on peut provoquer une modulation de phase ou d'amplitude. Ces modulateurs introduisent beaucoup moins de conversion amplitudefréquence. Le signal modulé envoyé dans la fibre est donc nettement moins affecté par ce phénomène, mais il est également moins puissant. Le principe physique utilisé dans les modulateurs externes peut être la variation de l'indice de réfraction ou la variation de l'absorption (dispositifs à base de semiconducteurs). Pour les modulateurs électroréfractifs, le matériau utilisé est le niobate de lithium (LiNbO3) dans une configuration d'interféromètre de Mach-Zehnder en ondes guidées (cf. INTERFERENCES LUMINEUSES). La phase de l'onde lumineuse est modifiée dans un des bras de l'interféromètre au rythme de la tension appliquée au matériau de ce bras. Il en résulte, après recombinaison des deux ondes, des interférences
constructives ou destructives suivant la tension appliquée. Pour les modulateurs électroabsorbants, à base de semiconducteurs, la modulation de la puissance lumineuse résulte directement de la variation de l'absorption du matériau avec le champ électrique.
Les récepteurs La détection du signal optique est assurée par des photodiodes semiconductrices qui fournissent un courant proportionnel à la puissance lumineuse moyenne interceptée ; cette moyenne (temporelle) étant prise sur un temps d'intégration caractéristique de la technologie de la diode et du circuit électrique dans lequel elle est montée, les modulations d'amplitude ne seront donc détectées que si leur période est suffisamment grande par rapport au temps d'intégration. En détection directe, on a une relation linéaire entre le courant électrique détecté et la puissance optique captée. La détection dite « cohérente », consistant à faire battre, comme en radio, le signal reçu avec un oscillateur local, a suscité un important effort de recherche entre 1980 et 1990, en raison des gains en sensibilité de réception qu'elle pouvait apporter. Après avoir été mise en sommeil avec l'arrivée des amplificateurs à fibre, elle connaît, depuis 2006, un fort regain d'intérêt. Tous les industriels l'envisagent pour les futures générations de systèmes pour deux raisons. La première est la possibilité de faire appel à des modulations complexes (à plus de deux états, ce qui permet de mieux utiliser le spectre) et plus résistantes aux défauts de transmission. La seconde est le progrès en matière de circuits de traitement du signal, qui apporte des solutions aux problèmes rencontrés dans les années 1990, comme la récupération de la phase de la porteuse ou l'accord en polarisation du signal et de l'oscillateur local.
L'amplification optique et le multiplexage en longueur d'onde Historique L'amplification étant une fonction essentielle en transmission, d'importants efforts de recherche ont été consacrés à la mise au point d'amplificateurs optiques. L'amplificateur à semiconducteurs, qui a fait l'objet de nombreux travaux depuis le début des années 1970, n'a pas connu beaucoup de développements en tant qu'amplificateur inséré dans un système de transmission, si l'on excepte quelques démonstrations dans la fenêtre de 1,3 µm, où il n'existe pas d'amplificateurs à fibre dopée industriellement disponibles. En revanche, ses caractéristiques lui offrent un
large domaine d'utilisation pour tout ce qui touche au traitement optique du signal (multiplexage et démultiplexage, régénération, conversion de longueur d'onde...), la réalisation de ces fonctions mettant en œuvre des effets non linéaires (modulation croisée du gain, modulation de phase croisée) [cf. 4 Fonctions optiques]. L'amplificateur à fibre, apparu à la fin des années 1980, est rapidement passé au stade industriel : il constitue aujourd'hui un dispositif clé de tous les futurs réseaux de télécommunications optiques. Outre sa fiabilité, ses qualités reposent sur deux caractéristiques essentielles : d'une part, sa linéarité (au sens où sa constante de temps ne le rend sensible qu'à la puissance moyenne des signaux qui le traversent, ce qui évite toute distorsion de ces derniers), et, d'autre part, son bruit faible et voisin des limites théoriques. L'amplificateur optique permet de dépasser la limite imposée par l'atténuation de la fibre, puisque la puissance envoyée en ligne peut être considérablement augmentée et que le signal peut être réamplifié au cours de sa propagation, au prix, il est vrai, de l'addition de bruit ; cette utilisation a conduit à la notion de système « amplifié ». L'amplificateur en ligne se substitue aux répéteurs-régénérateurs intermédiaires. La bande passante importante des amplificateurs à fibre (plus de 30 nm) permet d'envisager l'amplification simultanée de plusieurs longueurs d'onde (porteuses optiques) juxtaposées dans le spectre, constituant ce qu'on appelle un multiplex. Ainsi naît le concept de multiplexage en longueur d'onde (W.D.M., pour wavelength division multiplexing), qui sera développé plus loin. Ensuite, utilisé devant le récepteur, l'amplificateur à fibre améliore considérablement la sensibilité du récepteur, en dépassant la limite imposée par le bruit thermique. C'est cette propriété qui a enlevé la plus grande partie de l'intérêt des recherches sur la réception cohérente.
Principe de l'amplificateur optique à fibre Comme n'importe quel amplificateur, un amplificateur optique absorbe l'énergie fournie par une source extérieure appelée pompe et la restitue au signal pour l'amplifier. Les amplificateurs à fibre disponibles commercialement fonctionnent dans la fenêtre de transmission à la longueur d'onde de 1 550 nm. Un de leurs avantages est la simplicité du dispositif (fig. 5). Ils se composent pour l'essentiel d'une fibre de quelques mètres de longueur, dopée avec des ions appropriés et connectée à la fibre de ligne, d'une pompe (dans la plupart des cas, un laser à semiconducteur) et d'un dispositif de couplage de la lumière de la pompe vers la fibre dopée (le
multiplexeur). Il est habituel d'ajouter deux isolateurs – l'un en entrée, l'autre en sortie –, qui ne laissent passer la lumière que dans un seul sens, afin d'éviter toutes les réflexions qui pourraient créer une cavité, faire osciller le dispositif et le transformer en laser (cf. LASERS).
Un amplificateur optique à fibre amplifie la lumière grâce au mécanisme d'émission stimulée lié aux éléments dopants de la fibre dont les plus utilisés sont les ions erbium. Ce mécanisme d'émission stimulée peut être décrit de la façon suivante : si un photon incident interagit avec un ion, un effet de résonance produit la redescente de l'ion dans son état fondamental avec émission d'un photon identique au précédent, qui s'ajoute à ceux du signal et vient donc l'amplifier. Le spectre du gain dépend très fortement de la conception de l'amplificateur (longueur de la fibre dopée) et de son point de fonctionnement (puissance de la pompe et du signal). Ainsi, pour une utilisation dans un système à multiplexage en longueur d'onde, un amplificateur possède un point de fonctionnement optimal : celui pour lequel son gain est constant en fonction de la longueur d'onde (gain plat). La largeur de la bande de gain dépend aussi de la matrice hôte dans laquelle se trouvent les ions actifs. Au point de fonctionnement optimal, la bande dans laquelle le gain varie de 1 dB est de 20 nm pour une fibre amplificatrice à matrice de silice, 25 nm pour une matrice en verre fluoré et 31 nm lorsqu'on met bout à bout ces deux types de fibres dans un même amplificateur. On augmente encore la bande de gain en couplant un amplificateur fonctionnant dans la bande classique (1 520-1 560 nm), appelée bande « C », à un amplificateur fonctionnant dans une bande « L » (1 570-
1 610 nm) et construit avec une longueur importante de fibre dopée ; cela conduit à une bande de gain totale de presque 100 nm. À forte puissance, l'amplificateur commence à saturer, c'est-à-dire que la puissance de sortie augmente de moins en moins avec la puissance d'entrée et tend vers une valeur asymptotique. L'originalité de la saturation dans un amplificateur optique tient au fait que, pour des raisons de constantes de temps liées aux matériaux, l'amplificateur peut fonctionner dans la région de saturation sans affecter le taux d'extinction d'un signal numérique dès lors que le débit est supérieur à 100 kbit/s : en d'autres termes, le gain de l'amplificateur ne suit pas les fluctuations de puissance du signal numérique, qui sont trop rapides pour qu'il les voie. Dans un amplificateur optique, le bruit est constitué par l'émission spontanée amplifiée (E.S.A.) qui se décrit de la façon suivante : quelques ions retombent dans l'état fondamental sans avoir été stimulés par un photon de signal et émettent un photon dit « spontané » ; ces photons spontanés se propagent dans la fibre et stimulent eux-mêmes l'émission d'autres photons, donnant naissance à l'E.S.A.
La technique de multiplexage en longueur d'onde Comme il a déjà été indiqué, l'amplification optique et le multiplexage en longueur d'onde sont très étroitement liés : la transmission simultanée de plusieurs porteuses optiques permet de partager entre elles le coût de l'amplification et d'utiliser efficacement la bande de gain de l'amplificateur. Un autre avantage du multiplexage en longueur d'onde est l'augmentation considérable de la capacité de transmission d'une fibre donnée, donc du réseau existant, sans installation de nouvelles infrastructures. Dans un système de transmission utilisant le multiplexage en longueur d'onde, les différentes longueurs d'onde sont mélangées puis injectées dans la fibre grâce au multiplexeur (fig. 6). À la sortie de la chaîne de transmission, le démultiplexeur les sépare et envoie chacune d'elles sur un récepteur.
Les phénomènes qui dégradent la qualité du signal au cours de sa propagation sont : – l'accumulation du bruit d'émission spontanée des amplificateurs ; – les effets linéaires (dispersion chromatique, dispersion modale de polarisation) ; – les effets non linéaires (automodulation de phase, instabilité de modulation, modulation de phase croisée, mélange à quatre ondes, effets Brillouin et Raman stimulés) lorsque la puissance émise est suffisante. Les paramètres importants dans la conception d'un système de transmission sur fibre optique sont le pas d'amplification (qui détermine le gain des amplificateurs et donc le bruit accumulé), la puissance émise par les sources et les amplificateurs ainsi que la dispersion chromatique. Cette dernière peut être compensée par des compensateurs à fibre dont la dispersion réduit celle de la fibre de ligne. Lorsque les effets non linéaires ne peuvent être négligés, les performances du système dépendent fortement de l'emplacement des compensateurs, puisque les effets linéaires et non linéaires ne peuvent être séparés : la carte de dispersion, c'est-à-dire la représentation de la dispersion cumulée en fonction de la distance, est donc une caractéristique fondamentale du système (fig. 7).
Liaison W.D.M. compensée en dispersion chromatique En a, exemple d'une liaison sur fibre optique multiplexée en longueur d'onde (liaison W.D.M., Wavelength Division Multiplexing). En b, carte de dispersion le long de cette liaison. La dispersion croît linéairement le long de la fibre de ligne et décroît le long de la fibre compensatrice: la dispersion cumulée présente une série de pics alternativement positifs et négatifs, les seconds correspondant à l'effet de la compensation en F.C.D.1, F.C.D.2 et F.C.D.3.
Fonctions optiques En dehors des composants de base évoqués précédemment (émetteur, fibre, récepteur, amplificateur à fibre, multiplexeur et démultiplexeur), plusieurs fonctions optiques sont indispensables pour la construction d'un réseau de télécommunications entièrement optique, comme la conversion de longueur d'onde, la régénération optique et le brassage optique.
La conversion de longueur d'onde Elle consiste à transférer ou dupliquer l'information d'une longueur d'onde sur une autre longueur d'onde décalée de quelques gigahertz à quelques térahertz. Elle peut être nécessaire dans des machines de routage pour éviter des conflits lorsque deux canaux entrant à la même longueur d'onde doivent être envoyés vers la même fibre de sortie. Une technique consiste à utiliser la saturation croisée du gain dans un amplificateur à semiconducteur. Le signal incident à la longueur d'onde λA est injecté dans l'amplificateur à semiconducteur et va moduler le gain au rythme de l'information qu'il porte. Si l'on injecte simultanément un signal continu dont la longueur d'onde λBtombe dans la bande de gain de l'amplificateur, le signal sortant à la longueur d'onde λB sera amplifié par le gain modulé à la longueur d'onde λA. On a
ainsi dupliqué l'information de la longueur λA vers la longueur λB. Il suffit de filtrer la longueur d'onde λA à la sortie de l'amplificateur.
La régénération optique La non-linéarité de la fonction de transfert d'un amplificateur à semiconducteur permet de remettre en forme des signaux ayant subi des distorsions lors de la propagation sur une fibre, sans repasser par le signal électrique. Cette remise en forme du signal est appelée régénération optique.
Le brassage optique Le brasseur optique situé dans les nœuds d'un réseau réalise une fonction d'aiguillage entre les fibres qui lui sont reliées : il peut envoyer une longueur d'onde (canal optique) d'une fibre d'entrée vers une fibre de sortie. Diverses technologies sont envisageables, certaines mixant l'optique et l'électronique, d'autres étant entièrement optiques. Parmi ces dernières, les micromiroirs orientables (M.E.M.S., micro electro mechanical systems) semblent tout à fait prometteurs.
Systèmes de transmission sur fibre optique Historique La fibre, on l'a dit, présente une atténuation quasi constante sur une plage de fréquences considérable (plusieurs milliers de gigahertz) et offre ainsi l'avantage de bandes passantes gigantesques, ce qui permet d'envisager aujourd'hui la transmission de débits très importants (plusieurs térabits par seconde) exigés par la multiplication des services et les besoins accrus de transmission d'images. Les systèmes optiques permettent aussi, par rapport aux systèmes sur câble coaxial (cuivre), un gain sur la distance séparant les différents répéteurs-régénérateurs, qui est passée de quelques kilomètres à quelques dizaines de kilomètres. Dès 1978, des systèmes travaillant à la longueur d'onde optique de 0,8 µm ont été mis en place, acheminant un débit compris entre 50 et 100 Mbit/s avec un espacement entre répéteurs de l'ordre de 10 kilomètres, c'est-à-dire trois fois plus environ que les systèmes sur câble coaxial de capacité équivalente. La deuxième génération de systèmes de transmission sur fibre optique, apparue dans les années 1980, découle directement de la mise au point de la fibre monomodale et du laser à semiconducteur à 1,3 µm, longueur d'onde pour laquelle la dispersion chromatique (c'est-à-dire la distorsion induite sur les signaux par la propagation) est minimale. Des débits supérieurs à 1 Gbit/s, avec un espacement entre répéteurs de plusieurs dizaines de kilomètres, sont alors atteints. Les portées de ces systèmes sont limitées par les pertes de la fibre, 0,5 dB/km dans le meilleur cas, et l'idée apparaît alors de développer des sources émettant à la longueur d'onde de 1,55 µm, pour laquelle l'atténuation est minimale. Néanmoins, ce gain est détruit
par l'effet de la dispersion chromatique, qui est beaucoup plus forte à cette longueur d'onde et qui limite alors la bande passante et donc le débit. Des progrès effectués tant sur les lasers émettant sur un seul mode que sur le milieu de transmission (fibres à dispersion décalée) viennent apporter des solutions à ces problèmes et les premiers systèmes travaillant à 1,55 µm apparaissent à la fin des années 1980, avec un débit supérieur à 2 Gbit/s. L'apparition des amplificateurs à fibre à la fin des années 1980, puis le développement du multiplexage en longueur d'onde ont fait de l'optique une technique surpassant toutes les autres en capacité comme en qualité de transmission, dans les réseaux interurbains constitués d'artères de grosse capacité qui relient les grandes villes. Cette suprématie a également affecté les liaisons internationales à haut débit qui sont aujourd'hui exclusivement assurées par des câbles sous-marins à fibres optiques. Dans les réseaux d'accès, au contraire, une grande variété de supports de transmission (cuivre, radio, fibre optique) est employée ; l'optique y joue un rôle de plus en plus important avec le développement des connexions à très haut débit (F.T.T.H., Fiber to the Home), même si elle ne reste que l'une des techniques. Cet article traite essentiellement de la transmission à grande capacité et grande distance, donc du cas des réseaux interurbains.
L'optique, technologie de rupture des réseaux Depuis l'apparition, en 1995, des premiers systèmes de multiplexage en longueur d'onde (W.D.M., pourwavelength division multiplexing), qui ont permis de transporter 10 Gbit/s (4 × 2,5 Gbit/s) sur une seule fibre optique, les capacités offertes continuent de connaître une augmentation constante, dans le contexte d'une offre industrielle qui évolue très rapidement, grâce aux progrès de l'électronique, des sources, des amplificateurs... Si l'augmentation de la capacité sur une fibre optique s'est d'abord effectuée grâce à une multiplication du nombre de canaux à 2,5 Gbit/s, on n'a pas vu apparaître les systèmes à quelques centaines de canaux à ce débit, que d'aucuns prévoyaient, car les systèmes W.D.M. à 10 Gbit/s par canal ont vu le jour entre-temps. En 2001, la capacité totale commercialement disponible était de 400 Gbit/s (40 canaux de 10 Gbit/s chacun) sur une fibre ; en 2006, elle a atteint 800 Gbit/s (80 canaux de 10 Gbit/s chacun). Les progrès de l'électronique ainsi que l'intégration des composants électroniques et optiques ont permis de traiter des débits de plus en plus élevés : la génération des systèmes à 40 Gbit/s par canal a été étudiée dans les laboratoires au début des années 2000 et des produits industriels ont été disponibles dès 2004. Mais, le ralentissement consécutif à l'éclatement de la « bulle Internet » a limité les investissements et empêché le déploiement de ces systèmes. Toutefois, les problèmes de capacité auxquels sont confrontés les opérateurs sur certaines artères
ont conduit ces derniers, à partir de 2007, à installer des liens WDM à 40 Gbit/s dans les réseaux. Depuis l'apparition des premiers amplificateurs à fibre, la bande d'amplification disponible n'a cessé d'augmenter, jusqu'à couvrir toute la bande C. Pour augmenter le nombre de canaux, une première voie est de diminuer l'espacement entre ceux-ci en restant dans la bande C : les limitations rencontrées sont liées à des perturbations mutuelles entre les canaux et aussi, bien sûr, au débit transmis par canal qui impose une valeur minimale de l'espacement. Aujourd'hui, à 10 Gbit/s par canal, un espacement de 50 GHz sur une fibre monomodale standard (G. 652) est parfaitement maîtrisé et les systèmes à 40 Gbit/s par canal avec un espacement de 100 GHz sont également disponibles. L'utilisation de la bande L complexifie le système de transmission parce que ce sont en fait deux amplificateurs en parallèle qui couvrent les bandes C et L. Cette solution n'est pas très appréciée chez les opérateurs.
Perspectives Pendant longtemps, il paraissait évident que la génération qui succéderait aux systèmes à 40 Gbit/s par canal aurait un débit par canal de 160 Gbit/s, puisque le débit avait toujours augmenté selon une progression géométrique de raison 4. Depuis 2006, les recherches industrielles se concentrent sur les systèmes à 100 Gbit/s, en lien avec le développement du protocole Ethernet 100 G. Il est très probable que des systèmes offrant 100 Gbit/s par canal verront le jour, certainement pas avant 2011 ou 2012. Ils utiliseront la réception cohérente et des techniques puissantes de traitement du signal en réception, qui rendront le signal beaucoup plus robuste aux défauts du milieu de transmission, à la dispersion chromatique, à la dispersion modale de polarisation, aux effets non linéaires... Le recours à des modulations à plus de deux états, en lien avec la réception cohérente, conduira à une meilleure utilisation de la bande disponible de la fibre ainsi qu'à une moindre sensibilité à certains défauts. Par exemple, une modulation à quatre états permet de diviser par deux la bande occupée, et le recours à la transmission sur deux polarisations orthogonales permet encore de gagner un facteur deux, si bien qu'un canal à 100 Gbit/s occupe la même bande qu'un canal à 25 Gbit/s utilisant une modulation binaire. Les récepteurs feront appel à des fonctions de traitement du signal très évoluées afin de corriger les dégradations apportées par la transmission. Ce sera une révolution très importante, similaire à celle qu'a connue la radio : le téléphone cellulaire ne fonctionnerait pas sans l'existence de ces fonctions. Indépendamment de la sensibilité croissante à tous les défauts de propagation lorsque le débit par canal augmente, la limitation énergétique est le premier obstacle à la montée en capacité : il faut augmenter la puissance de sortie des amplificateurs ou bien diminuer le pas d'amplification, ce qui est totalement
exclu dans un réseau où l'opérateur veut, pour des raisons économiques, pouvoir modifier la capacité du système sans changer son infrastructure. Une nouvelle voie très explorée pour les futurs systèmes à 40 Gbit/s par canal consiste à injecter dans la fibre de ligne une puissance de pompe afin de créer, grâce à l'effet Raman (cf. effet RAMAN), une amplification distribuée qui compense les pertes. De la même manière, le codage correcteur d'erreurs, qui permet de diminuer la probabilité d'erreur au prix de l'introduction d'une redondance dans le signal émis, est devenu une fonction de base dans les systèmes W.D.M. Le code Reed Solomon appliqué aux premiers systèmes à 10 Gbit/s et permettant un gain en puissance d'environ 6 dB, s'est généralisé. Des codes plus sophistiqués permettant des gains plus importants (codes entrelacés), sont aujourd'hui proposés et, à plus long terme, le recours à d'autres systèmes de codage encore plus élaborés (turbocodes et décision douce, par exemple) permettrait de s'approcher encore plus de la limite donnée par la théorie de l'information.
