Utiliser la lumière pour communiquer n’est pas un concept entièrement nouveau. Dans la Chine ancienne, l’utilisation de tours de balise pour les avertissements est le meilleur exemple de communication visuelle lumineuse. Les Européens utilisant le sémaphore pour transmettre des informations peuvent également être considérés comme des formes primitives de communication optique.
Le prototype de la communication optique moderne remonte à l'invention du photophone par Bell en 1880. Il a utilisé la lumière du soleil comme source de lumière, focalisant le faisceau lumineux à travers une lentille sur un miroir vibrant devant l'émetteur, faisant varier l'intensité lumineuse avec les changements de voix, obtenant ainsi une modulation vocale de l'intensité lumineuse. À l'extrémité de réception, un réflecteur parabolique réfléchissait le faisceau lumineux transmis à travers l'atmosphère sur une batterie, des cristaux de sélénium servant de dispositif de détection de réception optique, convertissant le signal optique en courant électrique. De cette manière, les signaux vocaux ont été transmis avec succès à travers l’espace atmosphérique. En raison du manque de sources lumineuses et de supports de transmission idéaux à l'époque, ce photophone avait une distance de transmission très courte et aucune valeur d'application pratique, ce qui a entraîné un développement lent. Cependant, le photophone restait une grande invention, car il prouvait la faisabilité d’utiliser les ondes lumineuses comme supports pour transmettre des informations. Par conséquent, le photophone de Bell peut être considéré comme le prototype de la communication optique moderne.
L'invention des lampes a permis aux gens de construire des systèmes de communication optiques simples, en les utilisant comme sources de lumière, comme la communication entre navires et entre navires et terre, les clignotants automobiles, les feux de signalisation, etc. En fait, tout type de voyant lumineux est un système de communication optique de base. Dans de nombreux cas, des diodes électroluminescentes à large -lumière fluorescente-peuvent être utilisées comme sources lumineuses. En 1960, l'Américain Maiman a inventé le premier laser à rubis, qui a en quelque sorte résolu le problème de la source lumineuse et a apporté un nouvel espoir à la communication optique. Comparés à la lumière ordinaire, les lasers présentent d'excellentes caractéristiques telles qu'une largeur spectrale étroite, une directionnalité extrêmement bonne, une luminosité extrêmement élevée et une fréquence et une phase relativement constantes. Les lasers sont une lumière hautement cohérente, avec des caractéristiques similaires aux ondes radio, ce qui en fait des supports optiques idéaux. Après le laser à rubis, les lasers à hélium-néon (He-Ne) et les lasers à dioxyde de carbone (CO₂) sont apparus successivement et ont été mis en pratique. L’invention et l’application des lasers ont amené la communication optique, en sommeil depuis 80 ans, à une toute nouvelle étape.
L'invention des lasers à semi-conducteurs-a considérablement augmenté la puissance optique transmise et étendu la distance de transmission, permettant ainsi d'utiliser la communication laser atmosphérique à travers les berges des rivières, entre les îles et dans certaines situations spécifiques. Cependant, la stabilité et la fiabilité de la communication laser atmosphérique restaient toujours en suspens. Utiliser des ondes lumineuses transportant des informations pour établir une communication point à point-à-par propagation atmosphérique est réalisable, mais la capacité et la qualité de la communication sont gravement affectées par le climat. En raison de l'absorption et de la diffusion par la pluie, le brouillard, la neige et la poussière atmosphérique, l'atténuation de l'énergie des ondes lumineuses est importante ; de plus, la non-uniformité de la densité atmosphérique et de la température provoque des changements dans l'indice de réfraction, entraînant des changements de position du faisceau. Par conséquent, la distance et la stabilité de la communication laser atmosphérique sont grandement limitées, incapables d'atteindre une communication « tous les temps ».
1970 a été une année brillante dans l’histoire de la communication par fibre optique. La société Corning aux États-Unis a développé avec succès une fibre optique à quartz avec une perte de 20 dB/km, permettant aux communications par fibre optique de rivaliser avec les communications par câble coaxial, révélant ainsi les brillantes perspectives de la communication par fibre optique et incitant les pays du monde entier à investir successivement des ressources humaines et matérielles substantielles, poussant la recherche et le développement de la communication par fibre optique à une nouvelle étape. En 1972, Corning Company a développé une fibre optique multimode à quartz de haute pureté, réduisant la perte à 4 dB/km. En 1973, les laboratoires Bell aux États-Unis ont obtenu des résultats encore meilleurs, réduisant la perte de fibre optique à 2,5 dB/km, puis la réduisant encore à 1,1 dB/km en 1974. En 1976, des sociétés japonaises, dont Nippon Telegraph and Telephone (NTT), ont réduit la perte de fibre optique à 0,47 dB/km (à une longueur d'onde de 1,2 μm).
En 1970, des progrès substantiels ont également été réalisés dans le domaine des sources lumineuses pour les communications par fibre optique. Cette année-là, les laboratoires Bell aux États-Unis, la Nippon Electric Company (NEC) au Japon et l'ex-Union soviétique ont successivement surmonté les limites des lasers à semi-conducteurs fonctionnant à basse température (-200 degrés) ou dans des conditions d'excitation pulsée, en développant avec succès des lasers à semi-conducteurs à double hétérostructure (à ondes courtes) à base d'arséniure d'aluminium et de gallium (GaAlAs) qui pouvaient osciller en continu à température ambiante, jetant ainsi les bases du développement de lasers à semi-conducteurs. En 1973, la durée de vie des lasers à semi-conducteurs atteignait 7×10³h. En 1977, les lasers à semi-conducteurs développés par les Laboratoires Bell atteignaient une durée de vie de 100 000 h (environ 11,4 ans), avec une durée de vie extrapolée de 1 million d'heures, répondant pleinement aux exigences pratiques. En 1976, la Nippon Telegraph and Telephone Company a développé avec succès des lasers au phosphure d'arséniure d'indium et de gallium (InGaAsP) émettant à une longueur d'onde de 1,3 μm. En 1979, la société AT&T aux États-Unis et la Nippon Telegraph and Telephone Company au Japon ont développé avec succès des lasers à semi-conducteurs à oscillation continue émettant à une longueur d'onde de 1,55 μm.
En 1976, les États-Unis ont mené des essais sur le terrain du premier système de communication par fibre optique pratique au monde à Atlanta. Le système utilisait des lasers GaAlAs comme sources lumineuses et une fibre optique multimode comme support de transmission, avec un débit de 44,7 Mbit/s et une distance de transmission d'environ 10 km. En 1980, le système de communication standardisé par fibre optique FT-3 aux États-Unis a été mis en service commercial. Le système utilisait une fibre optique multimode à indice progressif avec un débit de 44,7 Mbit/s. Par la suite, les États-Unis ont rapidement posé des lignes principales est-ouest et nord-sud, traversant 22 États, avec une longueur totale de câble optique de 5×10⁴km. En 1976 et 1978, le Japon a successivement mené des essais de systèmes de communication à fibre optique multimode à indice progressif avec un débit de 34 Mbit/s et une distance de transmission de 64 km, ainsi que des systèmes de communication à fibre optique multimode à indice progressif avec un débit de 100 Mbit/s. En 1983, le Japon a posé une ligne principale de câble optique longue distance traversant le pays du nord au sud, d'une longueur totale de 3 400 km, avec un débit de transmission initial de 400 Mbit/s, étendu ensuite à 1,6 Gbit/s. Par la suite, le système de communication par câble optique sous-marin TAT-8 à travers l'océan Atlantique, initié par les États-Unis, le Japon, le Royaume-Uni et la France, a été achevé en 1988, avec une longueur totale de 6,4×10³km ; le premier système de communication par câble optique sous-marin TPC-3/HAW-4 à travers l'océan Pacifique a été achevé en 1989, avec une longueur totale de 1,32×10⁵km. Depuis, la construction de systèmes de communication par câbles optiques sous-marins s’est pleinement développée, favorisant le développement des réseaux de communication mondiaux.
Depuis que Kao a proposé le concept de fibre optique comme support de transmission en 1966, la communication par fibre optique s'est développée très rapidement, de la recherche à l'application, avec des mises à jour et des générations technologiques continues, une amélioration continue des capacités de communication (taux de transmission et distance du répéteur) et un champ d'application en constante expansion. Le développement de la communication optique peut être grossièrement divisé en cinq étapes :
La première étape : c’était la période allant de la recherche fondamentale au développement d’applications commerciales. À partir de 1976, suivant de près les étapes de recherche et de développement, après de nombreux essais sur le terrain, en 1978, le système d'ondes optiques de première génération fonctionnant à une longueur d'onde de 0,8 μm a été officiellement mis en service commercial, réalisant des systèmes de communication à fibre optique multimode à courte longueur d'onde (0,85 μm) et à faible débit (45 Mbit/s ou 34 Mbit/s). Une fibre optique avec une perte de 2 dB/km a émergé, avec une distance de transmission sans -répéteur d'environ 10 km et une capacité de communication maximale d'environ 500 Mbit/(s·km). Par rapport aux systèmes de câbles coaxiaux, la communication par fibre optique a étendu les distances de répéteur, réduit les coûts d'investissement et de maintenance, répondant aux objectifs d'ingénierie et d'exploitation commerciale, et la communication par fibre optique est devenue une réalité.
La deuxième étape : il s'agissait d'une période pratique dont les objectifs de recherche étaient d'améliorer les taux de transmission et d'augmenter les distances de transmission, ainsi que de promouvoir vigoureusement les applications. Au cours de cette période, la fibre optique est passée du multimode au monomode-, les longueurs d'onde de travail se sont développées des longueurs d'onde courtes (0,85 μm) aux longues longueurs d'onde (1,31 μm et 1,55 μm), permettant une communication par fibre optique monomode-avec une longueur d'onde de travail de 1,31 μm et des taux de transmission de 140 565 Mbit/s. La perte de fibre optique a encore été réduite à des niveaux de 0,5 dB/km (1,31 μm) et 0,2 dB/km (1,55 μm), avec des distances de transmission sans -répéteur de 50 100 km.
La troisième étape : c'était une période avec des objectifs d'ultra-capacité et d'ultra-longue distance, en menant des recherches complètes et approfondies sur les nouvelles technologies. Au cours de cette période, une communication par fibre optique monomode à dispersion de 1,55 μm-décalée-a été réalisée. Ce système de communication par fibre optique utilisait une technologie de modulation externe, avec des taux de transmission atteignant 2,510 Gbit/s et des distances de transmission sans -répéteur atteignant 100 150 km. Les laboratoires pourraient atteindre des niveaux encore plus élevés.
La quatrième étape : les systèmes de communication par fibre optique ont été caractérisés par l'utilisation d'amplificateurs optiques pour augmenter les distances des répéteurs et par l'utilisation de la technologie de multiplexage par répartition en longueur d'onde pour augmenter les débits binaires et les distances des répéteurs. Parce que ces systèmes utilisaient parfois des schémas homodyne ou hétérodyne, ils étaient également appelés systèmes de communication par ondes optiques cohérentes. À ce stade, dans les systèmes de communication par fibre optique, la perte de la fibre optique était compensée par des amplificateurs à fibre optique (EDFA), et après compensation, la transmission sur des milliers de kilomètres était possible. Dans une expérience, un coupleur en étoile a été utilisé pour obtenir un multiplexage de données à 100 -canaux à 622 Gbit/s sur une distance de transmission de 50 km, avec une diaphonie inter-canaux négligeable ; dans une autre expérience, avec un débit monocanal de 2,5 Gbit/s, sans utiliser de régénérateurs, la perte de fibre optique a été compensée par EDFA, avec un espacement des amplificateurs de 80 km et une distance de transmission de 2 223 km. L'utilisation d'une technologie de détection cohérente dans les systèmes à ondes optiques n'était pas une condition préalable à l'utilisation de l'EDFA. Certains laboratoires avaient utilisé des boucles de circulation pour atteindre une transmission de données de 2,4 Gbit/s, 2,1×10⁴km et 5Gbit/s, 1,4×10⁴km. L’avènement des amplificateurs à fibre optique a provoqué des changements majeurs dans le domaine de la communication par fibre optique.
Cinquième étape : les systèmes de communication par fibre optique étaient basés sur une compression non linéaire pour compenser l'élargissement de la dispersion de la fibre optique, permettant ainsi une transmission conforme des signaux d'impulsion, ce que l'on appelle la communication par soliton optique. Cette étape a duré plus de 20 ans et a permis de réaliser des progrès décisifs. Bien que cette idée de base ait été proposée en 1973, ce n'est qu'en 1988 que les laboratoires Bell ont utilisé la compensation des pertes par diffusion Raman stimulée pour la perte de fibre optique, transmettant des données sur 4 × 10³ km, et l'année suivante ont étendu la distance de transmission à 6 × 10³ km. L'EDFA a commencé à être utilisé pour l'amplification optique des solitons en 1989. Il présentait de plus grands avantages dans la pratique de l'ingénierie, et depuis lors, certains laboratoires internationaux célèbres ont commencé à vérifier l'énorme potentiel de la communication optique des solitons en tant que communication longue distance à grande vitesse-. De 1990 à 1992, des laboratoires aux États-Unis et au Royaume-Uni ont utilisé des boucles de circulation pour transmettre des données à 2,5 Gbit/s et 5 Gbit/s sur plus de 1×10⁴km ; Les laboratoires japonais ont transmis des données à 10 Gbit/s sur 1×10⁶km. En 1995, les laboratoires français transmettaient des données à 20 Gbit/s sur 1×10⁶km, avec une distance répéteur de 140km. En 1995, des laboratoires britanniques transmettaient des données à 20 Gbit/s sur 8 100 km et à 40 Gbit/s sur 5 000 km. Des essais sur le terrain de systèmes de solitons optiques linéaires ont également été menés dans les réseaux de la zone métropolitaine autour de Tokyo, au Japon, transmettant des données à 10 Gbit/s et 20 Gbit/s sur 2,5 × 10³ km et 1 × 10³ km respectivement. En 1994 et 1995, des données à haut débit de 80 Gbit/s et 160 Gbit/s ont également été transmises sur 500 km et 200 km respectivement.
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