En utilisant la troisième fenêtre de transmission (1550 nm), les faibles pertes de ces fibres, combinées à la disponibilité d'amplificateurs à fibre dopée à l'erbium (EDFA), permettent de couvrir de longues distances. Cependant, malgré leur bande passante quasi illimitée (plusieurs centaines de THz), la présence de dispersion chromatique à 1550 nm limite la capacité et la portée maximales atteignables dans un système de communication optique donné.
La dispersion chromatique est un retard dépendant de la fréquence, introduit lors de la propagation dans la fibre optique, et qui provoque une distorsion non linéaire à la sortie du photodétecteur. Autrement dit, les composantes fréquentielles constituant le spectre du signal optique se propagent à des vitesses différentes dans la fibre et atteignent le photodétecteur à des instants légèrement différents. Dans les transmissions numériques, cet effet se manifeste par un élargissement temporel des impulsions optiques, engendrant des interférences entre les symboles. Logiquement, plus les impulsions optiques sont étroites (taux de modulation plus élevés) ou plus la liaison fibre optique est longue (dispersion cumulée plus importante), plus la dégradation est prononcée. Il existe donc une limite, généralement exprimée par le produit de la bande passante et de la longueur de la fibre, et mesurée en Gbit/s/km.
La recherche sur de nouvelles techniques et de nouveaux dispositifs tolérants à la dispersion chromatique est un domaine de recherche actif depuis un certain temps. Parmi les dispositifs les plus connus figurent les fibres à compensation de dispersion, les réseaux de diffraction sur fibre optique et les fibres à dispersion décalée. Du point de vue des techniques, la modulation de fréquence optique et l'inversion spectrale se distinguent. Nous allons maintenant examiner chacune de ces méthodes plus en détail.
Fibres à compensation de dispersion
Les fibres à compensation de dispersion (DCF) se caractérisent par un paramètre de dispersion chromatique élevé, de signe opposé à celui des fibres conventionnelles fonctionnant dans la troisième fenêtre de bande. Ainsi, en plaçant une certaine longueur de DCF après la liaison fibre optique constituant le système de communication, il est possible de compenser la dispersion chromatique accumulée lors du premier trajet. Si l'on note D₁ et L₁ la dispersion et la longueur de la liaison fibre optique, et D₂ et L₂ la dispersion et la longueur de la DCF, respectivement, la condition de compensation de la dispersion s'écrit : D₁L₁ + D₂L₂ = 0. Considérons une liaison optique de 100 km de fibre standard (D = 17 ps/km·nm) ; la dispersion cumulée lors de la propagation serait alors de 1 700 mS/nm. Par conséquent, pour une DCF présentant un paramètre de dispersion d'environ -100 ps/km·nm, environ 17 km de DCF seraient nécessaires pour obtenir cette compensation. La figure 1 représente schématiquement une liaison optique longue distance utilisant des fibres à dispersion compensée (DCF) pour compenser la dispersion chromatique. Le signal à transmettre est injecté dans le système par un modulateur électro-optique situé à la sortie de la source optique laser et reçu par un photodétecteur couplé à un amplificateur électronique à large bande. Afin d'égaliser la dispersion introduite le long de la liaison, celle-ci est divisée en sections composées d'un segment de fibre monomode standard (SSMF), d'une certaine longueur de DCF et, enfin, d'un amplificateur à fibre dopée à l'erbium (EDFA) pour récupérer la puissance du signal. Bien que la figure illustre la technique de « post-compensation », une « pré-compensation » peut également être réalisée en inversant simplement les positions des segments SSMF et DCF.
Malgré ce qui précède, les fibres à dispersion contrôlée (DCF) présentent plusieurs inconvénients. Premièrement, 1 km de DCF ne remplace qu'environ 10,12 km de fibre standard (les progrès récents permettent de produire des fibres dont la dispersion dépasse -200 ps/km.nm). Deuxièmement, leurs pertes sont relativement élevées à 1550 nm (environ 0,5 dB/km). Troisièmement, en raison de leur faible diamètre de mode, l'intensité optique à l'intérieur de la fibre est plus élevée pour une même puissance optique, ce qui accentue les effets non linéaires. Des travaux sont actuellement en cours pour améliorer les performances des DCF. Certains résultats déjà obtenus, basés sur une structure de fibre bimode, atteignent des paramètres de dispersion de -770 ps/km.nm avec des pertes identiques à celles d'une fibre standard.
Fibres à dispersion décalée
Les fibres à dispersion décalée (DSF) ne sont pas à proprement parler un dispositif de compensation de dispersion, mais plutôt un type de fibre utilisé en remplacement des fibres conventionnelles grâce à leurs propriétés non dispersives. Les fibres standard présentent une dispersion croissante avec la longueur d'onde, s'annulant autour de 1310 nm (deuxième fenêtre). Le fonctionnement dans la troisième fenêtre étant préférable en raison des faibles pertes de la fibre, l'objectif est de développer un nouveau type de fibre présentant une dispersion nulle autour de 1550 nm. C'est ainsi que sont apparues les fibres DSF, dont le nom provient du procédé de fabrication qui modifie le rayon du cœur ou la différence d'indice de réfraction entre le cœur et la gaine afin de décaler la courbe de dispersion caractéristique des fibres standard vers les grandes longueurs d'onde.
Cependant, le procédé de fabrication de ces fibres entraîne une diminution de la surface effective du cœur (50 mm² contre 70-80 mm² pour les fibres standard), ce qui accentue les non-linéarités du dispositif. Les phénomènes non linéaires étant favorisés dans les régions de dispersion nulle, la principale limitation de ces liaisons devient alors la non-linéarité due à la dispersion chromatique. La solution la plus immédiate consiste à concevoir des fibres à dispersion quasi nulle (DSF) dont les paramètres de dispersion sont suffisamment faibles pour s'affranchir de cette limitation et, simultanément, réduire l'influence des non-linéarités. Ce type de fibre est communément appelé NZDSF (fibre à dispersion quasi nulle), et il en existe deux types selon le signe du paramètre de dispersion. La figure 2 récapitule les caractéristiques de dispersion en fonction de la longueur d'onde pour les différents types de fibres optiques étudiés : SSMF, DCF, DSF et NZDSF.
Réseaux de diffraction sur fibre optique
Les principaux dispositifs utilisés pour compenser la dispersion chromatique sont sans aucun doute les réseaux de Bragg à dispersion de fréquence (CFG). À l'instar des fibres à dispersion de couleur (DCF), ce sont des dispositifs dispersifs, mais présentant des caractéristiques sensiblement différentes. Leurs principaux avantages sont une faible perte d'insertion, une taille compacte (de l'ordre du centimètre) permettant l'intégration, et une production en série relativement aisée. Leur fonctionnement repose sur l'introduction d'un délai dépendant de la longueur d'onde dans les signaux optiques injectés dans le dispositif, compensant ainsi le délai variable introduit par la liaison fibre optique. Le CFG possède généralement un seul port d'entrée/sortie et fonctionne en mode réflexion. Puisque les signaux reçus et égalisés sont présents sur ce port, un circulateur est nécessaire pour les séparer, comme illustré dans le schéma fonctionnel de la figure 3. Il s'agit de la configuration standard, bien que des filtres à CFG fonctionnant en mode transmission existent également.
Le délai variable est obtenu par modulation de fréquence (chirp) de l'indice de réfraction de la fibre. Ceci induit une réflexion des signaux optiques dans la fibre en différents points selon leur longueur d'onde, couvrant ainsi des distances variables. La figure 4 illustre ce phénomène, ainsi que les réponses typiques en réflectivité et en temps de propagation de groupe d'un tel dispositif. Il est à noter que le CFG est caractérisé par une bande passante de fonctionnement spécifique qui dépend principalement de sa longueur. Contrairement au DCF, il s'agit de sa principale limitation. Des recherches sont actuellement menées pour développer des CFG à large bande destinés aux systèmes DWDM (multiplexage par répartition en longueur d'onde dense).
La méthode de fabrication CFG consiste à placer un masque de phase entre un faisceau de lumière ultraviolette et la fibre optique. Le faisceau incident est diffracté par les ondulations du masque et frappe le cœur photosensible de la fibre, modifiant ainsi son indice de réfraction et le modulant. Ce procédé de fabrication n'étant pas parfait, une ondulation aléatoire apparaît dans les réponses de réflectivité et de temps de propagation de groupe, comme illustré sur la figure 4. Dans le cas du temps de propagation de groupe, cette ondulation engendre des phénomènes dispersifs d'ordre supérieur qui dégradent la qualité du système, notamment dans les systèmes analogiques multicanaux.
Modulation de fréquence optique
Une approche alternative à la transmission tolérante à la dispersion est la modulation de fréquence optique. Dans ce cas, le format de modulation FSK est généralement utilisé pour injecter le signal de données à transmettre sur la porteuse optique générée par le laser. La modulation consiste en un déphasage Δl de la longueur d'onde porteuse en fonction du bit (« 0 » ou « 1 »). Lors de la propagation dans la fibre, les deux longueurs d'onde se propagent à des vitesses légèrement différentes. Le délai entre les bits « 0 » et « 1 » peut être déterminé à partir de la séparation Δl et est donné par ΔT = ΔLΔl, où L est la longueur de la liaison fibre optique. Ensuite, en choisissant une séparation telle que ΔT = 1/B, où B est le taux de modulation, on peut démontrer que le signal FSK pur est converti en un signal modulé en amplitude au niveau du récepteur. Enfin, à l'aide d'un intégrateur et d'un circuit de décision, il est possible de récupérer le signal transmis. Grâce à cette technique, la transmission de signaux de 10 Gbit/s sur 253 km de SSMF et de signaux de 20 Gbit/s sur 53 km de fibre a été démontrée, confirmant ainsi que la distance de transmission peut être considérablement augmentée.
technique d'inversion spectrale
La technique d'inversion spectrale, également connue sous le nom d'OPC (conjugaison de phase optique), s'est avérée une méthode efficace pour compenser la dégradation causée par la dispersion chromatique dans les liaisons de communication optique longue distance. Cette technique repose sur l'insertion d'un conjugateur au milieu de la liaison optique, qui inverse la phase du signal optique. En supposant que les deux segments de fibre, avant et après le conjugateur, présentent des caractéristiques et une longueur identiques, la propagation à travers le second segment compense la dispersion accumulée à la sortie du premier. Le terme « inversion spectrale » provient du processus de conjugaison lui-même, car il équivaut à une rotation du spectre de modulation. Ainsi, la dispersion accumulée dans le second segment de fibre est soustraite de celle introduite dans le premier segment de la liaison. La figure 5 représente schématiquement le diagramme fonctionnel d'un système utilisant la technique OPC. Bien que la valeur L1 = L2 = L/2 soit généralement utilisée, il est possible d'utiliser des longueurs différentes en ajustant d'autres paramètres de la liaison, tels que la puissance optique ou les caractéristiques de dispersion et de non-linéarité des fibres.
L'un des principaux avantages de l'OPC réside dans sa capacité à compenser les dégradations dues à l'effet combiné de la dispersion chromatique et des effets non linéaires. De plus, contrairement aux techniques utilisant des DCF ou des CFG, l'égalisation obtenue avec l'OPC présente une sensibilité réduite aux variations de paramètres le long des fibres au sein du système, ce qui élimine la nécessité d'une conception de liaison excessivement précise. Ainsi, le dispositif OPC peut être installé dans une zone commune (station de contrôle) et partagé entre plusieurs nœuds optiques interconnectés par des liaisons fibre de longueurs légèrement différentes, permettant ainsi des économies substantielles. Grâce à cette technique, la transmission de signaux à 40 Gbit/s sur 400 km de SSMF a été démontrée en laboratoire, confirmant son efficacité pour compenser la dispersion chromatique. Des travaux sont actuellement en cours pour appliquer cette technique aux réseaux optiques DWDM de nouvelle génération.
Construction du conjugateur optique
L'élément clé étant le dispositif OPC, nous l'analyserons plus en détail. La construction du conjugateur optique repose sur des processus non linéaires qui se produisent dans certains dispositifs optiques et qui induisent l'inversion de phase du signal optique. La méthode la plus courante utilise le mélange à quatre ondes (FWM) dans un milieu non linéaire. Deux principales solutions existent : la première repose sur un amplificateur optique à semi-conducteur (SOA) et la seconde sur un filtre DSF. Dans les deux cas, un laser de pompage est nécessaire pour induire des effets non linéaires significatifs. Le signal optique d'entrée est mélangé avec le laser de pompage à l'intérieur du SOA ou du DSF et apparaît conjugué à sa sortie, bien qu'à une longueur d'onde différente. Ce signal conjugué est ensuite sélectionné par un filtre optique et, si nécessaire, amplifié. Le schéma fonctionnel de ce dispositif est présenté sur la figure 6. Le spectre optique à la sortie du conjugateur, où l'on observe le signal nouvellement généré, est également représenté sur cette figure.
Le faible rendement relatif du processus de conjugaison dans les fibres optiques mérite d'être souligné. Typiquement, le rendement de conversion est inférieur à 1 %, ce qui nécessite une amplification supplémentaire du signal conjugué. Cependant, le phénomène de mélange à quatre ondes (FWM) n'est pas intrinsèquement inefficace et peut, en principe, fournir un gain. En effet, l'analyse des équations modélisant le FWM montre que le rendement augmente considérablement en augmentant la puissance de la pompe tout en diminuant celle du signal. Il peut même dépasser 100 % en optimisant les niveaux de puissance et la différence entre les longueurs d'onde de la pompe et du signal, bien que les niveaux de puissance élevés soient généralement évités en raison de la diffusion Brillouin, qui se produit autour de 10 mW. La diffusion Brillouin est un processus non linéaire dans les fibres optiques, au cours duquel la puissance optique injectée est réfléchie à l'entrée de la fibre au-delà d'une certaine valeur qui dépend directement de la longueur de la fibre. Ceci limite la puissance de pompage maximale applicable et entraîne également une augmentation de l'intensité du bruit à la sortie.
Concernant les conjugateurs à base d'amplificateurs à semi-conducteurs (SOA), l'efficacité de conversion est généralement supérieure à celle de la génération de quatre ondes (FWM) dans les fibres à dispersion (DSF) grâce à l'amplification. Le signal conjugué peut être généré à l'aide d'un dispositif d'1 mm de longueur, voire moins. Cependant, cet avantage est atténué par les pertes de couplage importantes qui surviennent lors de la réinjection du signal dans la fibre. En choisissant judicieusement l'écart entre le signal et la pompe, des efficacités de conversion supérieures à 100 % peuvent être atteintes, ce qui représente un gain net sur le signal conjugué. Ces caractéristiques rendent cette technique très intéressante pour les systèmes de compensation de dispersion. Néanmoins, l'efficacité de conversion et le rapport signal/bruit de la FWM dans les SOA dépendent fortement de cet écart entre les ondes de signal et de pompe. Par conséquent, diverses techniques ont été proposées pour tenter d'égaliser cette réponse dans la bande de fonctionnement.
Pour que le processus FWM fonctionne avec une efficacité maximale, il est essentiel que les deux ondes présentent le même état de polarisation à l'entrée du milieu non linéaire. Ceci est réalisé grâce à un contrôleur de polarisation (Figure 6) appliqué à l'onde de pompe lorsque la polarisation de l'onde de signal est connue et stable. Cependant, la polarisation du champ électrique varie aléatoirement lors de sa propagation dans les fibres optiques, rendant impossible la connaissance préalable de son état à l'entrée du convertisseur optique de polarisation (OPC) dans un système de compensation de dispersion réel. Ces variations aléatoires affectent significativement l'efficacité du processus FWM, rendant la technique d'inversion spectrale inadaptée aux applications concrètes. Heureusement, ce sujet a fait l'objet de recherches actives et des configurations FWM insensibles à la polarisation du signal d'entrée ont été découvertes. Parmi celles-ci figurent plusieurs expériences utilisant des techniques de diversité de polarisation ou deux ondes de pompe à polarisation orthogonale. De nouvelles techniques ont récemment été proposées, basées sur des interféromètres de Mach-Zehnder et de SoAs, des interféromètres de Sagnac, voire des lasers DFB sur fibre, permettant d'atteindre une dépendance à la polarisation aussi faible que 0,5 dB.
Outre le problème de polarisation, le processus de conjugaison FWM introduit un autre effet indésirable : le décalage de la porteuse optique. Ce facteur doit être pris en compte dans les systèmes de compensation de dispersion OPC, car les propriétés de propagation le long du second trajet de fibre diffèrent, et la bande passante de transmission optique disponible est réduite de moitié. Pour éviter cet effet, diverses configurations basées sur l’utilisation de deux ondes de pompe orthogonales ont été proposées. Enfin, l’influence d’autres effets, tels que la distorsion due à la modulation d’amplitude de phase résiduelle du signal conjugué ou au bruit de phase du signal de pompe, affecte également les performances de la technique OPC et doit être prise en compte lors de la conception du conjugateur.
Auteur : Francisco Ramos Pascual. Ingénieur en télécommunications. Professeur de radiocommunications à l’Université polytechnique de Valence.
