La chaîne de transmission optique

1. De la donnée à la lumière, et retour

2. Coder les bits en lumière

La méthode la plus simple : lumière allumée = 1, lumière éteinte = 0. C'est la modulation tout-ou-rien (en anglais On-Off Keying, OOK), une modulation d'amplitude numérique du cours 1. Le débit fixe la durée de chaque bit :

À 10 Gbit/s, un bit dure $$T=\frac{1}{{10}^{10}}={10}^{-10}\text{s}=100\text{ps}$$ Le laser doit donc s'allumer et s'éteindre dix milliards de fois par seconde !

Le codeur ne se contente pas de recopier les bits. Une longue suite de 0 donnerait une longue absence de lumière, et le récepteur perdrait le rythme : il ne saurait plus compter les bits. Le codeur ajoute donc quelques bits pour garantir assez de transitions (par exemple, le codage 64b/66b ajoute 2 bits tous les 64 bits), et souvent des bits de correction d'erreurs. Le décodeur fait l'opération inverse.

Pour les très hauts débits (100 Gbit/s et plus par longueur d'onde), on utilise des modulations plus évoluées, qui jouent aussi sur la phase de la lumière : on retrouve les constellations et la QAM du cours 1.

3. Émetteurs et récepteurs

Les émetteurs : LED ou laser

Deux lasers à connaître : le VCSEL, petit laser bon marché à 850 nm, roi des data centers en multimode, et le laser DFB, au spectre extrêmement fin, utilisé à 1310 et 1550 nm pour les longues distances (spectre fin = moins de dispersion chromatique, chapitre 3).

Les récepteurs : des photodiodes

Une photodiode transforme les photons reçus en courant électrique. La photodiode PIN est simple, rapide et bon marché. La photodiode à avalanche (APD) multiplie le courant à l'intérieur même du composant : elle est plus sensible (elle détecte des signaux plus faibles), au prix d'une tension de polarisation élevée et d'un coût supérieur. Derrière la photodiode, un amplificateur électronique et un circuit de décision comparent le signal à un seuil pour décider : 1 ou 0 ?

4. Plusieurs couleurs dans une seule fibre, et des amplificateurs de lumière

Le multiplexage en longueur d'onde (WDM)

Au cours 1, vous avez vu le multiplexage en fréquence : plusieurs stations de radio partagent l'air en émettant chacune sur sa fréquence. Le WDM (Wavelength Division Multiplexing) fait la même chose avec la lumière : on envoie dans la même fibre des dizaines de lasers de longueurs d'onde (de « couleurs ») légèrement différentes, chacun portant son propre flux de données. Un multiplexeur les réunit à l'entrée, un démultiplexeur les sépare à l'arrivée, comme un prisme.

Dans la bande autour de 1550 nm, les canaux sont espacés de 100 GHz (environ 0,8 nm), ou même 50 GHz : on loge ainsi jusqu'à environ 88 canaux dans cette bande. La capacité totale est simplement :

L'amplificateur optique à fibre dopée à l'erbium (EDFA)

Au chapitre 4, nous avons vu qu'il faut un répéteur tous les 50 à 100 km environ. Autrefois, un répéteur était un régénérateur : photodiode → électronique → nouveau laser. Avec le WDM, il en faudrait un par longueur d'onde : 80 couleurs, 80 régénérateurs à chaque répéteur !

L'EDFA résout le problème. C'est un morceau de fibre dont le cœur contient des ions d'erbium, « excités » par un laser de pompe. Quand la lumière à 1550 nm le traverse, elle est amplifiée directement, sans conversion électrique, et toutes les longueurs d'onde à la fois.

Avant la suite, vérifiez que vous savez :

• dessiner la chaîne de transmission et nommer chaque bloc ;
• calculer la durée d'un bit et la capacité d'un système WDM ;
• expliquer pourquoi l'EDFA a remplacé les régénérateurs dans les câbles sous-marins.