Influence de la dispersion aléatoire faible sur la transmission par solitons et du mélange à quatre ondes dans les fibres optiques

1.2 Téléco mmunications op tiques haut débit [7] 1.2.1 Historique

Les réseaux d e téléco mmunication dans les années 70 rep osent sur deux types d e systè mes : le cable coaxial et les faisceaux hertziens.

Le réseau hertzien est b asé sur une infrastructure de relais (distant d 'environ 50 km les uns des autres) et utilise diverses b andes de fréquences essentielle ment autour de 6/7 G Hz et 11 GHz. D e 1975 a 1985_' la recherche se concentre sur les prob lè mes que pose l'augmentation de la b and e p assante liée au passage d e l'analogique au numérique_' et des d évelopp e ments imp ortants voient le jour. Ainsi_' des faisceaux hertziens p ermettant la transmission de 8 canaux (7 plus un canal de secours) a 140 Mb it/s_' soit environ 1 Gb it/s sur un lien sont disp onibles dès la fin des années 80. Le rend e ment sp ectral_' qui rep résente l'efficacité dans l'utilisation du sp ectre_' atteint alors environ 4 b it/s/H z_' grace a des sché mas d e modulation p erformants.

Les lignes d e transmission utilisant le cable coaxial p ossèdent_' quant a elles_' une longueur du pas d e régénération b eaucoup plus faib le du fait de la très forte atténuation du milieu. Le systè me de base de ces réseaux a une cap acité de 140 Mb it/s avec un esp ace ment entre chaque rép éteur de l'ordre de 2 km. Les d erniers d évelop p e ments sur ces lignes d e transmission ont p ermis d 'ob tenir une cap acité d e 560 Mb it/s avec le mème esp ace ment entre rép éteurs. C o mme a l'ép oque les cables interurb ains disp osaient typique ment de 8 a 12 p aires_' la cap acité d'une ligne atteignait 2 ou 3 Gb it/s.

C 'est vers la fin des années 80 que vont apparaitre les premiers systè mes d e transmission optique : une p ériod e d e coexistence commence avec les autres réseaux. C e d évelopp e ment commercial est l'ab outisse ment de plus de deux d écennies de recherche de base pour ob tenir des co mp osants et disp ositifs (en p articulier des sources)_' mais aussi des fibres dont l'atténuation est compatible avec les exigences d'un réseau d e téléco mmunication.

Les premières années d e l'op tique sont marquées par des évolutions imp ortantes :

· Le passage de la fibre multi mode⁷_' utilisée dans les premières exp érimentations_' a la fibre mono mod e qui propose des d éb its sans rapport avec la première.

· Le passage successif de la première fenétre d e transmission autour d e 850 nm (fibre multi mode) a la d euxiè me autour de 1310 nm (minimum d 'atténuation d'environ 0_'3 a 0_'4 dB/km)_' puis a celle autour de 1550 nm (minimum d 'atténuation de 0_'2 dB/km)_' qui est la norme aujourd 'hui en matière d e réseau. C es change ments de fenétre d e transmission ont été rendus p ossib les par l'amélioration des techniques de fabrication des préformes et au développ e ment des sources op tiques.

S i_' dans les premières années_' le réseau optique a un déb it qui ne surp asse pas encore celui des lignes d e transmission utilisant le cable coaxial_' il p résente quand méme un avantage indéniab le face a ce dernier : l'esp ace ment entre chaque rép éteur est plus imp ortant_' d e l'ordre

d e quelques dizaines d e kilo mètres (par exe mple environ 70 km pour un systè me a 560 Mb it/s a 1550 nm).

Les réseaux d e téléco mmunications rep osent donc toujours sur deux systè mes_' la radio et le cable qui d e coaxial est devenu op tique. L'avantage de la fibre op tique par rapport au cable coaxial (augmentation du pas de régénération et d onc diminution des rép éteurs et des cofits d e fabrication des lignes de transmission) va trouver un champ d 'ap plication dans le

d o maine des téléco mmunications très longues distances (en p articulier dans les lignes de transmission sous-marines) : des cables optiques furent envisagés dès lors que la fiab ilité des co mp osants optiques permit d e les immerger. Le premier cable sous- marin transatlantique⁸ TAT 8 utilisant des fibres optiques fut p osé en 1988 et offre une cap acité d e 280 Mb it/s par p aire de fibres a 1310 nm. TAT 9 qui suivit en 1991_' travaille quant a lui a 1550 nm_' avec une cap acité de 560 Mb it/s par p aire de fibres.

La notion d e ligne d e transmission otout-optique» faisant app el exclusive ment a la fibre op tique apparait au déb ut des années 1990.

D e 1992 a 1996_' vont se b -tir les réseaux 0 tout-op tique » d e grande cap acité utilisant la fibre mono mode standard ap p elée G-652⁹_' chaque fibre étant capable de transporter un d éb it

d e 2_'5 Gb it/s avec un pas moyen d e régénération de 90 km. C ette évolution technologique

⁷ La fibre multimod e conserve cep end ant sa pertinence dans d 'autres d o maines tels que l'aéronautique par exe mp le.

⁸ TAT : Câble sous - marin transatlantique

⁹ Norme ITU - T.

des réseaux 0 tout-optique » a été rendue possible par la mise au point d 'amp lificateurs op tiques des la fin des années 80. En général_' l'amplificateur utilise une fibre ED FA¹⁰; ainsi cela p ermet d e contrô ler sans conversion électro-optique la puissance des signaux trans mis et co mp ense les p ertes sub ies lors de la propagation.

En 1995 le premier réseau sous-marin utilisant la technologie d e l'amp lification op tique a fibre d op ée a l'erb ium (ED FA) est mis en service. C ette liaison longue d e 6300 km (TAT 12_' TAT 13) co mp orte 133 rép éteurs en ligne et propose un d éb it total de 10 Gb it/s trans mis sur deux fib res_' équip ées chacune d 'une longueur d'onde modulée a 5 Gb it/s.

Enfin la véritab le révolution technologique va se produire avec l'app arition du multiplexage en longueur d'onde ou WD M qui amene donc une multiplication par un facteur consid érab le de la cap acité du réseau. Lintérét principal de cette technique_' qui a fait sa p opularité_' est d e p ouvoir réutiliser la fibre déjà installée_' ce qui n'entraine pas de surcout pour d e nouvelles infrastructures. Le p aragraphe suivant va nous exp liquer son fonctionne ment

1 .2.2 Multiplexage, modulation WDM

Un avantage des amplificateurs op tique a fibres dop ées a l'Erb ium (ED FA) est le fait qu'ils présentent une b ande sp ectrale d 'amplification de 30 a 40 nm. 1l est donc possible d 'amplifier simultané ment p lusieurs canaux d e longueurs d 'ond e voisines dans cette plage sur une méme fibre. C ette technique app elée multiplexage en longueur d 'ond e ou WD M p ermet d e multiplier le d éb it des réseaux d e téléco mmunications par le no mb re de canaux.

Dans toute trans mission_' il est d onc intéressant d e faire passer au méme moment dans le méme conducteur (ici une méme fibre) un maximum d e communications concurrentes_' sans que l'une ne vienne b rouiller l'autre. O n les ache mine d onc chacune sur une longueur d'onde différente : c'est le multiplexage.

Le multip lexage et sa fonction inverse sont assurés par des M ux/D e mux. Les différentes longueurs d 'ond e sont générale ment asse mb lées et sép arées par des p rocédés optiques_' co mme les filtres en couches minces (les plus co mmuné ment rép andus). Plusieurs trains d e signaux numériques a la méme vitesse de modulation sont associés_' mais chacun a une longueur d 'ond e distincte.

¹⁰ Dans laquelle se p roduit un mécanisme d e transfert d e puissance entre une p o mp e op tique et le signal a transporter.

Fibre

MULTIPLEXEUR

DEMULTIPLEXEUR

Récepteur 2

Emetteur A2

1, 2, ..., N

Récepteur AN

Emetteur X1

Récepteur X1

Emetteur AN

Compensateur de dispersion

Amplificateur optique

Figure 1.1. Principe dXune liaison WD M11

C ette figure 1.1 montre le fonctionne ment la technique WD M : p lusieurs signaux sont multiplexés^1A_' ensuite drainés dans la méme fibre dans laquelle ils sont amplifiés a chaque fois par des amp lificateurs optiques. Arrivés a la réception les signaux sont d é multip lexés et trans mis chacun vers le récep teur corresp ondant.

¹¹ Toutes les figures apparaissant dans ce chapitre sont inspirées de la référence [7], sauf les figures 1.3, 1.4, 1.5

¹² Technique analogue à celle de modulation/démodulation de fréquences usuelle.

Figure 1. 2. Opportunité d 'utilisation du multiplexage couplée a l'amp lification optique

C ette figure 1.2 montre le principal profit de la technique du multiplexage en longueur

d 'onde (WD M )' a savoir le fait qu'elle rend inutile l'utilisation des rép éteurs/régénérateurs intermédiaires^1B .

Il est a noter que la technologie du multiplexage en longueur d 'onde (WDM) et en p articulier le multiplexage en longueur d 'onde dense (DWD M)^1C_' du fait des fortes p uissances op tiques guidées va introduire des effets non linéaires qui en dégradent les performances dont les plus imp ortants sont :

· L'auto modulation de phase ou S PM ^1D.

· La modulation de phase croisée ou diaphonie entre canaux_' app elée XPM ^1E.

¹³ Qui eux obligent l'utilisation de plusieurs fibres optiques, ce qui n'est pas le cas de la WDM, celle - ci est donc non seulement plus économique mais plus performante et réalise la même opération.

¹⁴ DWDM : Dense Wave - length Multiplexing

¹⁵ SPM : Self Phase Modulation

· Le mélange a quatre ondes noté FWM ¹⁷ qui créerait de lXinter-modulation op tique entre les différents canaux.

· La diffusion RAMAN stimulée ou S RS ¹⁸ qui augmente les écarts de puissance revue entre canaux et par conséquent produit une trop grande dispersion du rapport signal/b ruit_' il y a égale ment la diffusion RAMAN auto - induite dans laquelle on assiste a un transfert d 'énergie des courtes aux grand es longueurs d 'ondes par vibrations moléculaires (phonons op tiques) dans la silice [18].

· La diffusion BRILLO U IN stimulée ou S BS ^1H_' il y a p erte de puissance du signal a l'ap proche du seuil par transfert de puissance a l'ond e STO KES ' cet effet est similaire a la diffusion RAMAN stimulée [18].

Pour ce qui est de notre travail on s'intéresse unique ment a l'effet non linéaire du élange a quatre ondes.