Solitons dans les fibres optiques

Le soliton est une impulsion qui possède la propriété remarquable de pouvoir se propager sans altération sur des distances extrêmement grandes (théoriquement infinies) grâce à la compensation mutuelle des effets linéaires et non linéaires. Les solitons ont été observés dès le XIX ^e siècle dans le domaine de la mécanique des fluides, sous la forme de vagues avançant sans se déformer sur des cours d'eau et des physiciens en ont fait la modélisation.

Ce concept a pu être appliqué aux télécommunications optiques dans les années 1990 grâce aux faibles pertes atteintes par les fibres optiques monomodes et à l'arrivée des amplificateurs optiques permettant de les compenser : le maintien de l'impulsion au cours de sa propagation dans la fibre est alors assuré par compensation mutuelle de la dispersion chromatique (linéaire) et de l'effet Kerr (non linéaire) : chacun de ces effets pris séparément déforme le signal, mais leur combinaison lui permet de maintenir sa forme initiale. Par ailleurs, compte tenu du fait que le concept même de soliton suppose que l'on est en régime non linéaire, il est possible de travailler à forte puissance, ce qui est interdit en régime non solitonique où les non-linéarités constituent un effet négatif qui dégrade le signal. Qui plus est, contrairement à ce qui se passe usuellement en transmission, le soliton présente des caractéristiques étranges, comme par exemple la possibilité de séparer un signal et un bruit occupant la même bande de fréquences. L'idée est naturellement venue d'exploiter ces propriétés pour transmettre des signaux sur des distances extrêmement grandes, au-delà des limites permises à cette époque par les techniques « conventionnelles » ; une application potentielle intéressante était la transmission sous-marine, pour laquelle les distances atteignent plusieurs milliers de kilomètres (10 000 km pour un lien transpacifique).

Des propagations sur des distances quasi infinies (des millions de kilomètres), bien au-delà de ce qu'exigent les réseaux de télécommunications, ont effectivement été obtenues en laboratoire, sur des boucles à recirculation.

Plusieurs phénomènes limitent toutefois l'utilisation de cette technique. La propriété de conservation de la forme du soliton au cours de la propagation n'est théoriquement vérifiée que s'il est seul sur la fibre et, dès que plusieurs solitons se propagent sur la même fibre, ils interagissent entre eux. Cette interaction peut toutefois être maîtrisée dans certaines limites. Par ailleurs, le bruit des amplificateurs optiques introduit une gigue et ces facteurs limitent le débit de la transmission.

Avec les progrès des techniques de transmission « conventionnelles » et l'apparition notamment des systèmes cohérents possédant une énorme puissance de compensation des défauts de transmission, grâce à l'électronique, les perspectives d'application des solitons aux systèmes de télécommunications se sont évanouies.

Cet article explique les bases de la théorie des solitons optiques, présente ce qu'était l'état de l'art à la fin des années 1990 et les résultats qui ont été obtenus à l'époque.