Transmission optique
La communication optique utilise un faisceau de lumière monochromatique modulée pour transporter les informations de l'émetteur au récepteur. Le spectre lumineux s'étend sur une gamme énorme dans le spectre électromagnétique, s'étendant de la région de 10 térahertz (10 4 gigahertz) à 1 million de térahertz (10 9gigahertz). Cette gamme de fréquences couvre essentiellement le spectre de l'infrarouge lointain (longueur d'onde de 0,3 mm) à travers toute la lumière visible jusqu'au proche ultraviolet (longueur d'onde de 0,0003 micromètre). Se propageant à des fréquences aussi élevées, les longueurs d'onde optiques sont naturellement adaptées aux télécommunications à haut débit. Par exemple, la modulation d'amplitude d'une porteuse optique à la fréquence proche infrarouge de 300 térahertz d'aussi peu que 1% donne une largeur de bande de transmission qui dépasse la plus grande largeur de bande de câble coaxial disponible d'un facteur de 1000 ou plus.
L'exploitation pratique des supports optiques pour les télécommunications à grande vitesse sur de grandes distances nécessite un faisceau lumineux puissant qui est presque monochromatique, sa puissance étant étroitement concentrée autour d'une longueur d'onde optique souhaitée. Un tel support n'aurait pas été possible sans l'invention du laser à rubis, démontré pour la première fois en 1960, qui produit une lumière intense avec une largeur de raie spectrale très étroite par le processus d'émission stimulée cohérente. Aujourd'hui, les diodes laser à injection de semi-conducteurs sont utilisées pour les communications optiques à grande vitesse et à longue distance.
Il existe deux types de canaux optiques: le canal à espace libre non guidé, où la lumière se propage librement à travers l'atmosphère, et le canal à fibre optique guidé, où la lumière se propage à travers un guide d'onde optique.
Le canal en espace libre
Les mécanismes de perte dans un canal optique en espace libre sont pratiquement identiques à ceux d'un canal radio à micro-ondes en visibilité directe. Les signaux sont dégradés par la divergence du faisceau, l'absorption atmosphérique et la diffusion atmosphérique. La divergence du faisceau peut être minimisée en collimant (en parallèle) la lumière transmise en un faisceau étroit cohérent en utilisant une source de lumière laser pour un émetteur. Les pertes par absorption atmosphérique peuvent être minimisées en choisissant des longueurs d'onde de transmission situées dans l'une des «fenêtres» à faibles pertes dans la région infrarouge, visible ou ultraviolette. L'atmosphère impose des pertes d'absorption élevées à mesure que la longueur d'onde optique s'approche des longueurs d'onde de résonance des constituants gazeux tels que l'oxygène (O 2), la vapeur d'eau (H 2 O), le dioxyde de carbone (CO 2) et l'ozone (O 3). Par temps clair, l'atténuation de la lumière visible peut être d'un décibel par kilomètre ou moins, mais des pertes de diffusion importantes peuvent être causées par toute variabilité des conditions atmosphériques, telles que la brume, le brouillard, la pluie ou la poussière en suspension dans l'air.
La haute sensibilité des signaux optiques aux conditions atmosphériques a entravé le développement de liaisons optiques en espace libre pour les environnements extérieurs. Un exemple simple et familier d'un émetteur optique d'espace libre intérieur est la télécommande infrarouge portative pour la télévision et les systèmes audio haute fidélité. Les systèmes optiques en espace libre sont également assez courants dans les applications de mesure et de télédétection, telles que la télémétrie optique et la détermination de la vitesse, le contrôle de la qualité industrielle et le radar d'altimétrie laser (connu sous le nom de LIDAR).
Canaux à fibre optique
Contrairement à la transmission par fil, dans laquelle un courant électrique traverse un conducteur en cuivre, en transmission par fibre optique, un champ électromagnétique (optique) se propage à travers une fibre constituée d'un diélectrique non conducteur. En raison de sa bande passante élevée, de sa faible atténuation, de son immunité aux interférences, de son faible coût et de sa légèreté, la fibre optique devient le support de choix pour les liaisons de télécommunications numériques fixes à haut débit. Les câbles à fibres optiques supplantent les câbles à fils de cuivre dans les applications à longue distance, comme les lignes d'alimentation et de ligne de réseau des boucles téléphoniques et de télévision par câble, et dans les applications à courte distance, comme les réseaux locaux (LAN) pour les ordinateurs et la distribution à domicile de téléphones, télévision et services de données. Par exemple, le câble optique standard Bellcore OC-48, utilisé pour le partage des données numérisées, des signaux vocaux et vidéo, fonctionne à un taux de transmission allant jusqu'à 2,4 gigabits (2,4 milliards de chiffres binaires) par seconde par fibre. C'est un débit suffisant pour transmettre le texte dans tous les volumes de l'Encyclopædia imprimé (2 gigabits de données binaires) en moins d'une seconde.
Une liaison de communication à fibres optiques comprend les éléments suivants: un émetteur électro-optique, qui convertit les informations analogiques ou numériques en un faisceau de lumière modulé; une fibre porteuse de lumière, qui s'étend sur le chemin de transmission; et un récepteur optoélectronique, qui convertit la lumière détectée en un courant électrique. Pour les liaisons longue distance (supérieures à 30 km ou 20 miles), des répéteurs régénératifs sont généralement nécessaires pour compenser l'atténuation de la puissance du signal. Dans le passé, des répéteurs hybrides optiques-électroniques étaient couramment utilisés; ceux-ci comprenaient un récepteur optoélectronique, un traitement électronique du signal et un émetteur électro-optique pour régénérer le signal. Aujourd'hui, les amplificateurs optiques dopés à l'erbium sont utilisés comme répéteurs tout optiques efficaces.
Émetteurs électro-optiques
L'efficacité d'un émetteur électro-optique est déterminée par de nombreux facteurs, mais les plus importants sont les suivants: largeur de raie spectrale, qui est la largeur du spectre de la porteuse et est nulle pour une source lumineuse monochromatique idéale; la perte d'insertion, qui est la quantité d'énergie transmise qui ne se couple pas dans la fibre; durée de vie de l'émetteur; et le débit binaire de fonctionnement maximal.
Deux types d'émetteurs électro-optiques sont couramment utilisés dans les liaisons à fibres optiques: la diode électroluminescente (LED) et le laser à semi-conducteur. La LED est une source lumineuse à large bande utilisée pour les liaisons à vitesse moyenne et à courte portée dans lesquelles la dispersion du faisceau lumineux sur la distance n'est pas un problème majeur. La LED est moins coûteuse et a une durée de vie plus longue que le laser à semi-conducteur. Cependant, le laser à semi-conducteur couple sa sortie de lumière à la fibre optique beaucoup plus efficacement que la LED, ce qui le rend plus approprié pour des portées plus longues, et il a également un temps de montée plus rapide, permettant des taux de transmission de données plus élevés. Des diodes laser sont disponibles qui fonctionnent à des longueurs d'onde à proximité de 0,85, 1,3 et 1,5 micromètre et ont des largeurs de raie spectrale inférieures à 0,003 micromètre. Ils sont capables de transmettre à plus de 10 gigabits par seconde. Il existe des LED capables de fonctionner sur une plus large gamme de longueurs d'onde porteuses, mais elles présentent généralement des pertes d'insertion et des largeurs de ligne supérieures à 0,035 micromètre.
Récepteurs optoélectroniques
Les deux types de récepteurs optoélectroniques les plus courants pour les liaisons optiques sont la photodiode positive-intrinsèque-négative (PIN) et la photodiode à avalanche (APD). Ces récepteurs optiques extraient le signal en bande de base d'un signal porteur optique modulé en convertissant la puissance optique incidente en courant électrique. La photodiode PIN a un gain faible mais une réponse très rapide; l'APD a un gain élevé mais une réponse plus lente.
