Présentation

Article

1 - CONCEPT

2 - EFFETS PHYSIQUES FONDAMENTAUX ET SOLITONS OPTIQUES

  • 2.1 - Dispersion chromatique
  • 2.2 - Effet Kerr. Équation de Schrödinger non linéaire et solitons

3 - SOLUTIONS POUR DES TRANSMISSIONS SUR DES DISTANCES INFINIES

  • 3.1 - Robustesse des solitons
  • 3.2 - Onde dispersive
  • 3.3 - Interaction et collision de solitons
  • 3.4 - Amplificateur à fibre
  • 3.5 - Soliton moyen
  • 3.6 - Bruit et limites des systèmes
  • 3.7 - Techniques de contrôle
  • 3.8 - Propagation infinie et maîtrise totale du bruit

4 - NOUVEAUX DÉFIS

  • 4.1 - Nouveau type de soliton
  • 4.2 - Influence du bruit
  • 4.3 - Application à un système de transmission terrestre
  • 4.4 - Influence de la dispersion chromatique résiduelle et multiplexage en longueur d'onde
  • 4.5 - Collision de solitons
  • 4.6 - Vers la transmission de 1 Tbit/s sur des distances transocéaniques

5 - CONCLUSION

Article de référence | Réf : E1985 v2

Effets physiques fondamentaux et solitons optiques
Solitons dans les fibres optiques

Auteur(s) : Thierry GEORGES, Michel JOINDOT, Irène JOINDOT

Date de publication : 10 janv. 2015

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RÉSUMÉ

Le soliton est apparu dans les années 1990 comme une technique extrêmement prometteuse pour transmettre sur des fibres optiques des débits très élevés sur de très grandes distances: un effort de recherche très important a été fait sur le sujet par les grands acteurs de la recherche en télécommunications, des records de distance et de capacité ont été atteints, mais les applications attendues ne se sont pas concrétisées dans les réseaux. Cet article explique la physique du phénomène, les propriétés de la transmission de solitons, et présente les résultats qui ont été obtenus et restent scientifiquement tout à fait intéressants.

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ABSTRACT

The soliton appeared in the 1990s as a very promising technique for high capacity, long haul transmission in optical fibres: a very significant research effort has been made by the major telecommunication laboratories worldwide. Capacity and distance records have been set, yet the expected applications have never appeared, and soliton systems have not been deployed in telecommunication networks. This article explains the physical background to soliton mechanisms, their transmission properties, and the results achieved, which remain of great scientific interest and value.

Auteur(s)

INTRODUCTION

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.

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VERSIONS

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DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v2-e1985


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2. Effets physiques fondamentaux et solitons optiques

La propagation d'ondes lumineuses dans des milieux transparents (à faible perte) est régie par des phénomènes linéaires, telles la dispersion chromatique ou les pertes de la fibre, et non linéaires, tel l'effet Kerr. Ces deux effets sont liés à la variation de la vitesse de la lumière dans le milieu, en fonction de la longueur d'onde (effet linéaire) et de l'intensité lumineuse (effet non linéaire).

Le rapport de la vitesse c de la lumière dans le vide à sa vitesse dans le milieu est appelé indice de réfraction du milieu. Cet indice, comme son nom l'indique, régit la réfraction d'une onde lumineuse au passage d'un milieu à un autre. C'est la loi de Snell (loi de Descartes pour les Français) qui est appliquée. L'angle par rapport à la normale du faisceau lumineux dans le nouveau milieu dépend du rapport des indices de réfraction des deux milieux à la longueur d'onde λ du faisceau lumineux. Si les indices varient en fonction de la longueur d'onde (dispersion chromatique), les différentes couleurs d'un faisceau lumineux sont séparées. C'est ce qui se passe dans un prisme (de verre), par exemple, ou dans une gouttelette d'eau de l'atmosphère pour former un arc-en-ciel.

2.1 Dispersion chromatique

Le verre (ou la silice amorphe) est un milieu dispersif. Rappelons-nous que l'indice de réfraction est lié à la vitesse de la lumière. Aux longueurs d'ondes visibles, le rouge va plus vite que le bleu.

Si une impulsion de lumière blanche est injectée à l'entrée d'une fibre de silice, les longueurs d'onde rouges émergent de la fibre les premières suivies de l'orange, du jaune, du vert et du bleu et la durée de l'impulsion en sortie est plus longue qu'en entrée. C'est ce que l'on appelle la dispersion de vitesse de groupe normale ou positive. Les grandes longueurs d'onde se propagent plus rapidement que les longueurs d'onde plus courtes. Dans l'infrarouge, autour de 1,3 μm, le signe de la dispersion de vitesse de groupe change (figure 1). C'est le domaine de dispersion anormale ou négative (les dénominations « normale » et « anormale » proviennent du fait que si l'on regarde l'indice de réfraction d'un milieu sur une très large fenêtre spectrale, la dispersion est normale sauf en de très petites zones).

Toute impulsion de durée finie a une étendue spectrale non nulle (seul un signal sinusoïdal de durée infinie peut être strictement monochromatique)....

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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - RUSSELL (J.S.) -   Report on waves.  -  Report of the fourteenth meeting of the British Association for the Advancement of Science, York, London 1845, Plates XLVII-LVII, p. 311-390, sept. 1844.

  • (2) - GARDNER, GREENE (J.M.), KRUSKAL (M.D.), MIURA (R.M.) -   *  -  Phys. Rev. Lett., 19, p. 1095-1097 (1967).

  • (3) - HASEGAWA (A.), TAPPERT (F.) -   Transmission of stationary nonlinear optical pulses in dispersive dielectric fibers. I. Anomalous dispersion.  -  Appl. Phys. Lett., 23, p. 142-144 (1973).

  • (4) - ZAKHAROV (V.E.), SHABAT (A.B.) -   Exact theory of two-dimensional self-focusing and one-dimensional self-modulation of waves in nonlinear fibers.  -  Sov. Phys. JETP, 34, p. 62-69 (1972).

  • (5) - MITSCHKE (F.M.), MOLLENAUER (L.F.) -   Experimental observation of interaction forces between solitons in optical fibres.  -  Opt. Lett., 12, p. 355 (1987).

  • ...

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