Réseaux longue distance à fibre optiques

Applications de la fibre optique

La fibre optique est utilisée par de nombreuses sociétés de télécommunications pour transmettre des signaux de téléphone, de la communication Internet, et les signaux de télévision par câble. En raison de beaucoup plus faible atténuation et de l’ingérence, la fibre optique a de gros avantages sur le fil de cuivre existantes dans des applications à forte demande et à long-distance. Cependant, le développement des infrastructures dans les villes a été relativement difficile et de longue haleine, et les systèmes de fibre optique sont complexes et coûteux à installer et à utiliser. En raison de ces difficultés, les systèmes de communication à fibre optique ont été principalement installés dans les applications longues distances, où ils peuvent être utilisés pour leur capacité de transmission complète, compensant l’augmentation des coûts. Depuis 2000, les prix des communications par fibre optique ont considérablement diminué. Le prix pour le déploiement de fibre optique jusqu’au domicile est actuellement devenu plus rentable que celle du déploiement d’un réseau à base de cuivre.

Les prix chuté à 850 $ par abonné en 2009 aux Etats-Unis et plus faible dans des pays comme les Pays-Bas, où les coûts sont faibles à creuser. Depuis 1990, lorsque l’optique d’amplification des systèmes est devenue disponible dans le commerce, l’industrie des télécommunications a établi un vaste réseau de transport interurbain et transocéanique des lignes de communications à fibre. En 2002, un réseau intercontinental de 250.000 km de câbles sous-marins de communication avec une capacité de 2,56 Tb/s a été achevé, et bien que les capacités de réseau spécifiques soient des informations privilégiées, les rapports indiquent que les investissements dans les télécommunications capacité du réseau ont augmenté de façon spectaculaire depuis 2004. Les opérateurs peuvent aussi accroître leurs réseaux sans devoir à chaque augmentation de trafic tirer un nouveau câble et la fibre optique ne coûtant pas beaucoup plus cher qu’un câble cuivre (rapport prix/performance) permet d’envisager des structures de type FTTC (Fibre To The Curb) ou FTTH (Fibre To The Home) afin d’amener des capacités de transmission le plus près possible de l’utilisateur final. De plus, l’approche des opérateurs consistant aujourd’hui à bâtir leur réseau directement sur IP en dessus du protocole SDH ou DWDM est un signe révélateur de cette tendance des touts optiques et du tout IP. Ainsi, il apparaît certain que demain l’usage du multiplexage des longueurs d’onde deviendra un élément à part entière des réseaux locaux et distants [1].

Les réseaux sous-marins

Depuis l’installation des premiers câbles télégraphiques sous-marins, dans la manche dès 1852 et à travers l’Atlantique en 1864, l’histoire des câbles sous-marins a été constituée de quelque longues périodes pendant lesquelles le réseau sous-marin se développait de manière mesurée, tandis que la technologie utilisée mûrissait avec prudence. Ces périodes de calme étaient séparées par des percées ou des « révolutions » technologiques à l’issue desquelles l’ancienne technique était complètement abandonnée au profit de la nouvelle qui offrait toujours de plus grandes capacités ou une meilleure qualité de transmission pour un coût équivalent. La première période, il y a cent ans, en pleine révolution industrielle, fut celle des câbles télégraphiques à un seul canal. Un important réseau de câbles fut posé pendant cette période, dont beaucoup gisent encore au fond de l’océan (et câbles). La deuxième période, qui s’étendit de 1950 à 1985, fut celle des câbles coaxiaux avec transmission analogique du trafic téléphonique. L’introduction des tubes électroniques à vide, puis plus tard des premiers amplificateurs à semi-conducteurs dans les répéteurs, permit à l’époque de transmettre des canaux de 4kHz de large multiplexés, dont le nombre crut de 36 à 4000 de 1950 à 1985, en utilisant des techniques de porteuse en haute fréquence.

L’augmentation de la capacité rendit nécessaire l’augmentation du diamètre du câble coaxial et la réduction de l’espacement entre répéteurs, avec des conséquences importantes sur le coût du système. Comme pendant la période précédente, les câbles étaient alors essentiellement utilisés pour des applications point à point (par exemple Europe-Etats Unis) et un nouveau câble transatlantique était posé environ tous les quatre ans. Cette époque vit également l’apparition des premiers satellites, qui devinrent très vite des concurrents sérieux du câble. Le premier satellite utilisé pour les transmissions intercontinentales fut lancé par INTELSAT en 1965 avec une capacité assez faible de 240canaux de 4kHz de largeur. Quoi qu’il en soit, la technologie des satellites fit assez rapidement des progrès importants, et la capacité d’INTELSAT V, lancé en 1981, atteignait déjà 10000circuits téléphoniques. Cette compétition donna lieu à d’innombrables comparaisons technico-économiques entre le câble et le satellite, avec des conclusions souvent ambiguës et parfois même contradictoires. Dans les faits, une relation de complémentarité se développa entre le câble et le satellite, liée à l’intérêt de pouvoir procéder à des restaurations mutuelles de trafic lorsqu’un des deux systèmes ne fonctionnait plus.

Aujourd’hui, les deux types de technologie offrent des avantages bien distincts : les câbles sous-marins sont d’excellents candidats pour les transmissions point à point très haut débit, tandis que les satellites sont plus flexibles au niveau des accès et par exemple très adaptés pour les communications avec les mobiles ou la desserte de zone d’habitat dispersé. Notons enfin que le temps de propagation beaucoup plus faible sur la câble que sur le satellite (la distance est de 6500km pour un câble transatlantique au lieu de 72000km pour le satellite) rend moins critiques les problèmes d’écho. L’apparition des fibres optiques dans les câbles sous-marins causa le déclin des câbles coaxiaux pour cette application et marqua le début de la troisième période. Cependant, l’énorme potentiel de la fibre optique ne fut pas de prime abord complètement exploité et ce n’est qu’avec l’apparition des amplificateurs optiques à fibre dopée (OADF), c’est-à-dire dans les années 1990, qu’il put l’être beaucoup mieux. Dans ce paragraphe, nous nous focaliserons sur les applications des AOFD dans les systèmes sous-marins futurs, et sur tous les problèmes associés. Après avoir passé en revue les premières réalisations utilisations utilisant les fibres optiques et l’apparition de la notion de réseau, nous décrirons les contraintes de base associées à la conception d’un système sousmarin : excellente qualité de transmission, fiabilité élevée, durée de vie importante et contraintes de maintenance. Les conséquences importantes de phénomènes du « second ordre » (négligeables et négligés sur les systèmes précédents à plus bas débit) sur les liaisons amplifiées transocéaniques seront ensuite abordées. Nous ferons enfin le tour des solutions en cours de développement pour la première génération de systèmes amplifiés, et de celles qui pourraient être utilisées pour de futures générations à plus haut débit ou moins coûteuses [9].

Les systèmes avec régénération à 1300 nm

Les premiers systèmes sous-marins optique utilisaient des régénérateurs optoélectroniques à un débit de 280Mbit/s (multiplexages de deux trains primaires à 140Mbit/ s) fonctionnant dans la plage de longueur d’onde située autour de 1300nm ( à cause des incertitudes à l’époque sur la fiabilité des lasers et sur les pertes par microcourbures de la fibre à 1550nm, et également parce qu’on ne disposait alors de manière industrielle ni de laser vraiment monomodaux fréquentiellement, ni de fibre à dispersion chromatique nulle à 1550nm). Le système offrait ainsi une capacité équivalente à ce qui se faisait de mieux en termes de câbles coaxiaux tout en présentant un coût nettement inférieur, ceci étant dû essentiellement à la fois à des économies sur le câble lui-même (nettement moins volumineux en optique) et à l’augmentation de l’espacement entre répéteurs qui passe de 5km en transmission analogique sur câble coaxial à 50km en transmission numérique sur fibre optique. Qui plus est, puisqu’il est relativement aisé de disposer plusieurs fibres dans un câble, il était également facile de constituer des artères de transmission comportant un tronc commun et des parties terminales distinctes : ce fut la puissance des premières unités de branchement sous-marines et ainsi des premiers véritables réseaux sous-marins avec multiples points d’atterrissement. Le câble transatlantique TAT8 (posé en a989), par exemple, utilisa pleinement ces possibilités en fournissant, sur un câble unique sur la majeure partie du chemin, deux liaisons, entre respectivement les Etats Unis et la France et les Etats Unis et la Grande Bretagne, et également une liaison directe France- Grande Bretagne. Un système à 420Mbit/s (trois fois 140Mbit/s) utilisant le même type de technologie fut également posé sur l’Atlantique suivante, avec des financements privés (PTAT1) [9].