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Article

1 - ÉLÉMENTS CONSTITUTIFS DES SYSTÈMES DE TRANSMISSION OPTIQUES

2 - TECHNIQUES DE MULTIPLEXAGE

3 - TECHNIQUES D'AMPLIFICATION

4 - TECHNIQUES DE DÉTECTION

5 - ÉVALUATION DE LA QUALITÉ D'UN COMPOSANT OU DU SYSTÈME OPTIQUE COMPLET

6 - CODES CORRECTEURS D'ERREURS

7 - LOI DE CUMUL DU BRUIT DANS UNE CHAÎNE DE TRONÇONS AMPLIFIÉS

8 - CONCLUSION, PERSPECTIVES

Article de référence | Réf : E7079 v1

Éléments constitutifs des systèmes de transmission optiques
Communications optiques haut débit - Introduction et caractérisation

Auteur(s) : Sébastien BIGO

Relu et validé le 16 juin 2017

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RÉSUMÉ

Les opérateurs de téléphonie fixe, mobile et internet utilisent tous la lumière comme véhicule de l'information et ont donc recours aux systèmes de communications à fibre optique. Cet articles dissèquent ces systèmes, en se focalisant plus particulièrement sur les terminaux d'émission/réception et sur les amplificateurs optiques. Les techniques de multiplexage sont recensées et les types de détection décrits. Pour terminer, les outils d'évaluation des composants et du système sont passés en revue.

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ABSTRACT

Optical communications: introduction and performance assessment

Operators of fixed telephone, mobile telephone, and internet all use light to carry information in the core of their networks, through fiber optic. In this first article of a series of two, we define the basic notions, setting the grounds for the introduction of the major challenges in the field. We anatomize transmission systems, focusing primarily on transmitter/receiver equipment and on optical amplifiers. We list the various techniques for multiplexing, and review the different types of detection schemes. Then, we review the performance assessment methods, for characterizing stand-alone components or the full system.

Auteur(s)

  • Sébastien BIGO : Directeur du département des Réseaux optiques Bell Labs, Alcatel-Lucent, Nozay, France

INTRODUCTION

Plusieurs dizaines d'années avant son raccord direct aux abonnés, la fibre optique s'est installée dans l'ombre d'internet au point d'en devenir son plus solide pilier. Mais autour de cette fibre doivent être bâtis des systèmes optiques de télécommunications à l'architecture souvent complexe, qui forment les artères qui relient les grandes villes d'un même pays ou d'un même continent entre elles, de quelques dizaines à quelques milliers de kilomètres. Les signaux optiques qui s'y propagent doivent y être régénérés régulièrement, dans des sites de régénération et peuvent être aiguillés vers leur destination dans des sites de routage optique.

Cette thématique est traitée dans deux dossiers complémentaires : le présent article [E 7 079] et le suivant [E 7 081] « Conception et validation ». Nous définissons d'abord le vocabulaire qui permettra aux lecteurs qui la découvrent d'en acquérir les notions les plus fondamentales. Nous décomposons les systèmes de transmission en leurs constituants principaux.

Nous passons en revue les diverses manières de multiplexer plusieurs signaux, en exploitant le temps, la longueur d'onde, la polarisation ou le mode spatial de propagation. Puis, nous rappelons les principes de fonctionnement et les caractéristiques des amplificateurs optiques, qu'ils soient à base d'émission stimulée dans une fibre dopée erbium ou d'émission stimulée par effet Raman, voire des deux simultanément.

Nous recensons ensuite les techniques de détection, en détaillant plus particulièrement celle qui a révolutionné le domaine des télécommunications optiques depuis la fin de la décennie 2010, à savoir la détection cohérente. Nous consacrons la partie finale de l'article aux critères d'évaluation de la performance en discutant des domaines d'applications, des avantages et des limites de chacun d'entre eux. Certains critères sont plus adaptés à la caractérisation des composants pris isolément, d'autres à la caractérisation du système complet.

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KEYWORDS

optical fiber   |   optical amplification   |   multiplexing   |   optical transmission   |   optical detection

DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-e7079


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1. Éléments constitutifs des systèmes de transmission optiques

Entourée d'une gaine de protection, on pourrait prendre la fibre optique pour du fil électrique. Pourtant, il s'agit bien d'un mince cheveu de verre d'à peine plus d'un dixième de millimètre de diamètre extérieur. Plus précisément, une fibre est formée de deux couches de verre concentriques appelées gaine et cœur. Ces deux couches sont composées essentiellement de silice, mais diffèrent légèrement par la quantité d‘additifs chimiques qu'elles ont reçue lors de la fabrication. Ces additifs altèrent les propriétés optiques des deux verres, de telle sorte que l'indice de réfraction du cœur est plus grand que celui de la gaine. Toute lumière injectée dans un tel couple cœur/gaine reste piégée dans le cœur, et devient guidée. Si le cœur est suffisamment petit, la lumière ne peut suivre qu'un seul trajet lumineux (mode). La fibre sera dite monomode, par opposition aux fibres multimodes, à cœur plus large. Dans cet article, il sera question exclusivement des fibres monomodes, les seules à être utilisées dans les réseaux de télécommunications à ce jour sur de longues distances (> 10 km). Depuis le début de la décennie 2010, les fibres multimodes suscitent un intérêt grandissant de la part des chercheurs, mais la mise au point de systèmes multimodes pour les applications envisagées ici est encore riche de nombreux défis, donc les débouchés ne devraient pas voir le jour avant une décennie.

Ce qui fait de la fibre optique un milieu privilégié pour transmettre de l'information sur de très longues distances, c'est avant tout sa transparence. Parmi les matériaux proposés comme milieu de propagation, la fibre optique a un coefficient d'atténuation linéique γ sans égal, avec quelques pour-cent (3 à 4 % au mieux) de l'énergie perdue après une distance de 1 km. L'atténuation a plusieurs origines. Elle provient essentiellement de la diffusion Rayleigh et de l'absorption due aux ions OH, que certains fabricants arrivent à maîtriser, mais aussi du matériau lui-même, en particulier lorsqu'il a été contaminé par des atomes métalliques (Fe, Cu). D'autres pertes d'énergie sont liées à la courbure, aux soudures, ou à des fluctuations de diamètre. Il est d'usage d'exprimer le coefficient d'atténuation linéique γ en décibels par kilomètre (dB/km). En effet, dans le domaine des télécommunications, on a coutume d'exprimer...

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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - SCHUH (K.), LACH (E.) -   High-bit-rate ETDM transmission systems.  -  Optical Fiber Telecommunications VB, chap. 5, édité par KAMINOV (I.P.), LI (T.), WILLNER (A.E.), Academic Press, Elsevier (2008).

  • (2) - DESURVIRE (E.), BAYART (D.), DESTHIEUX (B.), BIGO (S.) -   Erbium-doped fiber amplifiers, device and system developments.  -  Wiley (2002).

  • (3) - PROAKIS (J.G.), SALEHI (M.) -   Digital Communications  -  , 5th Edition, McGraw-Hill (2008).

  • (4) - DESURVIRE (E.) -   Erbium-doped fiber amplifiers, principles and applications.  -  Wiley (1994).

  • (5) - BECKER (P.C.), OLSSON (N.A.)., SIMPSON (J.R.) -   Erbium-doped fiber amplifiers, fundamentals and technology.  -  Academic Press (1999).

  • (6) - BROMAGE (J.) -   Raman amplification for fiber communications systems.  -  J. Lightwave Technol., vol. 22, no 1, p. 79–93...

1 Outils logiciels

Optilux, logiciel libre pour la simulation de systèmes de transmission optiques http://www.optilux.sourceforge.net/

VPI transmission MakerTM, suite logicielle pour la simulation de composants et systèmes optiques, éditée par VPI photonics http://www.vpiphotonics.com/

HAUT DE PAGE

2 Sites Internet

Jean-Michel Jonathan, cours dispensé à l'Institut d'Optique Graduate School Paris Tech, Optique des ondes guidées – Lightwave http://www.paristech.institutoptique.fr/site.php?id=95=72

...

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