Communication fibre optique - Fiber-optic communication

Une armoire de brassage de fibre optique. Les câbles jaunes sont des fibres monomodes ; les câbles orange et bleu sont des fibres multimodes : 62,5/125 m OM1 et 50/125 m OM3 respectivement.
L' équipe de fibre de Stealth Communications installe un câble à fibre noire de 432 points sous les rues de Midtown Manhattan, New York City

La communication par fibre optique est une méthode de transmission d'informations d'un endroit à un autre en envoyant des impulsions de lumière infrarouge à travers une fibre optique . La lumière est une forme d' onde porteuse qui est modulée pour transporter des informations. La fibre est préférée au câblage électrique lorsqu'une bande passante élevée , une longue distance ou une immunité aux interférences électromagnétiques est requise. Ce type de communication peut transmettre la voix, la vidéo et la télémétrie via des réseaux locaux ou sur de longues distances.

La fibre optique est utilisée par de nombreuses entreprises de télécommunications pour transmettre des signaux téléphoniques, des communications Internet et des signaux de télévision par câble. Les chercheurs des Bell Labs ont atteint un produit bande passante-distance record de plus de 100 pétabit × kilomètres par seconde en utilisant la communication par fibre optique.

Fond

Développée pour la première fois dans les années 1970, la fibre optique a révolutionné l' industrie des télécommunications et a joué un rôle majeur dans l'avènement de l' ère de l' information . En raison de leurs avantages par rapport à la transmission électrique , les fibres optiques ont largement remplacé les communications par fil de cuivre dans les réseaux fédérateurs du monde développé .

Le processus de communication à l'aide de fibres optiques comprend les étapes de base suivantes :

  1. créer le signal optique impliquant l'utilisation d'un émetteur, généralement à partir d'un signal électrique
  2. relayer le signal le long de la fibre, en veillant à ce que le signal ne devienne pas trop déformé ou faible
  3. recevoir le signal optique
  4. le convertir en un signal électrique

Applications

La fibre optique est utilisée par les entreprises de télécommunications pour transmettre des signaux téléphoniques, des communications Internet et des signaux de télévision par câble. Il est également utilisé dans d'autres industries, notamment médicales, de défense, gouvernementales, industrielles et commerciales. En plus de servir à des fins de télécommunications, il est utilisé comme guide de lumière, pour les outils d'imagerie, les lasers, les hydrophones pour les ondes sismiques, le SONAR et comme capteurs pour mesurer la pression et la température.

En raison de l' atténuation et des interférences plus faibles , la fibre optique présente des avantages par rapport au fil de cuivre dans les applications longue distance et à large bande passante. Cependant, le développement des infrastructures dans les villes est relativement difficile et prend du temps, et les systèmes à fibre optique peuvent être complexes et coûteux à installer et à exploiter. En raison de ces difficultés, les premiers systèmes de communication à fibre optique ont été principalement installés dans des applications longue distance, où ils peuvent être utilisés à leur pleine capacité de transmission, compensant ainsi l'augmentation des coûts. Les prix des communications par fibre optique ont considérablement baissé depuis 2000.

Le prix du déploiement de la fibre optique jusqu'aux foyers est actuellement devenu plus rentable que celui du déploiement d'un réseau basé sur le cuivre. Les prix sont tombés à 850 $ par abonné aux États-Unis et plus bas dans des pays comme les Pays-Bas, où les coûts d'excavation sont faibles et la densité de logements est élevée.

Depuis 1990, date à laquelle les systèmes d'amplification optique sont devenus disponibles dans le commerce, l'industrie des télécommunications a mis en place un vaste réseau de lignes de communication interurbaines et transocéaniques en fibre. En 2002, un réseau intercontinental de 250 000 km de câbles de communication sous - marins d'une capacité de 2,56 Tb /s a été achevé, et bien que les capacités de réseau spécifiques soient des informations privilégiées, les rapports d'investissement dans les télécommunications indiquent que la capacité du réseau a considérablement augmenté depuis 2004.

Histoire

En 1880, Alexander Graham Bell et son assistant Charles Sumner Tainter créèrent un précurseur très précoce des communications par fibre optique, le photophone , au Volta Laboratory nouvellement créé de Bell à Washington, DC Bell le considérait comme son invention la plus importante. Le dispositif permettait la transmission du son sur un faisceau lumineux. Le 3 juin 1880, Bell a effectué la première transmission téléphonique sans fil au monde entre deux bâtiments distants de quelque 213 mètres. En raison de son utilisation d'un support de transmission atmosphérique, le photophone ne s'avérerait pas pratique jusqu'à ce que les progrès des technologies laser et fibre optique permettent le transport sécurisé de la lumière. La première utilisation pratique du photophone est venue dans les systèmes de communication militaires plusieurs décennies plus tard.

En 1954, Harold Hopkins et Narinder Singh Kapany ont montré que la fibre de verre laminée permettait la transmission de la lumière.

Jun-ichi Nishizawa , un scientifique japonais de l' Université de Tohoku , a proposé l'utilisation de fibres optiques pour les communications en 1963. Nishizawa a inventé la diode PIN et le transistor à induction statique , qui ont tous deux contribué au développement des communications par fibre optique.

En 1966 , Charles K. Kao et George Hockham à Standard Telecommunication Laboratories ont montré que les pertes de 1000 dB / km en verre existant ( par rapport à 5-10 dB / km en câble coaxial) étaient dus à des contaminants qui pourraient être enlevés.

La fibre optique a été développée avec succès en 1970 par Corning Glass Works , avec une atténuation suffisamment faible à des fins de communication (environ 20  dB / km) et en même temps, des lasers à semi-conducteur GaAs ont été développés qui étaient compacts et donc adaptés à la transmission de la lumière à travers des câbles à fibre optique pour longues distances.

En 1973, Optelecom , Inc., co-fondée par l'inventeur du laser, Gordon Gould , a reçu un contrat de l'ARPA pour l'un des premiers systèmes de communication optique. Développé pour l' Army Missile Command à Huntsville, en Alabama, le système était destiné à permettre à un missile à courte portée d'être piloté à distance depuis le sol au moyen d'une fibre optique de cinq kilomètres de long qui se déroulait du missile pendant son vol.

Après une période de recherche à partir de 1975, le premier système commercial de communication à fibre optique a été développé, fonctionnant à une longueur d'onde d'environ 0,8 m et utilisant des lasers à semi-conducteur GaAs. Ce système de première génération fonctionnait à un débit de 45 Mbit/s avec un espacement des répéteurs allant jusqu'à 10 km. Peu de temps après, le 22 avril 1977, General Telephone and Electronics a envoyé le premier trafic téléphonique en direct via la fibre optique à un débit de 6 Mbit/s à Long Beach, en Californie.

En octobre 1973, Corning Glass signe un contrat de développement avec le CSELT et Pirelli visant à tester la fibre optique en milieu urbain : en septembre 1977, le deuxième câble de cette série de tests, nommé COS-2, est déployé expérimentalement sur deux lignes (9 km ) à Turin , pour la première fois dans une grande ville, à une vitesse de 140 Mbit/s.

La deuxième génération de communication par fibre optique a été développée pour un usage commercial au début des années 1980, fonctionnait à 1,3 m et utilisait des lasers à semi-conducteurs InGaAsP. Ces premiers systèmes étaient initialement limités par la dispersion des fibres multimodes , et en 1981, la fibre monomode s'est révélée améliorer considérablement les performances du système, mais des connecteurs pratiques capables de fonctionner avec des fibres monomodes se sont avérés difficiles à développer. Le fournisseur de services canadien SaskTel avait achevé la construction de ce qui était alors le plus long réseau commercial de fibre optique au monde, qui couvrait 3 268 km (2 031 mi) et reliait 52 collectivités. En 1987, ces systèmes fonctionnaient à des débits binaires allant jusqu'à1,7 Gbit/s avec espacement des répéteurs jusqu'à 50 km (31 mi).

Le premier câble téléphonique transatlantique à utiliser la fibre optique était le TAT-8 , basé sur la technologie d'amplification laser optimisée de Desurvire . Il a été mis en service en 1988.

Les systèmes à fibres optiques de troisième génération fonctionnaient à 1,55 m et avaient des pertes d'environ 0,2 dB/km. Ce développement a été stimulé par la découverte de l'arséniure d' indium et de gallium et le développement de la photodiode à l'arséniure d'indium et de gallium par Pearsall. Les ingénieurs ont surmonté les difficultés antérieures de propagation des impulsions à l' aide de lasers à semi-conducteurs InGaAsP conventionnels à cette longueur d'onde en utilisant des fibres à dispersion décalée conçues pour avoir une dispersion minimale à 1,55 m ou en limitant le spectre laser à un seul mode longitudinal . Ces développements ont finalement permis aux systèmes de troisième génération de fonctionner commercialement à2,5 Gbit/s avec un espacement des répéteurs supérieur à 100 km (62 mi).

La quatrième génération de systèmes de communication à fibre optique utilisait l'amplification optique pour réduire le besoin de répéteurs et le multiplexage en longueur d'onde pour augmenter la capacité de données . Ces deux améliorations ont provoqué une révolution qui a entraîné le doublement de la capacité du système tous les six mois à partir de 1992 jusqu'à un débit de10  Tb/s a été atteint en 2001. En 2006, un débit de14 Tb/s ont été atteints sur une seule ligne de 160 km (99 mi) à l'aide d'amplificateurs optiques.

Le développement de la cinquième génération de communications par fibre optique est axé sur l'extension de la plage de longueurs d'onde sur laquelle un système WDM peut fonctionner. La fenêtre de longueur d'onde conventionnelle, connue sous le nom de bande C, couvre la gamme de longueurs d'onde de 1,53 à 1,57 m, et la fibre sèche a une fenêtre à faible perte promettant une extension de cette gamme à 1,30 à 1,65 m. D'autres développements incluent le concept de « solitons optiques », des impulsions qui préservent leur forme en compensant les effets de dispersion par les effets non linéaires de la fibre en utilisant des impulsions de forme spécifique.

De la fin des années 1990 à 2000, les promoteurs de l'industrie et les sociétés de recherche telles que KMI et RHK ont prédit une augmentation massive de la demande de bande passante de communication en raison de l'utilisation accrue d' Internet et de la commercialisation de divers services grand public gourmands en bande passante, tels que la vidéo à la demande. . Le trafic de données du protocole Internet augmentait de façon exponentielle, à un rythme plus rapide que la complexité des circuits intégrés n'avait augmenté sous la loi de Moore . Depuis l' éclatement de la bulle Internet jusqu'en 2006, cependant, la principale tendance de l'industrie a été la consolidation des entreprises et la délocalisation de la fabrication pour réduire les coûts. Des sociétés telles que Verizon et AT&T ont tiré parti des communications par fibre optique pour fournir une variété de services de données et à large bande à haut débit aux foyers des consommateurs.

La technologie

Les systèmes de communication à fibre optique modernes comprennent généralement un émetteur optique pour convertir un signal électrique en un signal optique à envoyer à travers la fibre optique, un câble contenant des faisceaux de plusieurs fibres optiques acheminés à travers des conduits et des bâtiments souterrains, plusieurs types d'amplificateurs, et un récepteur optique pour récupérer le signal sous forme de signal électrique. Les informations transmises sont généralement des informations numériques générées par des ordinateurs, des systèmes téléphoniques et des sociétés de télévision par câble .

Émetteurs

Un module GBIC (représenté ici avec son couvercle retiré), est un émetteur-récepteur optique et électrique . Le connecteur électrique est en haut à droite et les connecteurs optiques sont en bas à gauche

Les émetteurs optiques les plus couramment utilisés sont les dispositifs à semi-conducteurs tels que les diodes électroluminescentes (DEL) et les diodes laser . La différence entre les LED et les diodes laser est que les LED produisent une lumière incohérente , tandis que les diodes laser produisent une lumière cohérente . Pour une utilisation dans les communications optiques, les émetteurs optiques à semi-conducteurs doivent être conçus pour être compacts, efficaces et fiables, tout en fonctionnant dans une plage de longueurs d'onde optimale et directement modulés à hautes fréquences.

Dans sa forme la plus simple, une LED est une jonction pn polarisée en direct , émettant de la lumière par émission spontanée , un phénomène appelé électroluminescence . La lumière émise est incohérente avec une largeur spectrale relativement large de 30 à 60 nm. La transmission de la lumière LED est également inefficace, avec seulement environ 1% de la puissance d'entrée, soit environ 100 microwatts, finalement convertie en puissance lancée qui a été couplée à la fibre optique. Cependant, en raison de leur conception relativement simple, les LED sont très utiles pour les applications à faible coût.

Les LED de communication sont le plus souvent fabriquées à partir de phosphure d'arséniure de gallium d'indium (InGaAsP) ou d' arséniure de gallium (GaAs). Étant donné que les LED InGaAsP fonctionnent à une longueur d'onde plus longue que les LED GaAs (1,3 micromètre contre 0,81 à 0,87 micromètre), leur spectre de sortie, bien qu'équivalent en énergie, est plus large en termes de longueur d'onde d'un facteur d'environ 1,7. La grande largeur de spectre des LED est sujette à une plus grande dispersion des fibres, ce qui limite considérablement leur produit débit-distance (une mesure courante de l'utilité). Les LED conviennent principalement aux applications de réseau local avec des débits binaires de 10 à 100 Mbit/s et des distances de transmission de quelques kilomètres. Des LED ont également été développées qui utilisent plusieurs puits quantiques pour émettre de la lumière à différentes longueurs d'onde sur un large spectre et sont actuellement utilisées pour les réseaux WDM (Wavelength-Division Multiplexing) locaux.

Aujourd'hui, les LED ont été largement remplacées par les dispositifs VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Laser), qui offrent une vitesse, une puissance et des propriétés spectrales améliorées, à un coût similaire. Les périphériques VCSEL courants se couplent bien à la fibre multimode.

Un laser à semi-conducteur émet de la lumière par émission stimulée plutôt que par émission spontanée, ce qui se traduit par une puissance de sortie élevée (~ 100 mW) ainsi que d'autres avantages liés à la nature de la lumière cohérente. La sortie d'un laser est relativement directionnelle, permettant une efficacité de couplage élevée (~50 %) dans une fibre monomode. La largeur spectrale étroite permet également des débits binaires élevés car elle réduit l'effet de la dispersion chromatique . De plus, les lasers à semi-conducteurs peuvent être modulés directement à des fréquences élevées en raison du temps de recombinaison court .

Les classes d'émetteurs laser à semi-conducteur les plus couramment utilisées dans la fibre optique comprennent le VCSEL (Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser), le Fabry-Pérot et le DFB (Distributed Feed Back).

Les diodes laser sont souvent modulées directement , c'est-à-dire que la sortie lumineuse est contrôlée par un courant appliqué directement à l'appareil. Pour des débits de données très élevés ou des liaisons à très longue distance , une source laser peut être exploitée en onde continue , et la lumière modulée par un dispositif externe, un modulateur optique , tel qu'un modulateur à électro-absorption ou un interféromètre de Mach-Zehnder . La modulation externe augmente la distance de liaison réalisable en éliminant le chirp laser , qui élargit la largeur de raie des lasers directement modulés, augmentant la dispersion chromatique dans la fibre. Pour une efficacité de bande passante très élevée, une modulation cohérente peut être utilisée pour faire varier la phase de la lumière en plus de l'amplitude, permettant l'utilisation de QPSK , QAM et OFDM .

Un émetteur - récepteur est un appareil combinant un émetteur et un récepteur dans un même boîtier (voir photo à droite).

La fibre optique a connu des avancées technologiques récentes. "La modulation par déplacement de phase en quadrature à double polarisation est un format de modulation qui envoie efficacement quatre fois plus d'informations que les transmissions optiques traditionnelles de la même vitesse."

Récepteurs

Le composant principal d'un récepteur optique est un photodétecteur qui convertit la lumière en électricité grâce à l' effet photoélectrique . Les photodétecteurs primaires pour les télécommunications sont fabriqués à partir d' arséniure de gallium et d'indium . Le photodétecteur est typiquement une photodiode à base de semi-conducteur . Plusieurs types de photodiodes comprennent les photodiodes pn, les photodiodes à broche et les photodiodes à avalanche. Les photodétecteurs métal-semi-conducteur-métal (MSM) sont également utilisés en raison de leur aptitude à l' intégration de circuits dans des régénérateurs et des multiplexeurs en longueur d'onde.

Les convertisseurs optique-électrique sont généralement couplés à un amplificateur à transimpédance et à un amplificateur limiteur pour produire un signal numérique dans le domaine électrique à partir du signal optique entrant, qui peut être atténué et déformé lors de son passage dans le canal. Un traitement supplémentaire du signal tel que la récupération d'horloge à partir des données (CDR) effectué par une boucle à verrouillage de phase peut également être appliqué avant que les données ne soient transmises.

Les récepteurs Coherent utilisent un oscillateur laser local en combinaison avec une paire de coupleurs hybrides et quatre photodétecteurs par polarisation, suivis de CAN haute vitesse et d'un traitement de signal numérique pour récupérer les données modulées avec QPSK, QAM ou OFDM.

Prédistorsion numérique

Un émetteur de système de communication optique se compose d'un convertisseur numérique-analogique (DAC), d'un amplificateur pilote et d'un modulateur Mach-Zehnder . Le déploiement de formats de modulation plus élevés (> 4 QAM ) ou de débits en bauds plus élevés (> 32 GBauds) diminue les performances du système en raison des effets d'émetteur linéaires et non linéaires. Ces effets peuvent être classés dans les distorsions linéaires du fait de la limitation de la bande passante du CAD et de l' émetteur I / Q d' inclinaison ainsi que des effets non linéaires causés par la saturation de gain dans l'amplificateur de commande et le modulateur Mach-Zehnder. La prédistorsion numérique neutralise les effets dégradants et permet des débits en bauds jusqu'à 56 GBauds et des formats de modulation tels que 64 QAM et 128 QAM avec les composants disponibles dans le commerce. Le processeur de signal numérique de l' émetteur effectue une prédistorsion numérique sur les signaux d'entrée en utilisant le modèle d'émetteur inverse avant de télécharger les échantillons vers le DAC.

Les anciennes méthodes de prédistorsion numérique ne traitaient que les effets linéaires. Des publications récentes ont également compensé les distorsions non linéaires. Berenguer et al modélise le modulateur Mach-Zehnder comme un système de Wiener indépendant et le DAC et l'amplificateur pilote sont modélisés par une série de Volterra tronquée et invariante dans le temps . Khanna et al ont utilisé un polynôme de mémoire pour modéliser conjointement les composants de l'émetteur. Dans les deux approches, la série de Volterra ou les coefficients polynomiaux de la mémoire sont trouvés en utilisant l'architecture à apprentissage indirect . Duthel et al enregistrent pour chaque branche du modulateur de Mach-Zehnder plusieurs signaux à différentes polarités et phases. Les signaux sont utilisés pour calculer le champ optique. La corrélation croisée des champs en phase et en quadrature identifie le décalage temporel . La réponse en fréquence et les effets non linéaires sont déterminés par l'architecture d'apprentissage indirect.

Types de câbles à fibres

Une remorque pour enrouleur de câble avec un conduit pouvant transporter de la fibre optique
Fibre optique multimode dans une fosse de service souterraine

Un câble à fibre optique se compose d'une âme, d'une gaine et d'un tampon (un revêtement extérieur protecteur), dans lequel la gaine guide la lumière le long de l'âme en utilisant la méthode de réflexion interne totale . Le noyau et la gaine (qui a un indice de réfraction inférieur ) sont généralement en verre de silice de haute qualité , bien qu'ils puissent également être en plastique. La connexion de deux fibres optiques se fait par épissage par fusion ou épissage mécanique et nécessite des compétences particulières et une technologie d'interconnexion en raison de la précision microscopique requise pour aligner les noyaux des fibres.

Les deux principaux types de fibres optiques utilisées dans les communications optiques comprennent les fibres optiques multimodes et les fibres optiques monomodes . Une fibre optique multimode a un cœur plus gros (≥ 50 micromètres ), permettant à des émetteurs et récepteurs moins précis et moins chers de s'y connecter ainsi que des connecteurs moins chers. Cependant, une fibre multimode introduit une distorsion multimode , qui limite souvent la bande passante et la longueur du lien. De plus, en raison de leur teneur plus élevée en dopants , les fibres multimodes sont généralement coûteuses et présentent une atténuation plus élevée. Le cœur d'une fibre monomode est plus petit (<10 micromètres) et nécessite des composants et des méthodes d'interconnexion plus coûteux, mais permet des liaisons beaucoup plus longues et plus performantes. La fibre monomode et multimode est proposée en différentes qualités.

Comparaison des grades de fibres
MMF FDDI
62,5/125 µm
(1987)
MMF OM1
62,5/125 µm
(1989)
MMF OM2
50/125 µm
(1998)
MMF OM3
50/125 um
(2003)
MMF OM4
50/125 µm
(2008)
MMF OM5
50/125 µm
(2016)
SMF OS1
9/125 µm
(1998)
SMF OS2
9/125 µm
(2000)
160 MHz·km
@ 850 nm
200 MHz·km
@ 850 nm
500 MHz·km
@ 850 nm
1500 MHz·km
@ 850 nm
3 500 MHz·km
@ 850 nm
3 500 MHz·km
@ 850 nm &
1850 MHz·km
@ 950 nm
1 dB/km
@
1300/1550 nm
0,4 dB/km
@
1300/1550 nm

Afin d'emballer la fibre dans un produit commercialement viable, elle est généralement recouverte d'un revêtement protecteur à l'aide de polymères d'acrylate photopolymérisables ultraviolets (UV) , puis terminée par des connecteurs de fibre optique et enfin assemblée en un câble. Après cela, il peut être posé dans le sol, puis traverser les murs d'un bâtiment et être déployé dans les airs d'une manière similaire aux câbles de cuivre. Ces fibres nécessitent moins d'entretien que les fils à paires torsadées ordinaires une fois qu'elles sont déployées.

Des câbles spécialisés sont utilisés pour la transmission de données sous-marines à longue distance, par exemple un câble de communication transatlantique . Les nouveaux câbles (2011-2013) exploités par des entreprises commerciales ( Emerald Atlantis , Hibernia Atlantic ) ont généralement quatre brins de fibre et traversent l'Atlantique (NYC-Londres) en 60-70 ms. Le coût de chacun de ces câbles était d'environ 300 millions de dollars en 2011. source : The Chronicle Herald .

Une autre pratique courante consiste à regrouper de nombreux brins de fibres optiques dans un câble de transmission d'énergie à longue distance . Cela exploite efficacement les droits de passage de transport d'électricité, garantit qu'une compagnie d'électricité peut posséder et contrôler la fibre nécessaire pour surveiller ses propres appareils et lignes, est efficacement à l'abri de la falsification et simplifie le déploiement de la technologie de réseau intelligent .

Amplification

La distance de transmission d'un système de communication à fibre optique a été traditionnellement limitée par l'atténuation de la fibre et par la distorsion de la fibre. En utilisant des répéteurs opto-électroniques, ces problèmes ont été éliminés. Ces répéteurs convertissent le signal en un signal électrique, puis utilisent un émetteur pour renvoyer le signal à une intensité plus élevée que celle reçue, compensant ainsi la perte subie dans le segment précédent. En raison de la grande complexité des signaux modernes multiplexés par répartition en longueur d'onde, notamment du fait qu'ils devaient être installés environ une fois tous les 20 km (12 mi), le coût de ces répéteurs est très élevé.

Une approche alternative consiste à utiliser des amplificateurs optiques qui amplifient directement le signal optique sans avoir à convertir le signal dans le domaine électrique. Un type courant d'amplificateur optique est appelé amplificateur à fibre dopée à l'erbium, ou EDFA. Ceux-ci sont fabriqués en dopant une longueur de fibre avec le minéral de terre rare erbium et en la pompant avec la lumière d'un laser avec une longueur d'onde plus courte que le signal de communication (typiquement 980  nm ). Les EDFA fournissent un gain dans la bande ITU C à 1550 nm, ce qui est proche du minimum de perte pour la fibre optique.

Les amplificateurs optiques présentent plusieurs avantages significatifs par rapport aux répéteurs électriques. Premièrement, un amplificateur optique peut amplifier une très large bande à la fois qui peut inclure des centaines de canaux individuels, éliminant ainsi le besoin de démultiplexer les signaux DWDM sur chaque amplificateur. Deuxièmement, les amplificateurs optiques fonctionnent indépendamment du débit de données et du format de modulation, permettant à plusieurs débits de données et formats de modulation de coexister et de mettre à niveau le débit de données d'un système sans avoir à remplacer tous les répéteurs. Troisièmement, les amplificateurs optiques sont beaucoup plus simples qu'un répéteur avec les mêmes capacités et sont donc nettement plus fiables. Les amplificateurs optiques ont largement remplacé les répéteurs dans les nouvelles installations, bien que les répéteurs électroniques soient encore largement utilisés comme répéteurs pour la conversion de longueur d'onde.

Multiplexage en longueur d'onde

Le multiplexage par répartition en longueur d'onde (WDM) est la technique de transmission de plusieurs canaux d'information via une seule fibre optique en envoyant plusieurs faisceaux lumineux de différentes longueurs d'onde à travers la fibre, chacun modulé avec un canal d'information distinct. Cela permet de multiplier la capacité disponible des fibres optiques. Cela nécessite un multiplexeur en longueur d'onde dans l'équipement émetteur et un démultiplexeur (essentiellement un spectromètre ) dans l'équipement récepteur. Les réseaux de guides d'ondes en réseau sont couramment utilisés pour le multiplexage et le démultiplexage dans le WDM. Grâce à la technologie WDM désormais disponible dans le commerce, la bande passante d'une fibre peut être divisée en 160 canaux pour prendre en charge un débit binaire combiné de l'ordre de 1,6 Tbit/s .

Paramètres

Produit bande passante-distance

Étant donné que l'effet de la dispersion augmente avec la longueur de la fibre, un système de transmission à fibre est souvent caractérisé par son produit largeur de bande-distance , généralement exprimé en unités de MHz ·km. Cette valeur est un produit de la bande passante et de la distance car il existe un compromis entre la bande passante du signal et la distance sur laquelle il peut être transporté. Par exemple, une fibre multimode commune avec un produit bande passante-distance de 500 MHz·km pourrait transporter un signal de 500 MHz sur 1 km ou un signal de 1 000 MHz sur 0,5 km.

Vitesses record

Chaque fibre peut transporter de nombreux canaux indépendants, chacun utilisant une longueur d'onde de lumière différente ( multiplexage en longueur d'onde ). Le débit de données net (débit de données sans octets de surcharge) par fibre est le débit de données par canal réduit par la surcharge de correction d'erreur directe (FEC), multiplié par le nombre de canaux (généralement jusqu'à quatre-vingts dans les systèmes WDM denses commerciaux à partir de 2008 ).

Câbles fibre standard

Ce qui suit résume les recherches de pointe actuelles utilisant des câbles à fibres optiques monomodes à noyau solide standard de qualité télécoms.

Année Organisation Vitesse effective Canaux WDM Vitesse par canal Distance
2009 Alcatel Lucent 15,5 Tbit/s 155 100 Gbit/s 7000 km
2010 NTT 69,1 Tbit/s 432 171 Gbit/s 240 km
2011 NCA 101,7 Tbit/s 370 273 Gbit/s 165 km
2011 TROUSSE 26 Tbit/s 336 77 Gbit/s 50 km
2016 BT et Huawei 5,6 Tbit/s
28 200 Gbit/s environ 140 km ?
2016 Nokia Bell Labs , Deutsche Telekom et Université technique de Munich 1 Tbit/s
1 1 Tbit/s
2016 Nokia-Alcatel-Lucent 65 Tbit/s
6600 km
2017 BT et Huawei 11,2 Tbit/s
28 400 Gbit/s 250 km
2020 Universités RMIT, Monash et Swinburne 39,0 Tbit/s 160 244 Gbit/s 76,6 km
2020 UCL 178,08 Tbit/s 660 25 Gbit/s 40 km

Le résultat 2016 Nokia/DT/TUM est remarquable car il s'agit du premier résultat qui se rapproche de la limite théorique de Shannon .

Les résultats du KIT 2011 et du RMIT/Monash/Swinburne 2020 sont remarquables pour avoir utilisé une seule source pour piloter tous les canaux.

Câbles spécialisés

Ce qui suit résume la recherche de pointe actuelle utilisant des câbles spécialisés qui permettent le multiplexage spatial, utilisez des câbles à fibres trimodes spécialisés ou des câbles à fibres optiques spécialisés similaires.

Année Organisation Vitesse effective Nombre de modes de propagation Nombre de noyaux Canaux WDM (par cœur) Vitesse par canal Distance
2011 NTIC 109,2 Tbit/s 7
2012 NCA , Corning 1,05 Pbit/s 12 52,4 km
2013 Université de Southampton 73,7 Tbit/s 1 (creux) 3x96
(mode DM)
256 Gbit/s 310 mètres
2014 Université technique du Danemark 43 Tbit/s 7 1045 km
2014 Université de technologie d'Eindhoven (TU/e) et Université de Floride centrale (CREOL) 255 Tbit/s 7 50 ~728 Gbit/s 1 km
2015 NTIC , Sumitomo Electric et RAM Photonics 2,15 Pbit/s 22 402 (bandes C+L) 243 Gbit/s 31 km
2017 NTT 1 Pbit/s monomode 32 46 680 Gbit/s 205,6 km
2017 Recherche KDDI et Sumitomo Electric 10,16 Pbit/s 6 modes 19 739 (bandes C+L) 120 Gbit/s 11,3 km
2018 NTIC 159 Tbit/s tri-mode 1 348 414 Gbit/s 1045 km
2021 NTIC 319 Tbit/s monomode 4 552 (bandes S, C et L) 144,5 Gbit/s 3001 km (69,8 km)

Le résultat NTIC 2018 est remarquable pour battre le record de débit avec un câble monoconducteur, c'est-à-dire sans multiplexage spatial .

De nouvelles techniques

Les recherches de DTU, Fujikura & NTT sont remarquables en ce que l'équipe a pu réduire la consommation d'énergie de l'optique à environ 5% par rapport aux techniques plus traditionnelles, ce qui pourrait conduire à une nouvelle génération de composants optiques très économes en énergie.

Année Organisation Vitesse effective Nombre de modes de propagation Nombre de noyaux Canaux WDM (par cœur) Vitesse par canal Distance
2018 Hao Hu, et al. (DTU, Fujikura & NTT) 768 Tbit/s
(661 Tbit/s)
Monomode 30 80 320 Gbit/s

Des recherches menées par l'Université RMIT de Melbourne, en Australie, ont mis au point un dispositif nanophotonique qui a multiplié par 100 les vitesses de fibre optique actuelles atteignables en utilisant une technique de lumière torsadée. Cette technique transporte des données sur les ondes lumineuses qui ont été tordues en une forme en spirale, pour augmenter encore la capacité du câble optique, cette technique est connue sous le nom de moment angulaire orbital (OAM). Le dispositif nanophotonique utilise des nanofeuilles topologiques ultra minces pour mesurer une fraction de millimètre de lumière torsadée, le dispositif nano-électronique est intégré dans un connecteur plus petit que la taille d'un connecteur USB, il s'insère facilement à l'extrémité d'un câble à fibre optique. L'appareil peut également être utilisé pour recevoir des informations quantiques envoyées via une lumière torsadée, il est susceptible d'être utilisé dans une nouvelle gamme de recherche en communication quantique et en informatique quantique.

Dispersion

Pour la fibre optique en verre moderne, la distance de transmission maximale n'est pas limitée par l'absorption directe du matériau mais par plusieurs types de dispersion ou d'étalement des impulsions optiques lorsqu'elles se déplacent le long de la fibre. La dispersion dans les fibres optiques est causée par divers facteurs. La dispersion intermodale , causée par les différentes vitesses axiales des différents modes transversaux, limite les performances de la fibre multimode . Étant donné que la fibre monomode ne prend en charge qu'un seul mode transversal, la dispersion intermodale est éliminée.

Dans la fibre monomode, les performances sont principalement limitées par la dispersion chromatique (également appelée dispersion de vitesse de groupe ), qui se produit parce que l'indice du verre varie légèrement en fonction de la longueur d'onde de la lumière, et la lumière des émetteurs optiques réels a nécessairement une largeur spectrale non nulle ( en raison de la modulation). La dispersion de mode de polarisation , une autre source de limitation, se produit car bien que la fibre monomode ne puisse supporter qu'un seul mode transverse, elle peut transporter ce mode avec deux polarisations différentes, et de légères imperfections ou distorsions dans une fibre peuvent altérer les vitesses de propagation pour les deux. polarisations. Ce phénomène est appelé biréfringence de la fibre et peut être contrecarré par une fibre optique à maintien de polarisation . La dispersion limite la bande passante de la fibre car l'impulsion optique d'étalement limite la vitesse à laquelle les impulsions peuvent se succéder sur la fibre et être toujours distinguables au niveau du récepteur.

Une certaine dispersion, notamment la dispersion chromatique, peut être éliminée par un « compensateur de dispersion ». Cela fonctionne en utilisant une longueur de fibre spécialement préparée qui a la dispersion opposée à celle induite par la fibre de transmission, et cela affine l'impulsion afin qu'elle puisse être correctement décodée par l'électronique.

Atténuation

Atténuation de la fibre , ce qui nécessite l'utilisation de systèmes d'amplification, est causé par une combinaison d' absorption matière , la diffusion de Rayleigh , la diffusion de Mie , et les pertes de connexion. Bien que l'absorption matérielle pour la silice pure ne soit que d'environ 0,03 dB/km (la fibre moderne a une atténuation d'environ 0,3 dB/km), les impuretés dans les fibres optiques d'origine ont provoqué une atténuation d'environ 1000 dB/km. D'autres formes d'atténuation sont causées par des contraintes physiques sur la fibre, des fluctuations microscopiques de densité et des techniques d'épissage imparfaites.

Fenêtres de transmission

Chaque effet qui contribue à l'atténuation et à la dispersion dépend de la longueur d'onde optique. Il existe des bandes de longueurs d'onde (ou fenêtres) où ces effets sont les plus faibles, et ce sont les plus favorables à la transmission. Ces fenêtres ont été standardisées et les bandes actuellement définies sont les suivantes :

Bande La description Gamme de longueurs d'onde
bande original 1260 à 1360 nm
Bande E élargi 1360 à 1460 nm
bande S courtes longueurs d'onde 1460 à 1530 nm
bande C conventionnel ("fenêtre erbium") 1530 à 1565 nm
bande L longues longueurs d'onde 1565 à 1625 nm
U bande longueurs d'onde ultra-longues 1625 à 1675 nm

Notez que ce tableau montre que la technologie actuelle a réussi à combler les deuxième et troisième fenêtres qui étaient à l'origine disjointes.

Historiquement, il y avait une fenêtre utilisée en dessous de la bande O, appelée la première fenêtre, à 800-900 nm ; cependant, les pertes sont élevées dans cette région, de sorte que cette fenêtre est principalement utilisée pour les communications à courte distance. Les fenêtres inférieures actuelles (O et E) autour de 1300 nm ont des pertes beaucoup plus faibles. Cette région a une dispersion nulle. Les fenêtres du milieu (S et C) autour de 1500 nm sont les plus utilisées. Cette région a les pertes d'atténuation les plus faibles et atteint la plus longue portée. Il y a une certaine dispersion, donc des dispositifs de compensation de dispersion sont utilisés pour supprimer cela.

Régénération

Lorsqu'une liaison de communication doit couvrir une plus grande distance que ne le permet la technologie à fibre optique existante, le signal doit être régénéré à des points intermédiaires de la liaison par des répéteurs de communication optique . Les répéteurs ajoutent un coût substantiel à un système de communication, et les concepteurs de système tentent donc de minimiser leur utilisation.

Les progrès récents de la technologie des communications par fibre et optique ont réduit la dégradation du signal à un point tel que la régénération du signal optique n'est nécessaire que sur des distances de plusieurs centaines de kilomètres. Cela a considérablement réduit le coût des réseaux optiques, en particulier au-dessus des étendues sous-marines où le coût et la fiabilité des répéteurs sont l'un des facteurs clés déterminant les performances de l'ensemble du système de câble. Les principales avancées contribuant à ces améliorations de performances sont la gestion de la dispersion, qui cherche à équilibrer les effets de la dispersion contre la non-linéarité ; et les solitons , qui utilisent des effets non linéaires dans la fibre pour permettre une propagation sans dispersion sur de longues distances.

Dernier kilomètre

Bien que les systèmes à fibre optique excellent dans les applications à large bande passante, la fibre optique a mis du temps à atteindre son objectif de fibre jusqu'aux locaux ou à résoudre le problème du dernier kilomètre . Cependant, le déploiement FTTH a considérablement augmenté au cours de la dernière décennie et devrait desservir des millions d'abonnés supplémentaires dans un proche avenir. Au Japon, par exemple, EPON a largement remplacé le DSL comme source Internet haut débit. La société sud-coréenne KT fournit également un service appelé FTTH (Fiber To The Home), qui fournit des connexions par fibre optique au domicile de l'abonné. Les plus grands déploiements FTTH se situent au Japon, en Corée du Sud et en Chine. Singapour a commencé la mise en œuvre de son réseau à large bande national de nouvelle génération entièrement en fibre (Next Gen NBN), qui devrait être achevé en 2012 et est en cours d'installation par OpenNet. Depuis qu'ils ont commencé à déployer leurs services en septembre 2010, la couverture du réseau à Singapour a atteint 85 % à l'échelle nationale.

Aux États-Unis, Verizon Communications fournit un service FTTH appelé FiOS pour sélectionner des marchés à ARPU (revenu moyen par utilisateur) élevé sur son territoire existant. L'autre ILEC (ou opérateur de services locaux titulaire), AT&T, qui a survécu, utilise un service FTTN (Fiber To The Node) appelé U-verse avec paire torsadée jusqu'au domicile. Leurs concurrents MSO utilisent le FTTN avec un câble coaxial utilisant le HFC . Tous les principaux réseaux d'accès utilisent la fibre pour la majeure partie de la distance entre le réseau du fournisseur de services et le client.

La technologie de réseau d'accès dominante à l'échelle mondiale est EPON (Ethernet Passive Optical Network). En Europe, et parmi les opérateurs de télécommunications aux États-Unis, BPON (ATM-based Broadband PON) et GPON (Gigabit PON) ont leurs racines dans les organisations de normalisation FSAN (Full Service Access Network) et ITU-T sous leur contrôle.

Comparaison avec la transmission électrique

Un laboratoire d' épissure de fibre optique mobile utilisé pour accéder et épisser des câbles souterrains
Une enceinte d'épissure de fibre optique souterraine s'est ouverte

Le choix entre la fibre optique et la transmission électrique (ou cuivre ) pour un système particulier est fait sur la base d'un certain nombre de compromis. La fibre optique est généralement choisie pour les systèmes nécessitant une bande passante plus élevée ou couvrant de plus longues distances que le câblage électrique ne peut en supporter.

Les principaux avantages de la fibre sont ses pertes exceptionnellement faibles (permettant de longues distances entre les amplificateurs/répéteurs), son absence de courants de terre et d'autres problèmes de signal et de puissance parasites communs aux longs trajets de conducteurs électriques parallèles (en raison de sa dépendance à la lumière plutôt qu'à l'électricité pour transmission et la nature diélectrique de la fibre optique) et sa capacité intrinsèquement élevée de transport de données. Des milliers de liaisons électriques seraient nécessaires pour remplacer un seul câble fibre à large bande passante. Un autre avantage des fibres est que même lorsqu'ils sont placés côte à côte sur de longues distances, les câbles à fibres ne subissent effectivement aucune diaphonie , contrairement à certains types de lignes de transmission électrique . La fibre peut être installée dans des zones à fortes interférences électromagnétiques (EMI), telles que le long des lignes de services publics, des lignes électriques et des voies ferrées. Les câbles entièrement diélectriques non métalliques sont également idéaux pour les zones à forte incidence de foudre.

À titre de comparaison, alors que les systèmes en cuivre de qualité vocale à ligne unique de plus de quelques kilomètres nécessitent des répéteurs de signal en ligne pour des performances satisfaisantes, il n'est pas rare que les systèmes optiques dépassent 100 kilomètres (62 mi), sans traitement passif. Les câbles à fibre monomode sont généralement disponibles en longueurs de 12 km (7,5 mi), minimisant le nombre d'épissures nécessaires sur une longue longueur de câble. La fibre multimode est disponible dans des longueurs allant jusqu'à 4 km, bien que les normes industrielles n'exigent que des parcours ininterrompus de 2 km.

Dans les applications à courte distance et à bande passante relativement faible, la transmission électrique est souvent préférée en raison de sa

  • Coût des matériaux inférieur, où de grandes quantités ne sont pas nécessaires
  • Réduction du coût des émetteurs et des récepteurs
  • Capacité de transporter de l'énergie électrique ainsi que des signaux (dans des câbles conçus de manière appropriée)
  • Facilité d'utilisation des transducteurs en mode linéaire .

Les fibres optiques sont plus difficiles et coûteuses à épisser que les conducteurs électriques. Et à des puissances plus élevées, les fibres optiques sont susceptibles de fusionner , ce qui entraîne une destruction catastrophique du noyau de la fibre et des dommages aux composants de transmission.

En raison de ces avantages de la transmission électrique, la communication optique n'est pas courante dans les applications courtes de boîtier à boîtier, de fond de panier ou de puce à puce ; cependant, des systèmes optiques à ces échelles ont été démontrés en laboratoire.

Dans certaines situations, la fibre peut être utilisée même pour des applications à courte distance ou à faible bande passante, en raison d'autres caractéristiques importantes :

  • Immunité aux interférences électromagnétiques, y compris les impulsions électromagnétiques nucléaires .
  • Haute résistance électrique , ce qui permet une utilisation sûre à proximité d'équipements à haute tension ou entre des zones avec des potentiels de terre différents .
  • Poids plus léger—important, par exemple, dans les avions.
  • Pas d'étincelles—important dans les environnements de gaz inflammables ou explosifs.
  • Pas de rayonnement électromagnétique et difficile à capter sans perturber le signal, ce qui est important dans les environnements de haute sécurité.
  • Taille de câble beaucoup plus petite - importante lorsque le chemin est limité, comme la mise en réseau d'un bâtiment existant, où des canaux plus petits peuvent être percés et de l'espace peut être économisé dans les conduits et les chemins de câbles existants.
  • Résistance à la corrosion due au support de transmission non métallique

Les câbles à fibres optiques peuvent être installés dans des bâtiments avec le même équipement que celui utilisé pour installer les câbles en cuivre et coaxiaux, avec quelques modifications en raison de la petite taille et de la tension de traction et du rayon de courbure limités des câbles optiques. Les câbles optiques peuvent généralement être installés dans des systèmes de conduits sur des portées de 6 000 mètres ou plus en fonction de l'état du conduit, de la disposition du système de conduits et de la technique d'installation. Des câbles plus longs peuvent être enroulés à un point intermédiaire et tirés plus loin dans le système de conduits si nécessaire.

Normes applicables

Afin que divers fabricants puissent développer des composants qui fonctionnent de manière compatible dans les systèmes de communication à fibre optique, un certain nombre de normes ont été développées. L' Union internationale des télécommunications publie plusieurs normes relatives aux caractéristiques et aux performances des fibres elles-mêmes, notamment

  • UIT-T G.651, "Caractéristiques d'un câble à fibre optique multimode à gradient d'indice 50/125 m"
  • UIT-T G.652 , "Caractéristiques d'un câble à fibre optique monomode"

D'autres normes spécifient des critères de performance pour la fibre, les émetteurs et les récepteurs à utiliser ensemble dans des systèmes conformes. Certaines de ces normes sont :

TOSLINK est le format le plus courant pour les câbles audio numériques utilisant des fibres optiques en plastique pour connecter des sources numériques aux récepteurs numériques .

Voir également

Les références

Lectures complémentaires

  • Keiser, Gerd. (2011). Communications par fibre optique , 4e éd. New York, NY : McGraw-Hill, ISBN  9780073380711
  • Sénior, Jean. (2008). Communications par fibre optique : principes et pratiques , 3e éd. Prentice Hall. ISBN  978-0130326812

Liens externes