Les systèmes de communication par 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 fibres optiques multiples qui sont acheminés à travers des conduits souterrains et des bâtiments, 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 entreprises de télévision par câble.
TransmittersEdit
Les émetteurs optiques les plus couramment utilisés sont les dispositifs à semi-conducteurs tels que les diodes électroluminescentes (LED) 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 gamme de longueurs d’onde optimale et directement modulés à hautes fréquences.
Dans sa forme la plus simple, une LED est une jonction p-n polarisée vers l’avant, 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, éventuellement convertis 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 d’indium-gallium (InGaAsP) ou d’arséniure de gallium (GaAs). Parce que les LED InGaAsP fonctionnent à une longueur d’onde plus longue que les LED GaAs (1,3 micromètre contre 0,81–0.87 micromètres), leur spectre de sortie, tandis que l’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 dispersion de fibres plus élevée, limitant considérablement leur produit débit-distance (une mesure commune 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 (multiplexage en longueur d’onde) locaux.
Aujourd’hui, les LED ont été largement remplacées par des dispositifs VCSEL (Laser à émission de surface à cavité Verticale), qui offrent une vitesse, une puissance et des propriétés spectrales améliorées, à un coût similaire. Les appareils 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 par 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 la 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 d’un temps de recombinaison court.
Les classes d’émetteurs laser à semi-conducteurs couramment utilisées dans la fibre optique comprennent le VCSEL (Laser à Émission de Surface à Cavité Verticale), le Fabry–Pérot et le DFB (Refoulement Distribué).
Les diodes laser sont souvent directement modulées, 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 très longues distances, une source laser peut être actionnée en onde continue, et la lumière modulée par un dispositif externe, un modulateur optique, tel qu’un modulateur d’électro-absorption ou un interféromètre de Mach–Zehnder. La modulation externe augmente la distance de liaison réalisable en éliminant le chirp laser, ce qui élargit la largeur de ligne des lasers à modulation directe, augmentant ainsi 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 seul boîtier (voir photo de droite).
La fibre optique a connu de récents progrès technologiques. « La clé à décalage 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 à la même vitesse. »
ReceiversEdit
Le composant principal d’un récepteur optique est un photodétecteur qui convertit la lumière en électricité en utilisant l’effet photoélectrique. Les photodétecteurs primaires pour les télécommunications sont fabriqués à partir d’arséniure d’indium gallium. Le photodétecteur est typiquement une photodiode à semi-conducteur. Plusieurs types de photodiodes comprennent les photodiodes p-n, les photodiodes p-i-n 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 les régénérateurs et les multiplexeurs en longueur d’onde.
Les convertisseurs opto-électriques sont typiquement couplés à un amplificateur de transimpédance et à un amplificateur de limitation pour produire un signal numérique dans le domaine électrique à partir du signal optique entrant, qui peut être atténué et déformé lors du passage dans le canal. D’autres traitements de signal tels que la récupération d’horloge à partir de données (CDR) effectuée par une boucle à verrouillage de phase peuvent également être appliqués avant la transmission des données.
Les récepteurs cohérents utilisent un laser à oscillateur local en combinaison avec une paire de coupleurs hybrides et quatre photodétecteurs par polarisation, suivis d’ADC à grande vitesse et d’un traitement numérique du signal pour récupérer des données modulées avec QPSK, QAM ou OFDM.
prédistortionEdit numériquedit
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 (> 4QAM) ou de débits en Bauds plus élevés (> 32 GBaud) diminue les performances du système en raison des effets d’émetteur linéaires et non linéaires. Ces effets peuvent être classés en distorsions linéaires dues à la limitation de la bande passante du DAC et à l’inclinaison I / Q de l’émetteur, ainsi qu’en effets non linéaires causés par la saturation du gain dans l’amplificateur pilote et le modulateur Mach-Zehnder. La prédistorsion numérique neutralise les effets dégradants et permet des débits en Bauds allant jusqu’à 56 GBaud et des formats de modulation tels que 64QAM et 128QAM avec les composants disponibles dans le commerce. Le processeur de signaux numériques de l’émetteur effectue une prédistorsion numérique sur les signaux d’entrée à l’aide du modèle d’émetteur inverse avant de télécharger les échantillons sur le DAC.
Les anciennes méthodes de prédistorsion numérique ne traitaient que des effets linéaires. Les publications récentes ont également compensé les distorsions non linéaires. Berenguer et al modélisent le modulateur de Mach–Zehnder comme un système Wiener indépendant et le DAC et l’amplificateur de pilote sont modélisés par une série de Volterra tronquée et invariante dans le temps. Khanna et al ont utilisé un polynôme mémoire pour modéliser conjointement les composants de l’émetteur. Dans les deux approches, la série de Volterra ou les coefficients polynomiaux de mémoire sont trouvés en utilisant une architecture d’apprentissage indirect. Duthel et al enregistrent pour chaque branche du modulateur de Mach-Zehnder plusieurs signaux à des polarités et des phases différentes. 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 fibredit
Un câble à fibre optique se compose d’un noyau, d’un revêtement et d’un tampon (un revêtement extérieur protecteur), dans lequel le revêtement guide la lumière le long du noyau en utilisant la méthode de réflexion interne totale. Le noyau et le revêtement (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 par épissage mécanique et nécessite des compétences particulières et une technologie d’interconnexion en raison de la précision microscopique requise pour aligner les noyaux de fibres.
Deux types principaux de fibres optiques utilisées dans les communications optiques comprennent les fibres optiques multimodes et les fibres optiques monomodes. Une fibre optique multimode a un noyau plus grand (≥ 50 micromètres), ce qui permet de connecter des émetteurs et des récepteurs moins précis et moins chers ainsi que des connecteurs moins chers. Cependant, une fibre multimode introduit une distorsion multimode, ce qui limite souvent la bande passante et la longueur de la liaison. 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.
| MMF FDDI 62,5/125 µm (1987) |
MMF OM1 62.5/125 µm (1989) |
MMF OM2 50/125 µm (1998) |
MMF OM3 50/125 µm (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 |
3500 MHz·km @ 850 nm |
3500 1850 MHz · km @ 950 nm |
1 dB / km @ 1300 / 1550 nm |
0,4 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 revêtue de manière protectrice à l’aide de polymères acrylates photopolymérisés aux ultraviolets (UV), puis terminée par des connecteurs à fibres optiques et finalement assemblée dans un câble. Après cela, il peut être posé dans le sol, puis traverser les murs d’un bâtiment et déployé par voie aérienne d’une manière similaire aux câbles en cuivre. Ces fibres nécessitent moins d’entretien que les fils à paires torsadées ordinaires une fois 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 fibres et traversent l’Atlantique (NYC-Londres) en 60 à 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 longue distance. Cela exploite efficacement les emprises de transport d’énergie, 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 des altérations et simplifie le déploiement de la technologie de réseau intelligent.
AmplificationEdit
La distance de transmission d’un système de communication à fibre optique a traditionnellement été 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 multiplexés modernes en longueur d’onde. en incluant le fait qu’ils devaient être installés environ une fois tous les 20 km (12 mi), le coût de ces répéteurs est très élevé.
Une autre approche 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 fibres dopées à l’Erbium, ou EDFA. Ceux-ci sont fabriqués en dopant une longueur de fibre avec l’erbium minéral de terres rares et en la pompant avec la lumière d’un laser de longueur d’onde plus courte que le signal de communication (typiquement 980 nm). Les AGDE fournissent un gain dans la bande C de l’ IT 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. Tout d’abord, un amplificateur optique peut amplifier une bande très large à la fois qui peut inclure des centaines de canaux individuels, éliminant ainsi la nécessité de démultiplexer les signaux DWDM à chaque amplificateur. Deuxièmement, les amplificateurs optiques fonctionnent indépendamment du débit de données et du format de modulation, ce qui permet 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 transpondeurs pour la conversion de longueur d’onde.
Multiplexage en longueur d’onde
Le multiplexage en longueur d’onde (WDM) est la technique de transmission de plusieurs canaux d’informations à travers 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 séparé. Cela permet de multiplier la capacité disponible des fibres optiques. Cela nécessite un multiplexeur par répartition 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 WDM. En utilisant la technologie WDM maintenant disponible dans le commerce, la bande passante d’une fibre peut être divisée en jusqu’à 160 canaux pour supporter un débit binaire combiné de l’ordre de 1,6 Tbit/s.