Une fois par mois environ, j’ai le privilège de m’asseoir avec le rédacteur en chef Elliot Williams pour enregistrer le podcast Hackaday. C’est très amusant de passer quelques heures ensemble, et nous partons invariablement sur des tangentes ridicules sans aucune chance de faire le montage final, sauf peut-être comme fourrage pour l’intro et l’outro. C’est beaucoup de travail, surtout pour Elliot, qui doit éditer les enregistrements bruts, mais c’est aussi très amusant.
Bien sûr, on fait le tout virtuellement, et on a un petit rituel qu’on fait au début : le clapping. À tour de rôle, nous frappons nos mains dans nos microphones trois fois, la personne à l’autre bout de la ligne faisant son propre claquement synchronisé avec le claquement final. Cela donne à Elliot une idée du décalage sur la ligne, ce qui lui permet de synchroniser les deux enregistrements. Avec lui en Allemagne et moi en Idaho, le décalage est assez perceptible, au moins une seconde ou deux.
Chaque fois que nous effectuons ce rituel, je ne peux m’empêcher de m’interroger sur tout l’équipement qui le rend possible, y compris les câbles à fibres optiques qui passent sous l’océan Atlantique. Les câbles de communication sous-marins relient le monde, transportant plus de 99 % du trafic Internet transcontinental. Ils regorgent d’ingénierie fascinante, mais pour mon argent, les répéteurs optiques en ligne qui amplifient les signaux en cours de route sont les éléments les plus intéressants, même si – ou peut-être surtout parce qu’ils sont cachés au fond de la mer.
Mieux que coaxial
La plus grande partie de la longue histoire des communications transocéaniques a été dominée par un seul matériau : le cuivre. Depuis les premiers câbles télégraphiques jusqu’aux câbles coaxiaux transportant des milliers de signaux téléphoniques et de télévision multiplexés, les conducteurs en cuivre ont fait l’essentiel du travail pendant presque tout le XXe siècle. Cela a commencé à changer en 1988 avec la pose du premier câble téléphonique transatlantique à fibre optique, TAT-8. Avec une capacité de 40 000 appels téléphoniques simultanés sur seulement deux paires de fibres de verre monomodes (avec une paire en réserve), le TAT-8 a battu les câbles coaxiaux transatlantiques les plus avancés d’un facteur dix.
Comme les câbles coaxiaux, les câbles optiques nécessitent une amplification périodique du signal, en particulier sur la longueur d’environ 7 000 km de TAT-8. Les répéteurs étaient espacés tous les 50 km environ le long du câble, logés dans de longs boîtiers à pression nominale qui créaient des renflements dans le câble mince, mais étaient toujours compatibles avec l’équipement de pose de câbles. Ces répéteurs fonctionnaient en recevant les signaux optiques affaiblis avec des photodiodes, en démodulant le signal avant de le faire passer par des amplificateurs à semi-conducteurs et en le reconvertissant en lumière à l’aide de diodes laser. L’alimentation des répéteurs était appliquée à un conducteur en cuivre à l’intérieur de l’ensemble de câbles optiques par l’équipement de la station d’atterrissage.
TAT-8 a été un succès fantastique, au point que la demande a dépassé la capacité dans les dix-huit mois suivant sa mise en service. Il a été mis hors service en 2002, en partie parce que dans les années qui ont suivi, des câbles optiques d’une capacité beaucoup plus importante avaient été posés, rendant le TAT-8 obsolète. Il y avait aussi la question des répéteurs régénératifs; comme ils devaient démoduler et remoduler les signaux, cela limitait les modifications que les opérateurs pouvaient apporter à l’équipement de tête de pont dans les paliers. Sans la possibilité de mettre à niveau cet équipement, le câble était voué à l’échec.
Se faire pomper
Mais dès 1985, des progrès dans les amplificateurs optiques ont été réalisés qui finiraient par se retrouver dans les câbles sous-marins. C’est alors qu’un étudiant diplômé en physique nommé Robert Mears a fait des expériences avec des fibres de verre dopées à l’erbium et a montré qu’elles pouvaient agir comme des amplificateurs purement optiques à faible bruit dans les longueurs d’onde généralement utilisées pour les communications. Moins de dix ans après le premier article sur le sujet, les amplificateurs à fibre dopée à l’erbium (EDFA) se glissaient dans l’Atlantique sur le câble TAT-12/13.
Comme de nombreux appareils que nous utilisons tous les jours et que nous avons tendance à tenir pour acquis, les EDFA exploitent les principes de la physique quantique tout en étant étonnamment simples. Les EDFA s’appuient sur les propriétés fluorescentes des oxydes de l’élément de terre rare erbium pour réaliser l’amplification. Lorsqu’une petite quantité d’oxyde d’erbium (III) est ajoutée au cœur d’une fibre de silice, les électrons des ions erbium peuvent être excités à partir de leur état fondamental (L1) en les frappant avec une lumière laser à une longueur d’onde de pompage spécifique. Le laser de pompage peut être soit à 980 nm, ce qui excite les électrons d’erbium à l’état L3, soit à 1 480 nm, ce qui les excite à l’état L2. Les EDFA pratiques ont tendance à utiliser à la fois des lasers de pompage à 980 et 1 480 nm.
L’excitation par le laser de pompage laisse la fibre dopée à l’erbium avec une inversion de population, qui est un état où plus d’atomes sont à l’état excité qu’à l’état fondamental. Cela crée un milieu prêt à être perturbé, en particulier par le passage d’un photon à une longueur d’onde spécifique. Pour les ions erbium excités, cela représente environ 1 550 nm, ce qui correspond justement à la longueur d’onde des lasers infrarouges utilisés pour envoyer des signaux dans un câble optique. Lorsque des photons de 1 550 nm frappent les ions erbium excités, cela les incite à revenir à leur état fondamental, libérant un photon de la même longueur d’onde dans le processus. Chaque relaxation libère un photon, dont chacun a la même longueur d’onde et la même phase que le photon incident et se déplace dans la même direction, ce qui entraîne une amplification massive du signal entrant à 1 550 nm.
En théorie, les EDFA sont extrêmement simples – juste une boucle de fibre dopée de 10 à 20 mètres de long, une diode laser pour le pompage et les composants optiques nécessaires pour relier la boucle d’amplification à la fibre entrante et sortante et multiplexer les deux ensemble. Les seuls composants électroniques nécessaires sont ceux qui pilotent la diode de pompage, ainsi que les circuits nécessaires pour surveiller la santé de l’amplificateur et le contrôler à distance.
Les EDFA du monde réel sont un peu plus complexes, ayant tendance à avoir une foule d’autres composants optiques, comme des isolateurs sur les fibres d’entrée et de sortie qui empêchent les réflexions indésirables de fuir du côté de la sortie. Même avec ces élaborations, cependant, les EDFA sont suffisamment simples pour être fabriqués sous forme de modules compacts qui peuvent être installés dans des boîtiers à montage en rack – au moins pour les amplificateurs pour câbles à fibres optiques terrestres.
Prendre un bain
Les choses changent sensiblement pour l’équipement « humide » des câbles sous-marins, qui comme son nom l’indique est tout ce qui coule sous l’océan. Non seulement chaque répéteur doit serrer plusieurs EDFA – un pour chaque fibre du câble – dans un boîtier suffisamment compact pour être manipulé par l’équipement de pose de câbles, mais il doit également être capable de résister aux rigueurs d’un fonctionnement dans l’un des plus milieux hostiles de la planète. Et puis il y a la question de fournir de l’énergie aux lasers de pompage et à l’électronique de supervision sur des distances énormes, une tâche non triviale en soi. Ajoutez à cela une durée de vie de conception de 25 ans – bien qu’il ne soit pas impossible de récupérer et de réparer un répéteur défectueux, ce n’est ni bon marché ni pratique – et beaucoup d’ingénierie est investie dans ces appareils.
En fonction des besoins du propriétaire du câble et de l’itinéraire sur lequel le câble sera posé, les répéteurs peuvent potentiellement se trouver jusqu’à 8 000 mètres sous la surface. La pression à cette profondeur est d’environ 78 MPa, soit plus de 11 000 psi, à laquelle doit résister le boîtier du répéteur lui-même et chaque joint et joint entre le boîtier et le câble lui-même. Les boîtiers sont généralement constitués de titane ou d’un alliage de cuivre au béryllium tel que le C17200, qui est presque aussi solide et aussi dur que l’acier, mais présente une excellente résistance aux effets corrosifs de l’eau de mer. Il possède également une excellente conductivité électrique et thermique, cette dernière étant extrêmement importante lorsqu’il s’agit de dissiper l’excès de chaleur généré par les lasers de pompage.
Les répéteurs sous-marins sont alimentés par une gaine en cuivre dédiée enroulée autour des fibres de verre au centre du câble, avec un chemin de retour à travers l’eau de mer entourant le câble. L’équipement de distribution d’énergie à l’atterrissage du câble injecte une haute tension continue sur ce conducteur, chaque répéteur étant connecté en série. La puissance est considérable, généralement de l’ordre de 10 à 15 kilovolts et entre 1 et 2 ampères. La chute de tension au niveau de chaque répéteur dépend du nombre de paires de fibres qu’il dessert, mais se situe généralement entre 30 et 70 volts.
Avec les répéteurs sous-marins, la redondance est le nom du jeu. Les composants individuels sont, bien sûr, sélectionnés pour leur grande fiabilité. Mais finalement, quelque chose échouera, il est donc essentiel d’avoir une sauvegarde disponible instantanément. Ceci est plus évident avec la disposition des diodes de pompage, qui sont évidemment les composants les plus susceptibles de s’user. Les premiers EDFA sous-marins utilisaient un schéma de redondance « 2 × 2 », dans lequel chaque module d’amplificateur desservant une paire de fibres d’émission et de réception avait deux lasers de pompe qui partageaient un circuit de commande commun. Cela a fourni au moins une sauvegarde; en cas de défaillance d’un laser de pompe, les câblo-opérateurs pouvaient basculer sur la pompe de secours. Un meilleur schéma est la redondance « 4 × 2″, où chaque paire d’amplificateurs partage quatre lasers de pompe reliés entre eux par un coupleur optique. Puisqu’une seule pompe peut faire fonctionner à la fois les fibres de transmission et de réception, un amplificateur peut toujours fonctionner si trois des pompes tombent en panne. Mieux encore, le « pompage agricole », dans lequel jusqu’à 16 pompes sont disponibles pour acheminer jusqu’à 16 paires de fibres via un réseau de commutation de fibres optiques complexe. L’agriculture de pompage offre une énorme redondance ainsi que la flexibilité de reconfigurer le câble à la volée.
Pas pour tout le monde
Car aussi omniprésents que soient devenus les amplificateurs EDFA sur les routes sous-marines longue distance, ils ne font pas leur apparition sur tous les câbles. Certains trajets de câble sont suffisamment courts pour que la ligne puisse être complètement sans répéteur, avec des avantages évidents pour le propriétaire et l’opérateur en termes de coûts initiaux et permanents. D’autres itinéraires régionaux qui sont un peu trop longs pour une conception véritablement sans répéteur peuvent tirer parti de ROPA, ou d’amplificateurs à pompage optique à distance. Ce sont essentiellement les mêmes que les EDFA, à l’exception des lasers de pompage installés dans le cadre de l’équipement de « centrale sèche » aux points d’atterrissage des câbles, et transmis aux répéteurs ROPA le long d’une fibre optique dédiée. Cela élimine le besoin d’un conducteur d’alimentation dans le câble ainsi que l’équipement de distribution d’alimentation, et rend les répéteurs plus simples et plus compacts.
Une autre avancée dans les amplificateurs optiques sous-marins est l’amplificateur Raman, qui utilise la diffusion Raman stimulée pour amplifier le signal. Les photons de signal entrants à une fréquence entrent en collision avec des photons de pompe à une fréquence légèrement plus élevée dans un milieu optique non linéaire, qui peut être soit une boucle séparée de fibre optique, soit la fibre porteuse de signal elle-même. La collision inélastique transfère une partie de l’énergie des photons de pompe aux photons de signal, ce qui entraîne une amplification. Les amplificateurs Raman nécessitent une puissance plus élevée pour les lasers de pompe – environ 500 mW ou plus de puissance optique – mais l’avantage est que l’amplification peut être répartie sur la longueur de la fibre de transmission, ce qui nécessite moins de répéteurs. Les amplificateurs Raman pour les applications sous-marines sont relativement nouveaux et ne s’appliquent pas à tous les câbles – ils ne peuvent généralement pas être utilisés sur les câbles transpacifiques en raison des exigences de puissance électrique plus élevées – mais ils font des percées dans les câbles transatlantiques et régionaux.
