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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

Concept
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

Il existe d'autres versions de cet article :

DOI (Digital Object Identifier)

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


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1. Concept

Au milieu des années 1990, il est clair que les fibres optiques présentent un formidable potentiel pour la transmission grâce à la fréquence porteuse très élevée des signaux qui s'y propagent (200 THz pour une longueur d'onde de 1,5 μm) et leurs très faibles pertes (inférieures à 0,4 dB/km sur une bande de 60 THz, de 1 250  à 1 650 nm de longueurs d'onde). Les capacités des systèmes de transmission sur fibre optique devraient se chiffrer en Tbit/s et les portées en centaines et même en milliers de kilomètres avec l'apparition des amplificateurs optiques.

Pour réaliser ce potentiel, il faut cependant combattre un certain nombre de phénomènes parasites liés à la propagation dans la fibre :

  • parmi ceux-ci, il y a des effets linéaires, comme la dispersion chromatique. Cette dernière est responsable d'un élargissement temporel des impulsions qui peut mélanger les « 1 » (présence d'une impulsion) et les « 0 » (absence d'une impulsion). Cet effet peut être compensé par une dispersion chromatique de signe opposé ;

  • le deuxième type de phénomène parasite est le bruit des amplificateurs. Ce bruit s'ajoute en champ au signal et peut transformer un « 1 » en « 0 » et inversement. La parade à ce problème est d'émettre des impulsions suffisamment énergétiques. L'énergie des impulsions doit être d'autant plus grande que la portée du système est importante (car le nombre d'amplificateurs est proportionnel à la distance) ;

  • cette augmentation de puissance avec la portée du système, mais aussi avec le débit transmis, augmente les effets du troisième type de phénomènes parasites : les effets non linéaires. Parmi ceux-ci, l'effet le plus pénalisant est l'effet Kerr.

L'utilisation de tout le potentiel de transmission d'une fibre optique impose la résolution de problèmes dont certains sont contradictoires : les effets non linéaires poussent à réduire la puissance alors que le bruit des amplificateurs pousse au contraire à l'augmenter. Le soliton semble alors apporter un certain nombre de solutions à ces problèmes, car il utilise la dispersion chromatique pour annuler les effets non linéaires. Il peut même utiliser les effets non linéaires pour différentier le signal du bruit et ainsi les séparer.

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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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