Les télécommunications ont remodelé de nombreux aspects de nos vies au cours des dernières décennies en offrant des moyens incroyablement pratiques de partager et d’accéder à l’information. L’un des catalyseurs les plus importants de cette transformation a été l’adoption et l’amélioration des technologies à large bande, qui stockent d’énormes quantités de données sur de larges bandes de fréquences pour atteindre des vitesses de transfert sans précédent. Aujourd’hui, la plupart des grandes villes disposent de réseaux basés sur la fibre optique qui distribuent l’Internet haut débit directement dans chaque foyer.
Malheureusement, il n’est pas toujours possible de déployer des liaisons par fibre optique dans des endroits éloignés et des zones rurales, en raison des coûts associés et des travaux de génie civil nécessaires. De tels endroits pourraient bénéficier d’une approche différente des communications optiques à large bande : l’optique en espace libre. L’idée principale des communications optiques en espace libre (FSO) est de mettre en place des paires émetteur-récepteur alignées là où cela est nécessaire et d’utiliser l’air comme moyen de transport des signaux.
Bien qu’il reste encore de nombreux défis à relever dans les systèmes FSO (tels que la faible efficacité énergétique, l’impact des conditions météorologiques et le bruit de fond élevé), les scientifiques du monde entier essaient en permanence de nouvelles façons de résoudre ces problèmes et d’atteindre des débits de données plus élevés.
Dans ce contexte, une équipe de recherche de l’Institut Polytechnique de Paris, en collaboration avec des chercheurs de l’École Normale Supérieure en France, a récemment réalisé des progrès substantiels dans les communications FSO à l’aide de dispositifs optoélectroniques quantiques unipolaires (UQO).
Comme rapporté dans Photonique avancée, l’équipe a réussi à créer des liaisons FSO longue portée en utilisant un modulateur externe basé sur l’effet Stark associé à deux types de détecteurs UQO dans le récepteur. Ils ont atteint des débits de données sans précédent avec ce type de technologie, mettant en valeur leur potentiel inexploité.
L’émetteur et les deux détecteurs que les chercheurs ont utilisés dans leur système fonctionnent dans le domaine de l’infrarouge moyen, c’est-à-dire en utilisant des longueurs d’onde comprises entre 8 et 12 µm. Dans cette gamme de fréquences, le signal subit une très faible absorption, diffusion et distorsion lors de sa propagation dans l’atmosphère. Le côté émetteur utilisait un laser à cascade quantique commercial fonctionnant à température ambiante combiné à un nouveau modulateur externe.
Le côté détecteur (qui devrait correctement détecter et interpréter les petits signaux bruyants) utilisait soit un détecteur à cascade quantique (QCD) soit un photodétecteur infrarouge à puits quantique (QWIP). Ce dernier est plus complexe et fonctionne généralement mieux mais doit être refroidi à l’azote, tandis que le QCD peut être laissé non refroidi et utilisé à température ambiante. En d’autres termes, il existe un compromis entre les performances, la complexité et le coût des deux détecteurs UQO.
Tout d’abord, l’équipe a évalué le débit de données maximal de leur liaison FSO en « configuration dos à dos », ce qui signifie envoyer directement la sortie de l’émetteur à l’entrée du détecteur. Ensuite, ils ont introduit une cellule Herriott commerciale entre les deux. Ce dispositif hermétique contient des miroirs soigneusement conçus pour faire rebondir un signal optique d’entrée plusieurs fois avant qu’il ne sorte, simulant ainsi une distance plus longue à parcourir par le signal. Dans ce cas, la longueur effective du trajet lumineux était de 31 m.
Pour améliorer les performances de leur système de communication en termes de vitesse et de résistance aux erreurs, les chercheurs ont utilisé plusieurs techniques indépendantes, à savoir la mise en forme d’impulsions du signal transmis combinée à certaines méthodes de pré- et post-traitement.
« Nous avons atteint un débit binaire record de 30 Gbit/s pour les schémas de modulation à 2 niveaux (OOK) et à 4 niveaux (PAM-4) dans une liaison de propagation de 31 mètres », remarque l’auteur correspondant Pierre Didier, Ph. RÉ. étudiant dans le groupe du professeur Frédéric Grillot à Télécom Paris, « De plus, les taux d’erreur binaire observés étaient compatibles avec les algorithmes de correction d’erreurs établis qui peuvent être implémentés côté récepteur », ajoute-t-il.
Il convient de noter que c’est la première fois qu’un système de transmission FSO atteint des débits de données élevés dans le domaine de longueur d’onde de 8 à 12 µm à une si longue distance. Ainsi, ce travail marque une étape clé vers la réalisation de liaisons de télécommunication FSO à haut débit qui résistent aux conditions météorologiques en adoptant des dispositifs UQO. De nouveaux développements dans l’intégration des appareils UQO, ainsi que des améliorations dans l’optique et l’électronique de support, peuvent aider à apporter l’Internet haut débit dans des endroits difficiles.
Plus d’information:
Pierre Didier et al, Liaison optique en espace libre de grande capacité dans les fenêtres atmosphériques thermiques de l’infrarouge moyen utilisant des dispositifs quantiques unipolaires, Photonique avancée (2022). DOI : 10.1117/1.AP.4.5.056004