Ce qui s’est appelé « transmissions » et « informatique » et a maintenant été regroupé sous l’appellation « technologies de l’information et de la communication » est dernièrement passé par bien des modes et des controverses, passant quasiment d’un jour à l’autre du statut de simple « domaine porteur » à celui de « révolution » puis de « bulle spéculative ». L’histoire et les étiquettes ne s’arrêteront sans doute pas là ; mais au-delà de ces aspects spectaculaires, au niveau technique, un fait subsiste : le volume de données transmises en permanence dans le monde est sans commune mesure avec tout ce qu’il a été jusqu’à une époque très récente, qui date à peine d’une décennie.

Ce volume, réparti essentiellement sur les deux réseaux mondiaux de transmission que sont le téléphone et l’Internet, est gonflé non seulement par le nombre de leurs utilisateurs mais également par la quantité d’information échangée par ces derniers. En effet, d’une part, le nombre de lignes téléphoniques a presque doublé en dix ans (546 millions en 1991, 1 040 en 2001), voire quadruplé si l’on compte la téléphonie mobile (1 030 millions en 2001) ; ajoutonsy les connexions à l’Internet, passées de 4,4 à 505 millions sur la même période [ITU01]. D’autre part, pour chacun de ces utilisateurs, l’utilisation faite du réseau a également évolué : téléphonie et courrier électronique d’abord puis documents formatés, images, musique, et maintenant vidéophonie.

La combinaison de ces facteurs nous a mené à une colossale augmentation du trafic de données, lequel, bien que réparti dans le monde, tend fatalement à se concentrer sur de grandes artères telles que les liaisons transocéaniques — au point qu’il a été dit au milieu des années 1990 que l’amélioration la plus sensible en termes de qualité de service de l’Internet en Europe provenait de l’augmentation de la bande passante entre l’Europe et les États-Unis. Ces « dorsales » des réseaux doivent donc maintenant être dimensionnées à l’échelle de la centaine de gigabits par seconde voire du térabit par seconde sur des longueurs de plusieurs milliers de kilomètres. De telles performances ne peuvent actuellement être atteintes que par une seule catégorie de systèmes de transmission : les liaisons à multiplexage en longueur d’onde sur fibre optique, que l’on a récemment démontrées à 3,65 Tbps sur 6 850 km [Vareille01], et même 10 Tbps sur 300 km [Frignac02]. Le débit par canal est alors typiquement de 10 ou 40 Gbps, et l’espacement entre canaux de 100, 50, voire 25 GHz — ou, en longueur d’onde, environ 0,8, 0,4, voire 0,2 nm vers 1,55 µm.

La mise en place de ces liaisons, à de tels débits, requiert des composants appropriés, le long de la fibre comme à chacune de ses extrémités. À commencer, pour la partie émettrice, par les sources d’informations elles-mêmes, qui doivent comporter des multiplexeurs temporels capables de fournir plusieurs dizaines de gigabits par seconde ; ensuite, le passage desdits signaux au domaine optique nécessite des lasers et des modulateurs optiques répondant à ces vitesses ; enfin, des multiplexeurs en longueur d’onde les combinent de façon à profiter au mieux de la bande passante offerte par les fibres et surtout les amplificateurs optiques. Symétriquement, au niveau de la réception et éventuellement de la régénération, on aura besoin de démultiplexeurs pouvant discriminer les canaux à des fractions de nanomètres d’écart, de photodétecteurs rapides, et de dispositifs de récupération d’horloge.

Cette dernière fonction, parfois passée sous silence, est néanmoins fondamentale : l’horloge que le détecteur utilise pour savoir à quel instant décider s’il reçoit un 1 ou un 0 doit impérativement être calée sur celle de l’émetteur∗ , le point où cette décision est prise devant être fixé par rapport à l’intervalle de temps bit, et non dériver comme l’entraînerait la moindre différence de fréquence ; même en ne se trompant que d’un hertz, i.e. une erreur de 10−10 sur l’horloge du détecteur, on aura bien plus qu’une erreur toutes les secondes ! La récupération d’horloge est donc essentielle pour la réception, ainsi que pour la régénération, qui nécessite entre autres une resynchronisation et donc une horloge fiable.

Fondamentalement, un système de transmission de données est constitué d’un certain nombre de blocs fonctionnels : un émetteur; un canal de transmission, qui a priori dégrade le signal mais comporte éventuellement un ou plusieurs relais ou régénérateurs ; et un récepteur. Plus spécifiquement, dans le cas d’un système de transmission optique, l’émetteur génère — par définition — un signal lumineux, lequel se propage dans un canal constitué typiquement d’une fibre optique. Ce signal lumineux, devant transmettre de l’information, est modulé. Les grandeurs sur lesquelles on peut agir à cet effet sont l’intensité, la phase et la polarisation de la lumière transmise. À la différence des systèmes de communication par radio, où ces trois paramètres peuvent être utilisés de concert, les systèmes de transmission optiques actuels ne jouent que sur l’intensité : la polarisation se conserve mal au passage dans une fibre optique standard ; la phase est d’une part sensible au bruit et aux effets non-linéaires, et d’autre part difficile à détecter par les récepteurs classiques non cohérents [Gallion02]. Malgré un récent regain d’intérêt pour les modulations de phase différentielles (DPSK), nous nous limiterons donc aux modulations d’amplitude, en jouant habituellement sur des puissances de l’ordre du milliwatt par canal ; les formats les plus utilisés actuellement dans les systèmes optiques sont les Non-Retour à Zéro (NRZ) et Retour à Zéro (RZ).

Après avoir été émis, le signal transite parle canal de transmission qui, n’étant pas idéal, ne le restitue pas tel quel mais dégradé suivant plusieurs processus. Le plus évident est l’atténuation des fibres : 0,2 dB/km au minimum autour de 1,55 µm de longueur d’onde peut paraître faible, mais les longueurs de transmission visées étant de plusieurs centaines ou milliers de kilomètres, ceci ne représente pas un milieu suffisammenttransparent.De ce fait, on placedes amplificateurs optiques le long du parcours afin de ramener périodiquement la puissance du signal à un niveau acceptable ; mais de tels amplificateurs rajoutent automatiquement du bruit sous forme d’émission spontanée amplifiée. Enfin, sur de telles distances, il ne suffit pas de compenser l’atténuation : la dispersion chromatique et les effets non-linéaires apportés par la fibre et les amplificateurs deviennent des facteurs limitants.