Sous la mer : répéteurs optiques pour câbles sous-marins

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 à jouer ensemble, et nous partons invariablement sur des tangentes ridicules sans aucune chance de faire le montage final, sauf peut-être comme aliment pour l'intro et la fin. C'est beaucoup de travail, surtout pour Elliot, qui doit monter les enregistrements bruts, mais c'est aussi très amusant.

Bien sûr, nous faisons tout cela virtuellement, et nous avons un petit rituel que nous faisons au début : les applaudissements. À tour de rôle, nous frappons trois fois nos mains dans nos microphones, la personne à l'autre bout du fil faisant elle-même un clap synchronisé avec le clap final. Cela donne à Elliot une idée du décalage qu'il y a sur la ligne, ce qui lui permet de synchroniser les deux enregistrements. Comme lui est en Allemagne et moi dans l'Idaho, le décalage est assez perceptible, au moins une seconde ou deux.

Chaque fois que nous accomplissons ce rituel, je ne peux m'empêcher de m'interroger sur tous les équipements qui rendent cela possible, y compris les câbles à fibres optiques qui passent sous l'océan Atlantique. Les câbles de communication sous-marins relient le monde et transportent 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 tout au long du parcours sont les éléments les plus intéressants, même si - ou peut-être surtout parce qu'ils sont cachés au fond de la mer.

La majeure 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 réalisé 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, le 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 surpassé par un facteur dix les câbles coaxiaux transatlantiques les plus avancés.

Comme les câbles coaxiaux, les câbles optiques nécessitent une amplification périodique du signal, en particulier sur la longueur d'environ 7 000 km du TAT-8. Les répéteurs étaient espacés tous les 50 km environ le long du câble, logés dans de longs boîtiers résistants à la pression qui créaient des renflements dans le câble mince, mais étaient toujours compatibles avec le matériel de pose du câble. Ces répéteurs fonctionnaient en recevant les signaux optiques affaiblis avec des photodiodes, en démodulant le signal avant de le transmettre à travers 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 un équipement de la station d'atterrissage.

TAT-8 a connu 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 qu'au cours des années qui ont suivi, des câbles optiques d'une capacité bien supérieure 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 réseau aux atterrissages. Sans la possibilité de mettre à niveau cet équipement, le câble était voué à l’échec.

Mais dès 1985, des progrès ont été réalisés dans le domaine des amplificateurs optiques qui finiraient par se retrouver dans les câbles sous-marins. C'est à ce moment-là qu'un étudiant diplômé en physique, 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. Dix ans après la publication du premier article sur le sujet, des 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 quotidiennement 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'erbium, un élément de terre rare, 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 de l'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 des lasers de pompage à 980 et 1 480 nm.