Technologies optiques

Introduction Le dveloppement des tlcommunications s'est caractris par l'utilisation d'un domaine de frquences de plus en plus vaste, depuis les quelques kilohertz des premires lignes tlphoniques jusqu'aux quelques dizaines de gigahertz des liaisons radio. Il tait donc a priori logique que la lumire puisse tre utilise afin de prolonger le spectre. Elle ne pouvait cependant devenir un moyen de tlcommunication que dans la mesure o il tait possible de moduler une source optique des frquences leves et de transmettre les signaux sur un support stable et peu attnuant. Le premier problme a t rsolu par la mise au point des dispositifs semiconducteurs comme les lasers et le second par les fibres optiques.

Les fibres optiques Une fibre optique est un guide dilectrique qui conduit la lumire sur une grande distance. Elle est habituellement symtrie de rvolution autour d'un axe et constitue de matriaux isotropes (verres) disposs en plusieurs couches avec des indices de rfraction diffrents (fig.1). Le cur de la fibre, qui a un indice de rfraction plus fort que la gaine, pige la lumire : un rayon lumineux lanc dans ce milieu subit une rflexion totale chaque fois qu'il touche l'interface cur-gaine.

Historique

C'est en 1966 que fut lance l'ide de transporter sur de grandes distances des signaux optiques sur une fibre, mais il faudra des annes pour matriser les procds de fabrication et contrler la composition des matriaux qui influe de manire dcisive sur l'attnuation (pertes) du signal transmis. On parviendra alors obtenir des attnuations assez faibles pour que devienne possible la transmission des signaux sur des distances suffisamment grandes pour rendre la technique optique comptitive. Partie en 1960 de 1 000 dcibels par kilomtre (dB/km), l'attnuation est descendue 20 dB/km en 1975 puis 0,2 dB/km en 1984. Compare aux autres supports de transmission, la fibre optique moderne prsente une attnuation faible et quasi constante sur une large plage de frquences et offre ainsi l'avantage de bandes passantes gigantesques permettant d'envisager la transmission haut dbit de donnes numriques. Mais la fibre n'est pas seulement un attnuateur parfait : la variation de l'indice de rfraction du matriau en fonction de la longueur d'onde est la cause principale de la dispersion chromatique, qui va entraner une dformation des signaux transmis. Cet effet linaire se manifeste d'autant plus que la distance est leve et la bande passante des signaux importante. Lorsque l'attnuation des fibres tait importante, la dispersion chromatique n'tait pas une proccupation, puisque le signal optique, qui n'tait utilisable que sur de courtes distances, devait tre rgnr avant d'avoir t notablement dform. Avec la diminution des pertes et l'apparition de systmes haut dbit, la dispersion chromatique est devenue un effet fondamental. Les amplificateurs 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 linaires qui sont eux aussi une source de dgradation du signal. Ces effets peuvent cependant tre utiliss, dans certaines conditions, de manire positive afin de compenser l'influence de la dispersion chromatique. Dans le cas gnral, effets linaires et non linaires interagissent ; ils ne peuvent donc tre isols et traits sparment. La fibre optique apparat par consquent comme un milieu complexe, dont l'effet sur un signal ne peut tre prdit qu'au moyen de logiciels de simulation.

Bases de la propagation dans une fibre optique : fibres monomodales et multimodales

Dans une fibre idale, l'indice de rfraction n ne dpend que de la distance r l'axe. Le graphe n(r) s'appelle le profil d'indice de la fibre (fig. 1). Schmatiquement, en partant de l'extrieur, on rencontre successivement : une couche de protection mcanique en matire plastique ;

une gaine optique, zone o n(r) reste constant ; un cur, au voisinage de l'axe.

Lorsque n(r) est constant dans le cur, on parle de fibre saut d'indice. L'expression gnrale de l'indice de rfraction en fonction du rayon (profil d'indice) est donne par la relation suivante :

avec a reprsentant le rayon du cur, la diminution relative de l'indice entre l'axe et la gaine, g un paramtre arbitraire positif caractristique du profil (par exemple g = 1 profil en triangle, g = 2 profil parabolique, g = profil saut d'indice), nc l'indice de rfraction (maximal) du cur, et ng l'indice de rfraction de la gaine. En pratique, les variations d'indice de rfraction entre le cur et la gaine sont trs faibles (moins de 1 p. 100), l'indice lui-mme restant au voisinage de 1,46 pour des verres base de silice (n dpend de la longueur d'onde). On distingue deux grandes familles de fibres : d'une part, les fibres multimodales, dont le diamtre de cur est grand devant la longueur d'onde (une centaine de micromtres), et, d'autre part, les fibres monomodales, dont le diamtre de cur est de l'ordre de la longueur d'onde (infrieur 10 m) et qui se caractrisent par la propagation d'un seul mode. Les fibres multimodales, apparues les premires parce qu'elles sont plus faciles fabriquer et connecter entre elles, ont une capacit de transmission limite par les interfrences entre les divers modes de propagation ; elles demeurent aujourd'hui largement employes dans les applications o leurs performances suffisent, pour des raisons de cot. Les fibres monomodales, mises au point dans les annes 1980, sont, quant elles, exclusivement utilises dans les rseaux optiques trs haut dbit.

Bien entendu, une fibre relle ne se rsume pas la donne de son profil d'indice. Il faut tenir compte de plusieurs lments de perturbations : les impurets chimiques, les fluctuations de la composition des verres, les irrgularits gomtriques lies la fabrication ou au conditionnement des fibres.

Phnomnes affectant la propagation L'attnuation La puissance optique le long de la fibre dcrot avec la distance z parcourue par le champ lectromagntique. On caractrise cette dcroissance par l'attnuation exprime en dcibels. Entre la puissance envoye dans la fibre P(0) et celle qui est recueillie une distance z (en km), il existe la relation suivante :

o A est l'attnuation par unit de longueur, exprime en dcibels par kilomtre. Divers phnomnes sont l'origine de l'attnuation (fig. 2) :

La diffusion Rayleigh. Elle est responsable de la dcroissance d'ensemble en 4 pour les faibles longueurs d'onde. l'chelle microscopique, les verres amorphes constituant la fibre prsentent de lgres fluctuations de densit et d'indice qui provoquent une diffusion de la lumire dans toutes les directions et donc une attnuation de la puissance transmise. Cette attnuation est lie, d'une part, au matriau de base constituant la fibre et, d'autre part, aux diffrents dopants utiliss pour obtenir des indices de rfraction diffrents entre le cur et la gaine optique [distribution n(r)]. Par exemple, avec de la silice et un dopage au germanium, on obtient une attnuation de 0,15 dB/km la longueur d'onde de 1,6 m. Les mcanismes d'absorption. L'attnuation globale est toujours suprieure l'attnuation de Rayleigh. La plus grosse part est due aux mcanismes d'absorption. Ces derniers sont lis essentiellement la prsence, dans le matriau de base, d'impurets telles que les mtaux de transition (130 dB/km pour 1ppm de fer pour = 0,85 m) et surtout les ions OH (60 dB/km pour 1 ppm au premier harmonique = 1,38 m) qui se manifestent par une raie d'absorption (fig. 2). On sait maintenant ramener ce pic OH 2 dB/km ou moins. Le matriau de base lui-mme contribue aussi l'absorption via les queues d'absorption de ses rsonances lectroniques et ioniques. Pour la silice, on obtient ainsi 0,1 dB/km 0,8 m, 0,02 dB/km 1,5 m et 1 dB/km 1,8 m. La combinaison de la diffusion de Rayleigh, qui dcrot avec la longueur d'onde, et des pertes par absorption, qui croissent avec la longueur d'onde, donne naissance un minimum absolu de l'attnuation pour une fibre optique. Pour la silice, cela correspond 0,15 dB/km vers = 1,55 m. Les pissures. Une grande longueur de fibre (de 10 100 km) rsulte toujours de la mise bout bout de tronons beaucoup plus courts, de l'ordre de 1 kilomtre de longueur. chaque jonction, ou pissure, la gomtrie de la fibre est rompue et on distingue quatre types de dfauts possibles au raccordement, tous combinables entre eux : une discontinuit 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 cbles. Les courbures des cbles lors de leur mise en place. Celles-ci affectent la propagation du mode : l'nergie du mode la plus loigne de l'axe de la fibre est perdue par rayonnement, contribuant augmenter l'attnuation de la fibre optique.

Les effets linaires Dispersion chromatique

Comme tout quadriple, la fibre optique est caractrise par sa fonction de transfert. Dans la bande des signaux transmis, l'attnuation peut tre considre comme constante et les distorsions subies par le signal sont essentiellement reprsentes par la dispersion chromatique qui traduit la variation du temps de propagation de groupe en fonction de la frquence (ou, de manire quivalente, de la longueur d'onde). La dispersion chromatique, souvent appele D, est exprime en picosecondes par nanomtre par kilomtre [ps/(nm.km)]. Pour la fibre monomodale standard (type G.652) 1,55 m, D est gal 17 ps/(nm.km). Un paramtre important est la longueur d'onde (0) pour laquelle la dispersion chromatique devient nulle. Dans le cas de la fibre standard, 0 se situe autour de 1,3 m. 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 fentre autour de 1,3 m a t utilise en premier et l'est encore pour des transmissions sur de courtes distances. Mais, pour ces longueurs d'onde proches de 1,3 m, l'attnuation est plus grande qu' 1,55 m. Les fibres dispersion dcale (D.S.F., dispersion shifted fibers) prsentent, autour de 1,55 m, 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 largie, tandis que la frquence optique est module le long de l'impulsion (fig. 3) : le dtecteur, sensible uniquement la puissance, dtecte l'enveloppe et l'largissement de celle-ci entrane un recouvrement des impulsions successives, un phnomne rencontr dans tous les systmes de communication numrique. La dispersion chromatique va ainsi limiter le dbit pour une distance donne ou, de manire quivalente, la distance maximale pour un dbit donn.

Impact de la dispersion chromatique sur une impulsion

Une impulsion subit des distorsions lies la dispersion chromatique : largissement de son

enveloppe et modulation de la frquence optique.

Dispersion modale de polarisation

Une fibre monomodale, au sens o on l'entend habituellement, autorise la propagation d'un seul mode, mais ce mode est dgnr, c'est dire qu'il peut se dcomposer en deux modes de base indpendants ayant des polarisations orthogonales.

L'ellipticit (une fibre relle n'est jamais parfaitement circulaire), ainsi que les contraintes extrieures entranent une birfringence dont les axes changent de manire alatoire le long de la fibre. Il en rsulte un couplage entre les deux modes de base au cours de la propagation, si bien que, lorsqu'une impulsion est envoye dans la fibre, deux impulsions spares par un retard alatoire sont reues l'extrmit, donnant lieu un recouvrement entre impulsions, appel en transmission numrique interfrence entre symboles (fig 4)

La valeur moyenne de ce retard (alatoire) caractrise la dispersion modale de polarisation (Polarization Dispersion Mode ou P.M.D.). Dans une fibre fort couplage de modes, elle varie comme la racine carre de la longueur et la fibre est caractrise, en consquence, par un paramtre de P.M.D. exprim en ps/km. Au contraire, dans une fibre maintien de polarisation, le retard est une fonction linaire de la distance. Les progrs effectus depuis le dbut des annes 2000 dans les procds de fabrication des fibres conduisent des valeurs de paramtre de P.M.D. infrieures 0,2 ps/km.

La P.M.D. constitue une limitation importante la porte des systmes de transmission optique, d'autant plus que les fibres prsentes dans les rseaux ne sont pas toutes rcentes 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 10 et 40 Gbit/s. Pour une fibre prsentant un paramtre de P.M.D. de 0,5 ps/km, la distance maximale de transmission est respectivement de 400 kilomtres et 25 kilomtres, ce qui est trs infrieur la porte du systme de transmission en l'absence de P.M.D. Il faut toutefois noter que les modulations plus de deux niveaux et les techniques de traitement du signal permettront d'augmenter notablement la robustesse face la P.M.D., et donc, dans de nombreux cas, d'augmenter le dbit sans pour autant changer les cbles optiques existants.

Les effets non linaires L'indice de rfraction du matriau, thoriquement constant, dpend en fait de la puissance du champ lectromagntique (effet Kerr). Il en rsulte qu'une impulsion se propageant dans une fibre optique va, ds lors qu'elle est suffisamment puissante, modifier l'indice, ce qui lui impose en retour une modulation de phase, appele automodulation de phase. Cette modulation est thoriquement invisible du dtecteur, qui n'est sensible qu' la puissance du champ lectromagntique, mais elle va, par l'intermdiaire de la dispersion chromatique, tre convertie en fluctuations d'amplitude qui dgradent la qualit du signal. Lorsque plusieurs signaux se propagent ensemble dans une fibre, chacun est affect galement d'une modulation de phase parasite due aux autres signaux : c'est la modulation de phase croise, gnratrice aussi de distorsions qui s'ajoutent celles qui sont lies l'automodulation de phase. Un paramtre essentiel de la fibre qui dtermine l'importance des effets non linaires est l'aire efficace. Celle-ci correspond, en premire approximation, la surface sur laquelle est distribue l'nergie qui se propage : elle vaut environ 70 m2 pour la fibre standard. C'est en effet la densit de puissance par unit de surface qui est la grandeur importante, et les fabricants se sont efforcs de l'augmenter. C'est toutefois difficile, car cette augmentation a des contreparties sur d'autres caractristiques : par exemple, l'nergie qui est moins concentre le long de l'axe a plus tendance s'chapper quand on courbe la fibre, d'o une sensibilit plus grande la courbure.

metteurs et rcepteurs Le laser Les systmes pratiques utilisent des sources semiconducteurs mettant autour des longueurs d'onde de 0,85 m, 1,3 m ou 1,55 m. Les bandes de frquences utilises autour de ces trois longueurs d'onde sont souvent appeles les trois fentres de tlcommunications. La premire valeur a t impose par les matriaux semiconducteurs disponibles avant 1980 ; les deux autres sont apparues avec le dveloppement des fibres monomodales. Actuellement, le seul type de source utilis est la diode laser qui a un spectre de raies trs fines (entre 0,2 et 1 MHz lorsque le laser met 1 mW) rparties sur un intervalle spectral de quelques nanomtres. La diffrence entre la puissance de la raie principale et celle des autres raies peut tre de l'ordre de 30 dcibels ou plus : on parle alors de laser monomodal. La rgion missive tant un rectangle dont les cts sont de l'ordre de 1 5 m, le champ mis n'est donc pas symtrie circulaire : il diverge davantage dans le plan parallle au petit ct du rectangle. Il y a de ce fait une forte dsadaptation 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 manires diffrentes.

La modulation directe. Dans ce cas, on agit sur le courant de jonction qui provoque l'effet laser. En premire approximation, la puissance optique dlivre varie linairement en fonction du courant. Ce type de modulation provoque une modification dynamique du spectre qui est lie la conversion amplitude-frquence (chirp en anglais) avec des effets nuisibles aux grandes vitesses de modulation. La modulation externe. Le champ mis par la source n'est pas modul et passe par un circuit optique spcial o l'on peut provoquer une modulation de phase ou d'amplitude. Ces modulateurs introduisent beaucoup moins de conversion amplitude-frquence. Le signal modul envoy dans la fibre est donc nettement moins affect par ce phnomne, mais il est galement moins puissant. Le principe physique utilis dans les modulateurs externes peut tre la variation de l'indice de rfraction ou la variation de l'absorption (dispositifs base de semiconducteurs). Pour les modulateurs lectrorfractifs, le matriau utilis est le niobate de lithium (LiNbO3) dans une configuration d'interfromtre de Mach-Zehnder en ondes guides (cf. INTERFERENCES LUMINEUSES). La phase de l'onde lumineuse est modifie dans un des bras de l'interfromtre au rythme de la tension applique au matriau de ce bras. Il en rsulte, aprs recombinaison des deux ondes, des interfrences

constructives ou destructives suivant la tension applique. Pour les modulateurs lectroabsorbants, base de semiconducteurs, la modulation de la puissance lumineuse rsulte directement de la variation de l'absorption du matriau avec le champ lectrique. Les rcepteurs La dtection du signal optique est assure par des photodiodes semiconductrices qui fournissent un courant proportionnel la puissance lumineuse moyenne intercepte ; cette moyenne (temporelle) tant prise sur un temps d'intgration caractristique de la technologie de la diode et du circuit lectrique dans lequel elle est monte, les modulations d'amplitude ne seront donc dtectes que si leur priode est suffisamment grande par rapport au temps d'intgration. En dtection directe, on a une relation linaire entre le courant lectrique dtect et la puissance optique capte. La dtection dite cohrente , consistant faire battre, comme en radio, le signal reu avec un oscillateur local, a suscit un important effort de recherche entre 1980 et 1990, en raison des gains en sensibilit de rception qu'elle pouvait apporter. Aprs avoir t mise en sommeil avec l'arrive des amplificateurs fibre, elle connat, depuis 2006, un fort regain d'intrt. Tous les industriels l'envisagent pour les futures gnrations de systmes pour deux raisons. La premire est la possibilit de faire appel des modulations complexes ( plus de deux tats, ce qui permet de mieux utiliser le spectre) et plus rsistantes aux dfauts de transmission. La seconde est le progrs en matire de circuits de traitement du signal, qui apporte des solutions aux problmes rencontrs dans les annes 1990, comme la rcupration 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 tant une fonction essentielle en transmission, d'importants efforts de recherche ont t consacrs la mise au point d'amplificateurs optiques.

L'amplificateur semiconducteurs, qui a fait l'objet de nombreux travaux depuis le dbut des annes 1970, n'a pas connu beaucoup de dveloppements en tant qu'amplificateur insr dans un systme de transmission, si l'on excepte quelques dmonstrations dans la fentre de 1,3 m, o il n'existe pas d'amplificateurs fibre dope industriellement disponibles. En revanche, ses caractristiques lui offrent un

large domaine d'utilisation pour tout ce qui touche au traitement optique du signal (multiplexage et dmultiplexage, rgnration, conversion de longueur d'onde...), la ralisation de ces fonctions mettant en uvre des effets non linaires (modulation croise du gain, modulation de phase croise) [cf. 4 Fonctions optiques]. L'amplificateur fibre, apparu la fin des annes 1980, est rapidement pass au stade industriel : il constitue aujourd'hui un dispositif cl de tous les futurs rseaux de tlcommunications optiques. Outre sa fiabilit, ses qualits reposent sur deux caractristiques essentielles : d'une part, sa linarit (au sens o sa constante de temps ne le rend sensible qu' la puissance moyenne des signaux qui le traversent, ce qui vite toute distorsion de ces derniers), et, d'autre part, son bruit faible et voisin des limites thoriques. L'amplificateur optique permet de dpasser la limite impose par l'attnuation de la fibre, puisque la puissance envoye en ligne peut tre considrablement augmente et que le signal peut tre ramplifi au cours de sa propagation, au prix, il est vrai, de l'addition de bruit ; cette utilisation a conduit la notion de systme amplifi . L'amplificateur en ligne se substitue aux rpteurs-rgnrateurs intermdiaires. La bande passante importante des amplificateurs fibre (plus de 30 nm) permet d'envisager l'amplification simultane de plusieurs longueurs d'onde (porteuses optiques) juxtaposes dans le spectre, constituant ce qu'on appelle un multiplex. Ainsi nat le concept de multiplexage en longueur d'onde (W.D.M., pour wavelength division multiplexing), qui sera dvelopp plus loin. Ensuite, utilis devant le rcepteur, l'amplificateur fibre amliore considrablement la sensibilit du rcepteur, en dpassant la limite impose par le bruit thermique. C'est cette proprit qui a enlev la plus grande partie de l'intrt des recherches sur la rception cohrente.

Principe de l'amplificateur optique fibre Comme n'importe quel amplificateur, un amplificateur optique absorbe l'nergie fournie par une source extrieure appele pompe et la restitue au signal pour l'amplifier.

Les amplificateurs fibre disponibles commercialement fonctionnent dans la fentre de transmission la longueur d'onde de 1 550 nm. Un de leurs avantages est la simplicit du dispositif (fig. 5). Ils se composent pour l'essentiel d'une fibre de quelques mtres de longueur, dope avec des ions appropris et connecte la fibre de ligne, d'une pompe (dans la plupart des cas, un laser semiconducteur) et d'un dispositif de couplage de la lumire de la pompe vers la fibre dope (le

multiplexeur). Il est habituel d'ajouter deux isolateurs l'un en entre, l'autre en sortie , qui ne laissent passer la lumire que dans un seul sens, afin d'viter toutes les rflexions qui pourraient crer une cavit, faire osciller le dispositif et le transformer en laser (cf. LASERS).

Un amplificateur optique fibre amplifie la lumire grce au mcanisme d'mission stimule li aux lments dopants de la fibre dont les plus utiliss sont les ions erbium. Ce mcanisme d'mission stimule peut tre dcrit de la faon suivante : si un photon incident interagit avec un ion, un effet de rsonance produit la redescente de l'ion dans son tat fondamental avec mission d'un photon identique au prcdent, qui s'ajoute ceux du signal et vient donc l'amplifier.

Le spectre du gain dpend trs fortement de la conception de l'amplificateur (longueur de la fibre dope) et de son point de fonctionnement (puissance de la pompe et du signal). Ainsi, pour une utilisation dans un systme multiplexage en longueur d'onde, un amplificateur possde 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 dpend aussi de la matrice hte 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 matrice de silice, 25 nm pour une matrice en verre fluor et 31 nm lorsqu'on met bout bout ces deux types de fibres dans un mme amplificateur. On augmente encore la bande de gain en couplant un amplificateur fonctionnant dans la bande classique (1 520-1 560 nm), appele bande C , un amplificateur fonctionnant dans une bande L (1 570-

1 610 nm) et construit avec une longueur importante de fibre dope ; cela conduit une bande de gain totale de presque 100 nm. forte puissance, l'amplificateur commence saturer, c'est--dire que la puissance de sortie augmente de moins en moins avec la puissance d'entre et tend vers une valeur asymptotique. L'originalit de la saturation dans un amplificateur optique tient au fait que, pour des raisons de constantes de temps lies aux matriaux, l'amplificateur peut fonctionner dans la rgion de saturation sans affecter le taux d'extinction d'un signal numrique ds lors que le dbit est suprieur 100 kbit/s : en d'autres termes, le gain de l'amplificateur ne suit pas les fluctuations de puissance du signal numrique, qui sont trop rapides pour qu'il les voie. Dans un amplificateur optique, le bruit est constitu par l'mission spontane amplifie (E.S.A.) qui se dcrit de la faon suivante : quelques ions retombent dans l'tat fondamental sans avoir t stimuls par un photon de signal et mettent un photon dit spontan ; ces photons spontans se propagent dans la fibre et stimulent eux-mmes l'mission d'autres photons, donnant naissance l'E.S.A.

La technique de multiplexage en longueur d'onde Comme il a dj t indiqu, l'amplification optique et le multiplexage en longueur d'onde sont trs troitement lis : la transmission simultane de plusieurs porteuses optiques permet de partager entre elles le cot 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 considrable de la capacit de transmission d'une fibre donne, donc du rseau existant, sans installation de nouvelles infrastructures. Dans un systme de transmission utilisant le multiplexage en longueur d'onde, les diffrentes longueurs d'onde sont mlanges puis injectes dans la fibre grce au multiplexeur (fig. 6). la sortie de la chane de transmission, le dmultiplexeur les spare et envoie chacune d'elles sur un rcepteur.

Les phnomnes qui dgradent la qualit du signal au cours de sa propagation sont :

l'accumulation du bruit d'mission spontane des amplificateurs ;

les effets linaires (dispersion chromatique, dispersion modale de polarisation) ;

les effets non linaires (automodulation de phase, instabilit de modulation, modulation de phase croise, mlange quatre ondes, effets Brillouin et Raman stimuls) lorsque la puissance mise est suffisante.

Les paramtres importants dans la conception d'un systme de transmission sur fibre optique sont le pas d'amplification (qui dtermine le gain des amplificateurs et donc le bruit accumul), la puissance mise par les sources et les amplificateurs ainsi que la dispersion chromatique. Cette dernire peut tre compense par des compensateurs fibre dont la dispersion rduit celle de la fibre de ligne. Lorsque les effets non linaires ne peuvent tre ngligs, les performances du systme dpendent fortement de l'emplacement des compensateurs, puisque les effets linaires et non linaires ne peuvent tre spars : la carte de dispersion, c'est--dire la reprsentation de la dispersion cumule en fonction de la distance, est donc une caractristique fondamentale du systme (fig. 7).

Liaison W.D.M. compense en dispersion chromatique

En a, exemple d'une liaison sur fibre optique multiplexe en longueur d'onde (liaison W.D.M.,

Wavelength Division Multiplexing). En b, carte de dispersion le long de cette liaison. La dispersion

crot linairement le long de la fibre de ligne et dcrot le long de la fibre compensatrice: la

dispersion cumule prsente une srie de pics alternativement positifs et ngatifs, les seconds

correspondant 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 voqus prcdemment (metteur, fibre, rcepteur, amplificateur fibre, multiplexeur et dmultiplexeur), plusieurs fonctions optiques sont indispensables pour la construction d'un rseau de tlcommunications entirement optique, comme la conversion de longueur d'onde, la rgnration optique et le brassage optique.

La conversion de longueur d'onde Elle consiste transfrer ou dupliquer l'information d'une longueur d'onde sur une autre longueur d'onde dcale de quelques gigahertz quelques trahertz. Elle peut tre ncessaire dans des machines de routage pour viter des conflits lorsque deux canaux entrant la mme longueur d'onde doivent tre envoys vers la mme fibre de sortie. Une technique consiste utiliser la saturation croise du gain dans un amplificateur semiconducteur. Le signal incident la longueur d'onde A est inject dans l'amplificateur semiconducteur et va moduler le gain au rythme de l'information qu'il porte. Si l'on injecte simultanment un signal continu dont la longueur d'onde Btombe dans la bande de gain de l'amplificateur, le signal sortant la longueur d'onde B sera amplifi par le gain modul la longueur d'onde A. On a

ainsi dupliqu l'information de la longueur A vers la longueur B. Il suffit de filtrer la longueur d'onde A la sortie de l'amplificateur.

La rgnration optique

La non-linarit de la fonction de transfert d'un amplificateur semiconducteur permet de remettre en forme des signaux ayant subi des distorsions lors de la propagation sur une fibre, sans repasser par le signal lectrique. Cette remise en forme du signal est appele rgnration optique.

Le brassage optique Le brasseur optique situ dans les nuds d'un rseau ralise une fonction d'aiguillage entre les fibres qui lui sont relies : il peut envoyer une longueur d'onde (canal optique) d'une fibre d'entre vers une fibre de sortie. Diverses technologies sont envisageables, certaines mixant l'optique et l'lectronique, d'autres tant entirement optiques. Parmi ces dernires, les micromiroirs orientables (M.E.M.S., micro electro mechanical systems) semblent tout fait prometteurs.

Systmes de transmission sur fibre optique Historique La fibre, on l'a dit, prsente une attnuation quasi constante sur une plage de frquences considrable (plusieurs milliers de gigahertz) et offre ainsi l'avantage de bandes passantes gigantesques, ce qui permet d'envisager aujourd'hui la transmission de dbits trs importants (plusieurs trabits par seconde) exigs par la multiplication des services et les besoins accrus de transmission d'images. Les systmes optiques permettent aussi, par rapport aux systmes sur cble coaxial (cuivre), un gain sur la distance sparant les diffrents rpteurs-rgnrateurs, qui est passe de quelques kilomtres quelques dizaines de kilomtres. Ds 1978, des systmes travaillant la longueur d'onde optique de 0,8 m ont t mis en place, acheminant un dbit compris entre 50 et 100 Mbit/s avec un espacement entre rpteurs de l'ordre de 10 kilomtres, c'est--dire trois fois plus environ que les systmes sur cble coaxial de capacit quivalente.

La deuxime gnration de systmes de transmission sur fibre optique, apparue dans les annes 1980, dcoule directement de la mise au point de la fibre monomodale et du laser semiconducteur 1,3 m, longueur d'onde pour laquelle la dispersion chromatique (c'est--dire la distorsion induite sur les signaux par la propagation) est minimale. Des dbits suprieurs 1 Gbit/s, avec un espacement entre rpteurs de plusieurs dizaines de kilomtres, sont alors atteints. Les portes de ces systmes sont limites par les pertes de la fibre, 0,5 dB/km dans le meilleur cas, et l'ide apparat alors de dvelopper des sources mettant la longueur d'onde de 1,55 m, pour laquelle l'attnuation est minimale. Nanmoins, ce gain est dtruit

par l'effet de la dispersion chromatique, qui est beaucoup plus forte cette longueur d'onde et qui limite alors la bande passante et donc le dbit. Des progrs effectus tant sur les lasers mettant sur un seul mode que sur le milieu de transmission (fibres dispersion dcale) viennent apporter des solutions ces problmes et les premiers systmes travaillant 1,55 m apparaissent la fin des annes 1980, avec un dbit suprieur 2 Gbit/s. L'apparition des amplificateurs fibre la fin des annes 1980, puis le dveloppement du multiplexage en longueur d'onde ont fait de l'optique une technique surpassant toutes les autres en capacit comme en qualit de transmission, dans les rseaux interurbains constitus d'artres de grosse capacit qui relient les grandes villes. Cette suprmatie a galement affect les liaisons internationales haut dbit qui sont aujourd'hui exclusivement assures par des cbles sous-marins fibres optiques.

Dans les rseaux d'accs, au contraire, une grande varit de supports de transmission (cuivre, radio, fibre optique) est employe ; l'optique y joue un rle de plus en plus important avec le dveloppement des connexions trs haut dbit (F.T.T.H., Fiber to the Home), mme si elle ne reste que l'une des techniques. Cet article traite essentiellement de la transmission grande capacit et grande distance, donc du cas des rseaux interurbains.

L'optique, technologie de rupture des rseaux Depuis l'apparition, en 1995, des premiers systmes 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 capacits offertes continuent de connatre une augmentation constante, dans le contexte d'une offre industrielle qui volue trs rapidement, grce aux progrs de l'lectronique, des sources, des amplificateurs... Si l'augmentation de la capacit sur une fibre optique s'est d'abord effectue grce une multiplication du nombre de canaux 2,5 Gbit/s, on n'a pas vu apparatre les systmes quelques centaines de canaux ce dbit, que d'aucuns prvoyaient, car les systmes W.D.M. 10 Gbit/s par canal ont vu le jour entre-temps. En 2001, la capacit totale commercialement disponible tait 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 progrs de l'lectronique ainsi que l'intgration des composants lectroniques et optiques ont permis de traiter des dbits de plus en plus levs : la gnration des systmes 40 Gbit/s par canal a t tudie dans les laboratoires au dbut des annes 2000 et des produits industriels ont t disponibles ds 2004. Mais, le ralentissement conscutif l'clatement de la bulle Internet a limit les investissements et empch le dploiement de ces systmes. Toutefois, les problmes de capacit auxquels sont confronts les oprateurs sur certaines artres

ont conduit ces derniers, partir de 2007, installer des liens WDM 40 Gbit/s dans les rseaux.

Depuis l'apparition des premiers amplificateurs fibre, la bande d'amplification disponible n'a cess d'augmenter, jusqu' couvrir toute la bande C. Pour augmenter le nombre de canaux, une premire voie est de diminuer l'espacement entre ceux-ci en restant dans la bande C : les limitations rencontres sont lies des perturbations mutuelles entre les canaux et aussi, bien sr, au dbit transmis par canal qui impose une valeur minimale de l'espacement. Aujourd'hui, 10 Gbit/s par canal, un espacement de 50 GHz sur une fibre monomodale standard (G. 652) est parfaitement matris et les systmes 40 Gbit/s par canal avec un espacement de 100 GHz sont galement disponibles.

L'utilisation de la bande L complexifie le systme de transmission parce que ce sont en fait deux amplificateurs en parallle qui couvrent les bandes C et L. Cette solution n'est pas trs apprcie chez les oprateurs.

Perspectives Pendant longtemps, il paraissait vident que la gnration qui succderait aux systmes 40 Gbit/s par canal aurait un dbit par canal de 160 Gbit/s, puisque le dbit avait toujours augment selon une progression gomtrique de raison 4. Depuis 2006, les recherches industrielles se concentrent sur les systmes 100 Gbit/s, en lien avec le dveloppement du protocole Ethernet 100 G. Il est trs probable que des systmes offrant 100 Gbit/s par canal verront le jour, certainement pas avant 2011 ou 2012. Ils utiliseront la rception cohrente et des techniques puissantes de traitement du signal en rception, qui rendront le signal beaucoup plus robuste aux dfauts du milieu de transmission, la dispersion chromatique, la dispersion modale de polarisation, aux effets non linaires...

Le recours des modulations plus de deux tats, en lien avec la rception cohrente, conduira une meilleure utilisation de la bande disponible de la fibre ainsi qu' une moindre sensibilit certains dfauts. Par exemple, une modulation quatre tats permet de diviser par deux la bande occupe, et le recours la transmission sur deux polarisations orthogonales permet encore de gagner un facteur deux, si bien qu'un canal 100 Gbit/s occupe la mme bande qu'un canal 25 Gbit/s utilisant une modulation binaire. Les rcepteurs feront appel des fonctions de traitement du signal trs volues afin de corriger les dgradations apportes par la transmission. Ce sera une rvolution trs importante, similaire celle qu'a connue la radio : le tlphone cellulaire ne fonctionnerait pas sans l'existence de ces fonctions. Indpendamment de la sensibilit croissante tous les dfauts de propagation lorsque le dbit par canal augmente, la limitation nergtique est le premier obstacle la monte en capacit : il faut augmenter la puissance de sortie des amplificateurs ou bien diminuer le pas d'amplification, ce qui est totalement

exclu dans un rseau o l'oprateur veut, pour des raisons conomiques, pouvoir modifier la capacit du systme sans changer son infrastructure. Une nouvelle voie trs explore pour les futurs systmes 40 Gbit/s par canal consiste injecter dans la fibre de ligne une puissance de pompe afin de crer, grce l'effet Raman (cf. effet RAMAN), une amplification distribue qui compense les pertes. De la mme manire, le codage correcteur d'erreurs, qui permet de diminuer la probabilit d'erreur au prix de l'introduction d'une redondance dans le signal mis, est devenu une fonction de base dans les systmes W.D.M. Le code Reed Solomon appliqu aux premiers systmes 10 Gbit/s et permettant un gain en puissance d'environ 6 dB, s'est gnralis. Des codes plus sophistiqus permettant des gains plus importants (codes entrelacs), sont aujourd'hui proposs et, plus long terme, le recours d'autres systmes de codage encore plus labors (turbocodes et dcision douce, par exemple) permettrait de s'approcher encore plus de la limite donne par la thorie de l'information.