Chaine de transmission optique

Il n’y a pas si longtemps, lorsque les systèmes numériques les plus rapides transmettaient l’information à un débit de 270 Mbits/s, le câble coaxial était parfaitement à même de remplir son rôle de support de transmission. Mais avec l’apparition des nouveaux services liés au développement du multimédia, un besoin d’un débit de transmission d’informations plus élevé est apparu, et une alternative au câble coaxial était à trouver : pertes trop élevées, courtes distances de propagation, performances limitées.

La fibre optique remplit très bien ce rôle de support de transmission. Son utilisation est désormais courante dans les réseaux de télécommunications. La possibilité de transporter de la lumière le long de fines fibres de verre fut exploitée au cours de la première moitié du XXe siècle. En 1927, Baird et Hansell tentèrent de mettre au point un dispositif d’images de télévision à l’aide de fibres. Hansell a pu faire breveter son invention, mais elle ne fut jamais vraiment utilisée.

La première application fructueuse de la fibre optique eut lieu au début des années 1950, lorsque le fibroscope flexible fut inventé par van Heel et Hopkins. Cet appareil permettait la transmission d’une image le long de fibres en verre. Il fut particulièrement utilisé en endoscopie, pour observer l’intérieur du corps humain, et pour inspecter des soudures dans des réacteurs d’avion. Malheureusement, la transmission ne pouvait pas être faite sur une grande distance étant donnée la mauvaise qualité des fibres utilisées.

Les télécommunications par fibre optique ne furent pas possibles avant l’invention du laser en 1960. Le laser offrit en effet l’occasion de transmettre un signal avec assez de puissance sur une grande distance. Dans sa publication de 1964, Charles Kao (Standard Télécommunications Laboratoires) décrivit un système de communication à longue distance et à faible perte en mettant à profit l’utilisation conjointe du laser et de la fibre optique. Peu après, soit en 1966, il démontra expérimentalement, avec la collaboration de Georges Hockman, qu’il était possible de transporter de l’information sur une grande distance sous forme de lumière grâce à la fibre optique. Cette expérience est souvent considérée comme la première transmission de données par fibre optique.

Cependant, les pertes dans une fibre optique étaient telles que le signal disparaissait au bout de quelques centimètres, non par perte de lumière, mais parce que les différents chemins de réflexion du signal contre les parois finissaient par en faire perdre la phase. Cela la rendait peu avantageuse par rapport au fil de cuivre traditionnel. Les pertes de phase, entraînées par l’usage d’une fibre de verre homogène, constituaient le principal obstacle à l’utilisation courante de la fibre optique.

Généralités sur les transmissions optiques

Comme tous les systèmes de communications, les liaisons optiques se basent sur trois blocs fondamentaux pour effectuer le transfert de l’information : l’élément d’émission, le canal de communication et le récepteur. La particularité de ce système provient des éléments utilisés pour effectuer le transport de l’information. Le bloc d’émission est constitué d’un dispositif diode laser ou source laser qui permet de convertir un signal sinusoïdal électrique en un signal optique. Le canal de transmission (la fibre optique) transporte une porteuse optique modulée contenant l’information. Enfin, le récepteur (le photodétecteur) récupère le signal électrique véhiculé en opérant une conversion optique-électrique.

Le bloc émetteur

Les facteurs essentiels qui conditionnent le choix d’un émetteur pour télécommunication par fibre optique sont, le spectre d’émission, qui doit correspondre aux fenêtres de transparence et de faible dispersion de la fibre utilisée, la possibilité de modulation du rayonnement émis, et la réalisation d’un couplage efficace émetteur – fibre. Les fibres optiques de silice sont caractérisées par des fenêtres centrées à 1.3 à 1.55μ que nous verrons dans le deuxième chapitre, et des diamètres qui varient entre plusieurs centaines de microns et quelques microns. Les sources doivent par conséquent émettre un rayonnement modulable, centré sur l’une de ces longueurs d’onde, et avoir une surface active de faible dimension. En conséquence les diodes électroluminescentes et les diodes lasers sont particulièrement bien adaptées. Comparativement aux diodes lasers, les diodes électroluminescentes sont plus facilement modulables, ont une meilleure durée de vie et sont beaucoup moins chères. Par contre, les diodes lasers ont une surface émettrice plus faible, ce qui permet d’utiliser des fibres de plus petite section et par la suite de diminuer la dispersion inter mode. D’autre part, le rayonnement émis par une diode laser est pratiquement monochromatique, plus puissant et moins divergeant, ce qui augmente le rendement du couplage émetteur – fibre.

La source optique

a. la diode DEL
Lorsqu’une jonction PN est polarisée dans le sens direct, les électrons, qui sont majoritaires dans la région de type n, sont injectés dans la région de type p où ils se recombinent avec les trous. Inversement pour les trous, la structure de base d’une diode Électroluminescente, LED (Light Emitting Diode) est une jonction PN réalisée à partir de Semi-conducteurs dans lesquels les recombinaisons des porteurs excédentaires sont essentiellement radiatives .

Une tension de polarisation directe fixe la séparation des niveaux de Fermi. Les recombinaisons des porteurs excédentaires se manifestent dans trois régions différentes qui sont d’une part la zone de charge d’espace, et d’autre part les régions neutres n et p. Dans chacune de ces dernières, la zone émettrice est limitée à la longueur de diffusion des porteurs minoritaires. La zone de charge d’espace joue un rôle mineur dans la mesure où elle est très étroite en raison du fait que la jonction est fortement polarisée dans le sens direct. La mobilité des électrons étant beaucoup plus grande que celle des trous, le taux d’injection d’électrons dans la région de type p est plus important que le taux d’injection de trous dans la région de type p. C’est la raison pour laquelle cette région constitue la face émettrice dans la structure. Il faut ajouter que pour des raisons d’intensité d’émission, les régions n et p de la diode sont très dopées. Ces dopages importants se traduisent par une diminution du gap que l’on peut montrer qu’elle est plus importante dans la région p que dans la région n. Cette différence de gap favorise encore l’injection d’électrons par rapport à celle de trous.

Le spectre (type de longueur d’onde), c’est-à-dire la couleur du rayonnement émis par une diode électroluminescente, est évidemment conditionné par le gap du matériau de type p, dans lequel se produit l’essentiel des recombinaisons radiatives. Dans la mesure où certaines transitions mettent en jeu des niveaux d’impuretés, le spectre d’émission est aussi conditionné par le type de dopant. Les différents matériaux utilisés à l’heure actuelle permettent de couvrir pratiquement tout le spectre visible.

b. La diode laser
Laser est l’acronyme anglais de Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation(en français, amplification de la lumière par émission stimulée de radiations).la diode laser est une source cohérente et monochromatique, elle est utilisée dans les systèmes de transmission à très grande distance, elle est caractérisé par : une faible largeur spectrale et une bande passante importante.