1.1 Contexte
A moins d’un improbable caprice de la fortune, on peut désormais considérer clos le chapitre de mon parcours de chercheur consacré aux systèmes optiques-hyperfréquences. Néanmoins il m’a paru qu’une place lui revenait dans ce mémoire, ne serait-ce que parce qu’il représente une part conséquente de mon expérience du métier d’enseignant-chercheur, dont il constitue le fondement et dont mes activités ultérieures portent inévitablement la trace, mais aussi pour une raison plus affective : parce qu’à mes débuts s’attache le souvenir de bons moments.
Le mariage de l’optique et des hyperfréquences a donné lieu à de multiples développements dont les plus retentissants concernent incontestablement le domaine des télécom-munications [See 02]. En effet, depuis le milieu des années quatre-vingt, les systèmes de transmission numériques par fibre optique [Agra 10] se sont répandus sur la planète, constituant d’abord les liaisons longues distances continentales et sous-marines, puis s’étendant toujours plus avant dans les réseaux de proximité. Il y a à cela deux principales raisons : la fibre optique est un support de transmission présentant une atténuation des signaux extrêmement faible, d’où la possibilité de réaliser de très longues liaisons (allant jusqu’à plusieurs milliers de km) en n’amplifiant que rarement les signaux, et sa bande passante est d’autre part extrêmement grande (elle atteint plusieurs milliers de GHz dans une fibre monomode standard), ce qui permet la transmission de très hauts débits numériques.
C’est à l’Ecole Nationale Supérieure des Télécommunications de Bretagne (ENST Bretagne), au Laboratoire d’Electronique et des Systèmes de Télécommunications (LEST), dans le domaine des systèmes optique-hyperfréquences, dédiés comme il se doit aux télécommunications, que j’ai reçu ma formation à la recherche (1999-2002).
J’ai persévéré dans ce domaine jusqu’en 2006, d’abord dans le cadre d’un emploi d’ATER à l’ESISAR5 (2002-2003), puis, à partir de 2003, dans celui de Maître de conférences à l’ENS Cachan6.
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Au sein du Laboratoire de Conception et d'Intégration des Systèmes (LCIS).
6 Au sein du laboratoire des Systèmes et Applications des Technologies de l’Information et de l’Energie (SATIE).
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Ce sont donc mes travaux datant de la période 1999-2006 que retrace ce chapitre. Compte-tenu des sept années qui se sont écoulées depuis, il serait artificiel de chercher à les situer par rapport à un état de l’art actualisé. Aussi, est-ce essentiellement par rapport à celui de l’époque qu’ils le seront.
1.2 Les systèmes optiques-hyperfréquences pour les
télécommunications
Les systèmes de transmission d’information par fibre optique [Agra 10] reposent sur un principe on ne peut plus classique en télécommunications : la modulation. Mais à la différence d’une transmission radiofréquence, la fréquence porteuse que l’on module est située dans le domaine des ondes optiques, généralement dans une plage de longueur d’onde située autour de 1,55 µm, soit dans l’infrarouge.
Ce qui a permis l’avènement de ces systèmes, ce sont non seulement les propriétés extraordinaires de la fibre optique (faible atténuation et large bande passante) évoquées plus haut, mais également le fait de disposer concomitamment de composants d’émission et de réception capables d’opérer modulation et démodulation aux longueurs d’ondes auxquelles la fibre monomode standard possède ses remarquables propriétés (1,55 µm). Les composants en question étant principalement les lasers, modulateurs et photodiodes, réalisés en matériaux semi-conducteurs (le phosphure d’indium (InP) en étant le composé déterminant, puisque permettant l’émission et la détection aux longueurs d’ondes considérées), à quoi il convient d’ajouter les modulateurs dits de Mach-Zehnder, réalisés en matériaux diélectriques (le composé déterminant étant cette fois le niobate de lithium (LiNbO3), dont les propriétés électro-optiques aux longueurs d’ondes considérées peuvent être exploitées à des fins de modulation).
Les lasers, modulateurs et photodiodes utilisés en télécommunications optiques sont par essence des composants optoélectroniques où peuvent interagir des signaux optiques et hyperfréquences. Soit que l’on applique un signal modulant haute fréquence (par exemple sous forme d’impulsions électriques haut débit) sur un laser (technique de modulation directe) afin de moduler l’intensité optique qu’il génère, et ainsi créer le signal optique porteur d’information numérique devant être transmis dans la fibre ; soit que l’on effectue cette opération au moyen d’un modulateur placé derrière un laser (c’est la technique de modulation externe), utilisé cette fois en tant que source optique de puissance continue. La photodiode recueillant quant à elle la puissance optique sortant de la fibre (laquelle fait office de guide d’onde) et la convertissant en un courant proportionnel en intensité, effectuant ainsi l’opération de démodulation. Le principe d’une transmission numérique par fibre optique est illustré figure 1.1.
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Figure 1.1 - Schéma de principe d’une transmission numérique par fibre optique basée sur la modulation de l’intensité d’une porteuse.
Outre les indispensables éléments optique-hyperfréquences, un système de transmission par fibre optique comporte aussi des éléments exerçant une fonction purement optique, notamment des filtres, multiplexeurs, amplificateurs, placés en aval de l’émetteur, ainsi que des circuits électroniques hyperfréquences, situés en amont de l’émetteur et en aval de la photodiode de réception (amplificateurs, filtres, etc.).
L’agencement de ces divers composants, leur conception, le choix des techniques (notamment de modulation) mises en œuvre, tout cela entre comme élément dans le fonctionnement d’un système de télécommunications optiques.
Au tournant des années 2000 ces systèmes avaient déjà largement fait leurs preuves et étaient commercialisés et répandus dans les réseaux longue distance depuis une quinzaine d’années. L’enjeu les concernant était au développement de techniques favorisant toujours l’accroissement du débit numérique et la diminution des coûts. Parallèlement existait l’enjeu d’un réseau d’accès haut débit, où la fibre optique avait vocation à se déployer toujours plus avant et à se substituer à plus ou moins longue échéance aux lignes téléphoniques et aux réseaux câblés [Eil 98].
Ce qui caractérise mes travaux dans le domaine de l’optique et des hyperfréquences, est la prise en compte systématique des systèmes auxquels devaient servir les composants auxquels je me suis intéressé. Cette spécialité je la dois au fait d’avoir été formé dans un laboratoire (LEST7) dont l’orientation principale allait aux systèmes de transmission hyperfréquence, et qui possédait en la matière non seulement des compétences nombreuses mais aussi des moyens matériels d’importants. Ceci m’a permis de réaliser des expérimentations système que je n’aurais probablement pas pu faire dans un laboratoire spécialisé dans l’optique.