Publié par : Département de recherche et développement, Technologie Optic.ca Inc., janvier 2026

Introduction

Lorsque la lumière se propage dans une fibre optique, les impulsions courtes ne restent pas parfaitement confinées dans le temps. La dispersion provoque l'élargissement de chaque impulsion au cours de sa propagation, car différentes composantes du signal — différentes longueurs d'onde, modes ou états de polarisation — se propagent à des vitesses légèrement différentes. En conséquence, la forme d'onde reçue devient de plus en plus étalée dans le temps.

De manière cruciale, même si une fibre avait une atténuation nulle, une liaison optique aurait toujours une portée finie car la dispersion déforme progressivement la forme d'onde. Lorsque les impulsions voisines s'étalent suffisamment pour se chevaucher, le récepteur ne peut plus déterminer où un bit (ou symbole) se termine et où le suivant commence. Le résultat pratique est l'interférence intersymbole (ISI) et une augmentation du taux d'erreur binaire (TEB). Ce comportement est illustré à la Figure 1, où deux impulsions initialement distinctes s'élargissent avec la distance, se chevauchent progressivement et peuvent éventuellement devenir indiscernables dans la fenêtre d'échantillonnage du récepteur. Dans les systèmes réels, le récepteur dispose d'une marge de synchronisation finie et d'une tolérance limitée à l'ISI, de sorte que la dispersion fixe en fin de compte une limite débit binaire × distance même lorsque la puissance optique reste adéquate.

Dans cet article, nous expliquons ce qu'est la dispersion, d'où elle provient, comment elle affecte les performances des émetteurs-récepteurs — en particulier aux débits élevés — et comment elle peut être gérée. Nous passons en revue les principaux mécanismes de dispersion dans les fibres, notamment la dispersion modale dans les fibres multimodes ainsi que la dispersion chromatique et la dispersion de mode de polarisation (PMD) dans les fibres monomodes. Nous discutons également des formats de modulation et des systèmes de transmission les plus sensibles à la dispersion et résumons les stratégies d'atténuation modernes, incluant la conception des fibres, la compensation de dispersion et le traitement côté récepteur. Enfin, nous décrivons les modules de compensation de dispersion (DCM), leur contenu, et fournissons un exemple de calcul de l'élargissement d'impulsion induit par la dispersion dans une liaison représentative.

Types de dispersion dans les fibres optiques

La dispersion dans les fibres optiques peut être catégorisée selon son origine physique. Les trois principaux types sont la dispersion modale, la dispersion chromatique et la dispersion de mode de polarisation (PMD). Tous trois provoquent un élargissement des impulsions, mais ils résultent de mécanismes différents :

• Dispersion modale : Se produit dans les fibres multimodes en raison de différents chemins de propagation (modes) ayant des longueurs et des vitesses différentes.
• Dispersion chromatique (intramodale) : Se produit dans toutes les fibres (en particulier les fibres monomodes) car différentes longueurs d'onde (couleurs) voyagent à des vitesses différentes. Elle comporte deux sous-composantes :
  • Dispersion du matériau : causée par la dépendance de l'indice de réfraction du verre en fonction de la longueur d'onde.
  • Dispersion de guide d'onde : causée par la distribution de la lumière entre le cœur et la gaine qui dépend de la longueur d'onde dans une fibre monomode.
• Dispersion de mode de polarisation (PMD) : se produit dans les fibres monomodes lorsqu'une polarisation de la lumière voyage plus vite que la polarisation orthogonale, en raison de minuscules asymétries ou de contraintes dans la fibre.

Chaque type de dispersion a un impact et une pertinence différents selon le type de fibre et le système. Nous décrirons chaque type plus en détail ci-dessous.

Dispersion modale dans la fibre multimode

Dans une fibre multimode (MMF), le cœur est suffisamment grand (par exemple, 50 µm ou 62,5 µm de diamètre) pour supporter de nombreux chemins de propagation ou modes. Les rayons lumineux entrant sous différents angles suivent différents chemins en zigzag dans la fibre ; certains voyagent tout droit au centre (mode axial) tandis que d'autres rebondissent à des angles plus prononcés (modes d'ordre supérieur). Ces chemins ont des longueurs différentes — les rayons à angle élevé parcourent une distance plus longue que les rayons quasi-axiaux. Même s'ils partent au même moment, ils arrivent à l'extrémité de la fibre à des moments différents. Cela provoque l'étalement d'une impulsion d'entrée courte en une impulsion de sortie plus longue, voir Figure 2.

Pour une fibre multimode à saut d'indice, la différence de temps d'arrivée entre les modes les plus rapides et les plus lents peut être significative, limitant la bande passante de la fibre. Cette dispersion intermodale est quantifiée par un paramètre de dispersion modale (souvent exprimé en ns/km). La fibre multimode à gradient d'indice est conçue pour réduire cet effet : en abaissant progressivement l'indice de réfraction du centre du cœur vers la gaine, les modes à angle élevé voyagent plus vite dans les régions à indice plus faible, rattrapant partiellement les modes à faible angle. Cela égalise les temps de parcours et produit une bande passante beaucoup plus élevée (moins de dispersion modale) que la MMF à saut d'indice.

Malgré cela, les fibres multimodes ont des limites distance × bande passante de l'ordre de quelques centaines de MHz·km à quelques GHz·km, c'est pourquoi elles sont utilisées pour des liaisons plus courtes (par exemple, les connexions de centres de données ou de réseaux locaux). La dispersion modale est la limitation dominante dans les fibres multimodes mais ne se produit pas dans les fibres monomodes, puisqu'une fibre monomode ne permet la propagation que d'un seul mode spatial.

Dispersion chromatique dans la fibre monomode

Les fibres monomodes (SMF) éliminent la dispersion modale en ne guidant qu'un seul mode, mais elles restent sujettes à la dispersion chromatique (également appelée dispersion de vitesse de groupe, DVG). La dispersion chromatique signifie que différentes longueurs d'onde (couleurs) de lumière voyagent à des vitesses différentes dans la fibre. Même un laser, que nous considérons comme presque monochromatique, a une largeur spectrale finie (par exemple, un laser à rétroaction distribuée peut avoir une largeur de raie de quelques MHz à plusieurs MHz, et son signal modulé peut effectivement avoir une largeur spectrale de l'ordre de 0,1 nm ou plus selon le débit de données et le format de modulation). Chaque composante de longueur d'onde de l'impulsion se propagera à une vitesse différente, faisant arriver certaines parties de l'impulsion plus tôt ou plus tard que d'autres. Le résultat est qu'une impulsion initialement courte s'étale dans le temps, voir Figure 3.

Il existe deux causes physiques principales de la dispersion chromatique dans les fibres :

Dispersion du matériau : L'indice de réfraction du matériau vitreux de la fibre (silice, souvent avec des dopants) varie avec la longueur d'onde. Dans la silice, les longueurs d'onde plus courtes voient un indice de réfraction plus élevé que les longueurs d'onde plus longues, ce qui signifie qu'elles voyagent légèrement plus lentement. Inversement, les longueurs d'onde plus longues (plus proches de l'infrarouge) voient un indice plus faible et voyagent plus vite. C'est une propriété du matériau lui-même — une conséquence de la façon dont la structure atomique de la silice répond aux différentes fréquences optiques. La dispersion du matériau est nulle à une longueur d'onde particulière (autour de 1300 nm dans la silice pure), négative (signifiant que les longueurs d'onde plus courtes arrivent plus tard) en dessous de ce point, et positive (les longueurs d'onde plus courtes arrivent plus tôt) au-dessus de ce point.

Dispersion de guide d'onde : Dans une fibre monomode, toute la lumière n'est pas confinée dans le cœur ; une partie fuit dans la gaine. La fraction de puissance dans le cœur par rapport à la gaine dépend de la longueur d'onde. Aux longueurs d'onde plus courtes, la lumière est plus étroitement confinée dans le cœur ; aux longueurs d'onde plus longues, le champ de mode s'étend davantage dans la gaine (qui a un indice de réfraction plus faible). Cela modifie l'indice de réfraction effectif ressenti par le mode. Essentiellement, à mesure que la longueur d'onde augmente, la lumière ressent moins le cœur à indice élevé et davantage la gaine à indice faible, de sorte que son indice effectif diminue — causant un effet sur la vitesse de propagation. La dispersion de guide d'onde peut être ajustée par la conception de la fibre (taille du cœur, profil d'indice) et est généralement de signe opposé à la dispersion du matériau dans une certaine région. Dans les SMF standard, la dispersion de guide d'onde est faible comparée à la dispersion du matériau, mais dans les fibres spécialement conçues, elle peut être significative.

La dispersion chromatique totale d'une fibre est la somme des contributions de la dispersion du matériau et de la dispersion de guide d'onde. Elle est souvent exprimée par le coefficient de dispersion D, généralement donné en unités de ps/(nm·km). D indique combien de picosecondes d'élargissement d'impulsion se produiront par nanomètre de largeur spectrale par kilomètre de fibre. Par exemple, une fibre monomode standard G.652 a D ≈ 17 ps/(nm·km) à λ = 1550 nm. Cela signifie que si vous envoyez de la lumière avec une largeur spectrale de 1 nm à travers 1 km d'une telle fibre, la différence de temps d'arrivée entre les composantes peut être d'environ 17 ps. Sur 100 km, cela représenterait 1700 ps (1,7 ns) d'élargissement par nm de largeur de bande de la source.

La dispersion chromatique provoque une accumulation linéaire de l'élargissement d'impulsion avec la longueur de fibre. Plus la fibre est longue, plus la dispersion étalera l'impulsion. Pour une fibre et une source de signal données, l'élargissement total de l'impulsion ΔT peut être approximé par :

ΔT ≈ D · Δλ · L

où Δλ est la largeur spectrale de la source (en nm) et L est la distance (en km). Par exemple, considérons un signal NRZ à 10 Gb/s (période de bit d'environ 100 ps) envoyé sur 80 km de SMF standard (D ≈ 17 ps/nm/km à 1550 nm) utilisant un laser avec une largeur spectrale de 0,1 nm. L'élargissement approximatif de l'impulsion serait :

ΔT ≈ 17 ps/(nm·km) × 0,1 nm × 80 km = 136 ps

Cela représente environ 1,36 fois la période de bit originale (100 ps), ce qui signifie que les impulsions se chevaucheront significativement et le système aurait un taux d'erreur binaire élevé sans compensation de dispersion. En revanche, à 2,5 Gb/s (période de bit de 400 ps), la même fibre et la même source produiraient 136 ps d'élargissement, ce qui ne représente qu'environ un tiers d'une période de bit — plus facile à tolérer pour un récepteur.

Cela illustre un point important : les signaux à débit binaire élevé sont beaucoup plus sensibles à la dispersion. En fait, pour une fibre et une source données, la distance limitée par la dispersion évolue inversement avec le carré du débit binaire. Une règle empirique courante est que si vous quadruplez le débit binaire (disons de 2,5 à 10 Gb/s), la tolérance à la dispersion (distance maximale) diminue d'un facteur 16, toutes choses égales par ailleurs.

Effets du format de modulation : La sensibilité à la dispersion dépend également du format de modulation et de la forme de l'impulsion :

• Format NRZ (Non-Retour-à-Zéro) (où un « 1 » est une impulsion continue sur toute la période de bit) est assez tolérant à la dispersion aux débits inférieurs, mais aux vitesses élevées, les longues séquences de 1 ou de 0 en NRZ ne comportent pas de transitions que le récepteur peut utiliser pour la synchronisation d'horloge, et la dispersion peut encore plus étaler les transitions.
• Format RZ (Retour-à-Zéro) utilise des impulsions plus étroites (chaque « 1 » est une impulsion plus courte que l'intervalle de bit, revenant à zéro entre les bits). Les impulsions RZ ont un spectre optique plus large (puisqu'elles sont plus courtes dans le temps), ce qui aggrave en fait la dispersion chromatique en termes d'étalement absolu de l'impulsion. Cependant, comme chaque impulsion est confinée à une fraction plus petite de la période de bit, le RZ peut souvent tolérer un peu plus de dispersion avant que l'ISI ne devienne catastrophique — essentiellement, les impulsions ont un temps de garde entre elles. Dans les systèmes longue distance à 10 Gb/s, les formats RZ ou RZ à chirp se sont avérés plus performants que le NRZ en présence de dispersion et de non-linéarité de la fibre. Le compromis est que le RZ nécessite plus de bande passante.
• Émetteurs à chirp : Un laser à modulation directe (DML) impose un chirp de fréquence pendant les transitions de bits (la longueur d'onde instantanée du laser se décale légèrement lors de l'allumage et de l'extinction). Ce chirp interagit avec la dispersion : un chirp positif peut encore élargir l'impulsion dans une fibre à dispersion normale. Un laser à modulation externe (utilisant un modulateur Mach-Zehnder) peut produire des impulsions presque sans chirp, qui sont préférées pour les longues distances. Alternativement, on peut pré-chirper l'impulsion dans la direction opposée pour contrecarrer la dispersion.
• Formats avancés : Les schémas de modulation comme DPSK, QPSK ou QAM (souvent utilisés avec la détection cohérente) utilisent généralement l'information de phase et transmettent souvent à des débits de symboles plus élevés mais avec un traitement numérique du signal (DSP) au récepteur. La tolérance à la dispersion dans ces systèmes provient principalement de la capacité du DSP à égaliser la dispersion. Cependant, les impulsions plus longues (débits de symboles plus faibles ou utilisation d'un étalement par code correcteur d'erreurs) toléreront intrinsèquement plus de dispersion car l'élargissement relatif est plus petit par rapport à la période de symbole.

Dispersion de mode de polarisation (PMD)

La fibre monomode transporte la lumière comme un seul mode spatial, mais ce mode a deux états de polarisation dégénérés (pensez-y comme deux fibres identiques en une — une pour chaque orientation de polarisation). Dans une fibre parfaite sans asymétrie, les deux composantes de polarisation d'une impulsion voyagent à la même vitesse. Dans les fibres réelles, de minuscules imperfections, l'asymétrie de la forme du cœur ou des contraintes externes (par exemple, courbures, pression, variations de température) brisent cette symétrie et rendent la fibre biréfringente. Comme illustré à la Figure 4, un mode de polarisation voyage légèrement plus vite que l'autre. Sur de longues distances, une polarisation peut accumuler un retard significatif par rapport à l'autre — c'est la dispersion de mode de polarisation.

La PMD est différente de la dispersion chromatique : elle ne dépend pas de la longueur d'onde de la même manière, et elle tend à varier aléatoirement avec les changements environnementaux. Elle est caractérisée par un retard de groupe différentiel (DGD) moyen statistique, souvent exprimé en unités de ps/√km (par exemple, 0,1 ps/√km pour les fibres modernes). Par exemple, une fibre peut avoir une PMD de 0,05 ps/√km, ce qui signifie ~0,5 ps de retard différentiel sur 100 km. C'est négligeable aux vitesses inférieures, mais à 40 Gb/s (période de bit de 25 ps), même quelques picosecondes de division d'impulsion peuvent causer la fermeture du diagramme de l'œil.

La PMD était une préoccupation sérieuse pour les systèmes ultra-longue distance à 10 Gb/s et les systèmes à 40 Gb/s dans les anciennes fibres. Heureusement, les fibres modernes ont une PMD extrêmement faible, et des techniques comme le brouillage de polarisation ou l'égalisation électronique dans les récepteurs cohérents peuvent atténuer la PMD. Néanmoins, à 100G et au-delà, la PMD peut parfois affecter les performances si un tronçon de fibre particulier a une biréfringence inhabituellement élevée. Contrairement à la dispersion chromatique, la PMD n'est pas facilement prévisible ou fixe — elle peut dériver avec le temps et la température. Par conséquent, elle est généralement gérée par une marge de conception du réseau ou une compensation en temps réel dans les récepteurs plutôt que par des compensateurs optiques fixes.

Impact de la dispersion sur les performances du système

La dispersion a une influence directe sur les performances et la conception des liaisons de communication par fibre optique. Les deux limites clés qu'elle impose concernent la distance et le débit de données :

• Pour une fibre et un émetteur donnés, il existe un produit maximal débit binaire × distance au-delà duquel les impulsions se chevauchent trop pour être récupérées.
• Pour un débit binaire et une longueur de liaison donnés, il existe une dispersion maximale (ou largeur spectrale) qui peut être tolérée avant que les erreurs ne dépassent les niveaux acceptables.

Les ingénieurs prévoient souvent une certaine « pénalité de dispersion » dans la conception des liaisons. Une pénalité de puissance due à la dispersion signifie que le récepteur a besoin d'une puissance optique plus élevée pour atteindre le même taux d'erreur binaire, par rapport à un cas sans dispersion. Généralement, un système peut autoriser une pénalité de puissance de 1 dB pour la dispersion, ce qui correspond à une certaine valeur maximale de dispersion en ps/nm que la liaison peut avoir. Par exemple, les normes peuvent indiquer quelque chose comme « pour 10 Gb/s à 1550 nm NRZ sur SMF standard, dispersion maximale de 1600 ps/nm pour <1 dB de pénalité ». Ces 1600 ps/nm correspondent à environ 100 km de fibre (puisque 100 km × 17 ps/nm/km = 1700 ps/nm). En effet, en pratique ~80–100 km est approximativement la portée limitée par la dispersion pour 10 Gb/s sur SMF standard sans compensation. Pour 2,5 Gb/s, la portée est beaucoup plus longue (de l'ordre de 400 km) en raison du débit binaire plus faible. À 40 Gb/s, la portée sur la même fibre pourrait n'être que de ~20–40 km, montrant la relation quadratique de la tolérance avec le débit mentionnée précédemment.

La dispersion affecte différents formats de modulation de différentes manières. Comme noté, les systèmes cohérents QPSK/QAM peuvent corriger numériquement la plupart de la dispersion chromatique, de sorte qu'ils sont limités par d'autres facteurs (comme le rapport signal sur bruit optique et les non-linéarités) plus que par la dispersion. Les systèmes à modulation tout ou rien doivent traiter la dispersion dans le domaine optique, souvent en ajoutant des dispositifs de compensation. Dans le passé, les réseaux WDM denses à 10 Gb/s utilisaient la gestion de la dispersion : des tronçons de fibre alternaient avec de la fibre à compensation de dispersion pour maintenir la dispersion cumulative faible. Si la dispersion n'était pas contrôlée, non seulement les impulsions s'élargiraient, mais dans les systèmes WDM, la dispersion peut réduire la diaphonie non linéaire comme le mélange à quatre ondes (ce qui est en fait une raison d'éviter la dispersion nulle en WDM — une certaine dispersion est bonne pour décorréler les canaux).

Quels systèmes sont les plus affectés ?

• Liaisons courte portée (dans un bâtiment ou un campus) : Utilisent souvent des fibres multimodes à 850 nm avec des émetteurs VCSEL. Ici, la dispersion modale est en fait la limitation principale, pas la chromatique (les sources ont ~0,5 nm de largeur spectrale mais la fibre est courte). Ces liaisons sont souvent limitées à quelques centaines de mètres pour 10 Gb/s (utilisant des fibres OM3/OM4). La dispersion chromatique dans les fibres multimodes à 850 nm est relativement élevée, mais les longueurs sont suffisamment courtes pour que ce ne soit pas le facteur principal.
• Liaisons métropolitaines (~10–40 km) : Utilisent généralement des fibres monomodes et des sources à ~1310 nm ou 1550 nm. Pour jusqu'à 10–40 km, la dispersion chromatique est notable mais souvent dans les limites de tolérance à 10 Gb/s (pour 10 km c'est négligeable, pour 40 km à 10 Gb/s sur SMF ~680 ps/nm ce qui est une petite pénalité). À 40 km 10G, de nombreuses conceptions commencent à utiliser une forme de compensation de dispersion ou un format tolérant à la dispersion. 100G (qui utilise généralement le cohérent) n'a pas de problèmes sur 40 km grâce au DSP.
• Longue distance (100–1000 km, systèmes DWDM) : La gestion de la dispersion est une partie critique de la conception. Ces systèmes, en particulier à 10G, 40G, utilisaient des fibres à compensation de dispersion périodiquement pour maintenir la dispersion résiduelle faible. Trop de dispersion résiduelle fermerait le diagramme de l'œil ; trop peu de dispersion pourrait causer un mélange non linéaire entre les canaux WDM. Il y avait un art dans les cartes de dispersion — alternant des tronçons de fibre avec une dispersion nette positive et nette négative pour minimiser les pénalités non linéaires tout en gardant les impulsions récupérables. Les systèmes longue distance modernes (100G/200G cohérents) laissent souvent la dispersion non compensée dans la fibre (ce qui aide en fait à réduire les non-linéarités) et gèrent tout par DSP à la fin.

Techniques de compensation et de gestion de la dispersion

Parce que la dispersion impose des contraintes si strictes sur les liaisons à fibre haute vitesse, diverses stratégies de gestion de la dispersion sont utilisées dans les systèmes de télécommunications. Celles-ci peuvent être largement divisées en approches de conception de fibre, dispositifs de compensation optique et compensation électronique.

Conceptions de fibres optimisées pour la dispersion

Une façon de traiter la dispersion est de concevoir la fibre elle-même pour avoir des caractéristiques de dispersion plus favorables :

Fenêtres à dispersion nulle : La fibre monomode standard (UIT-T G.652) a été optimisée pour une dispersion chromatique proche de zéro autour de 1310 nm (bande O), ce qui a aidé les premiers systèmes à éviter les pénalités de dispersion. Cependant, l'atténuation est plus élevée à 1310 nm (≈0,35 dB/km) qu'à 1550 nm (≈0,20 dB/km), donc les réseaux longue distance sont passés à 1550 nm malgré la dispersion significative de G.652 à cette longueur d'onde (≈17 ps/nm/km).

Fibre à dispersion décalée (DSF, UIT-T G.653) : La DSF (G.653) décale la longueur d'onde à dispersion nulle vers 1550 nm en adaptant le diamètre du cœur et le profil d'indice de sorte que la dispersion de guide d'onde annule la dispersion du matériau. Bien que cela minimise la dispersion chromatique dans la bande C, cela rend les systèmes DWDM vulnérables aux non-linéarités — en particulier le mélange à quatre ondes (FWM) — parce qu'une dispersion proche de zéro maintient les canaux en phase. Pour cette raison, la DSF est rarement utilisée dans les réseaux DWDM modernes.

Fibre à dispersion décalée non nulle (NZDSF, G.655) : La NZDSF (G.655) maintient une dispersion faible mais non nulle dans la bande C (par exemple, ≈+4 ps/nm/km). C'est suffisamment faible pour supporter des liaisons à haut débit sur de longues distances tout en étant suffisamment élevé pour supprimer le FWM et réduire la diaphonie WDM. Elle a été largement déployée dans les dorsales longue distance, bien que son mélange avec G.652 puisse compliquer la planification de la dispersion.

Fibre à dispersion aplatie (DFF) : La DFF utilise des profils d'indice complexes pour maintenir une faible dispersion sur une large plage (≈1300–1600 nm). Elle offre d'excellentes performances multi-bandes mais est moins courante en raison de son coût plus élevé et de la complexité de fabrication.

Fibre à grande aire effective et ultra-faibles pertes (G.654.E) : Les fibres telles que G.654.E ciblent les liaisons cohérentes 100G+ (en particulier sous-marines) avec de très faibles pertes et une grande aire effective pour réduire les effets non linéaires. La dispersion est généralement similaire à — ou légèrement supérieure à — G.652 (≈20 ps/nm/km), s'appuyant sur le DSP cohérent pour gérer la dispersion tout en améliorant la portée.

Compensation de la dispersion avec des modules (DCM)

Un module de compensation de dispersion (DCM) est un dispositif optique (ou bobine de fibre) inséré dans la liaison pour inverser la dispersion accumulée dans la fibre de transmission. La forme la plus courante de DCM est une bobine de fibre à compensation de dispersion (DCF), qui est une fibre spéciale conçue pour avoir une dispersion négative élevée dans la bande 1550 nm. En épissant une longueur de DCF après un long tronçon de fibre ordinaire, la dispersion positive de la SMF peut être annulée par la dispersion négative de la DCF.

Par exemple, considérons 100 km de SMF standard (D ≈ +17 ps/nm/km). Elle accumule environ +1700 ps/nm de dispersion. Si nous faisons maintenant passer le signal à travers, disons, 16 km de DCF qui a D ≈ –105 ps/nm/km, cette DCF introduit environ –1680 ps/nm de dispersion, annulant presque la dispersion des 100 km de SMF. La dispersion nette peut être ramenée proche de zéro (ou à une petite valeur résiduelle). Ce principe est illustré conceptuellement à la Figure 5, qui montre comment la dispersion positive de la SMF et la dispersion négative de la DCF se somment pour donner presque zéro autour de 1550 nm.

Les premières DCF étaient souvent fabriquées en dopant fortement la fibre pour augmenter l'indice et réduire la taille du cœur, ce qui augmente la dispersion de guide d'onde dans la direction négative. La DCF a généralement une très grande magnitude de dispersion (–80 à –120 ps/nm/km) de sorte que seul un morceau relativement court est nécessaire. Cependant, la DCF a généralement d'autres inconvénients : une atténuation élevée (peut-être 0,5 dB/km ou plus, comparé à 0,2 dB/km pour la SMF) et une aire effective plus petite (la rendant plus non linéaire). Cela signifie que l'ajout de DCF dans une liaison introduit des pertes supplémentaires (nécessitant des amplificateurs optiques pour les surmonter) et peut ajouter des pénalités non linéaires si la puissance optique est élevée. Par conséquent, les modules DCF sont souvent placés stratégiquement, par exemple, au milieu d'un tronçon d'amplificateur (de nombreux amplificateurs optiques EDFA ont un accès inter-étage où un DCM peut être inséré de sorte que l'amplificateur puisse amplifier à nouveau le signal immédiatement après les pertes du DCM). La DCF est également généralement confinée à la bande C. Si des canaux en bande L sont utilisés, une DCF différente (ou des longueurs plus longues) peut être nécessaire car la dispersion diffère souvent en bande L.

En dehors de la DCF, d'autres technologies de DCM comprennent :

Réseaux de Bragg fibrés (FBG). Les FBG à chirp fournissent un retard dépendant de la longueur d'onde en réfléchissant différentes longueurs d'onde depuis différentes positions le long du réseau. Avec le bon chirp, ils peuvent « re-synchroniser » les composantes spectrales et recomprimer une impulsion dispersée. Ils offrent des pertes relativement faibles (généralement dominées par le circulateur) et une non-linéarité négligeable, et peuvent être conçus pour une dispersion spécifique (y compris certains termes d'ordre supérieur). Les compensateurs FBG sont souvent appliqués par canal, bien que des conceptions à large bande soient possibles.

Étalons et filtres optiques accordables. Des dispositifs tels que les étalons de Gires-Tournois agissent comme des filtres passe-tout qui introduisent un déphasage dépendant de la fréquence, permettant une dispersion accordable. Ils étaient utiles dans certaines liaisons 40G/100G avant que le DSP cohérent ne devienne dominant. Les limites pratiques comprennent quelques dB de pertes d'insertion et une sensibilité potentielle à la polarisation, qui peut nécessiter des conceptions à diversité de polarisation.

Compensation électronique de la dispersion (EDC). Dans les systèmes à détection directe (en particulier à 10 Gb/s), les égaliseurs de récepteur (à anticipation ou à rétroaction décisionnelle) peuvent réduire l'ISI causée par une dispersion modérée. L'EDC peut étendre la portée, mais elle ne peut pas corriger entièrement une très grande dispersion chromatique car la fonction de transfert opto-électrique peut développer des zéros profonds difficiles à inverser.

DSP cohérent. Les récepteurs cohérents 100G+ modernes compensent la dispersion numériquement en échantillonnant le signal et en inversant numériquement la réponse dispersive de la fibre. Cela peut corriger une dispersion accumulée extrêmement grande ; le compromis principal est la complexité du DSP et la longueur de mémoire du filtre pour les longues liaisons.

Gestion de la dispersion : À l'ère des réseaux optiques WDM 10G/40G (autour des années 2000), un schéma typique de gestion de la dispersion était : chaque tronçon de 80 km de SMF (fibre G.652) accumulerait ~1360 ps/nm de dispersion. Après chaque tronçon, un DCM (peut-être ~16 km de DCF ou un FBG) serait utilisé pour introduire –1360 ps/nm, l'annulant. Souvent, ils sur-compensaient ou sous-compensaient légèrement chaque tronçon (« pré-chirpant » le tronçon suivant avec une certaine dispersion résiduelle) pour minimiser les effets non linéaires. Le terme carte de dispersion fait référence à la façon dont la dispersion est distribuée entre les tronçons et compensée. Certaines cartes laissaient une petite dispersion résiduelle de bout en bout (comme quelques centaines de ps/nm sur toute une liaison) parce qu'une minuscule dispersion résiduelle réduit les pénalités non linéaires par rapport à avoir une dispersion nulle partout. C'était un exercice d'équilibre : assez de dispersion pour diminuer la diaphonie non linéaire, mais pas tellement que le signal ne puisse pas être reçu.

Limitations des DCM : Bien qu'efficaces, les compensateurs de dispersion ajoutent de la complexité et du coût. Les modules DCF sont volumineux (des centaines de mètres de fibre dans un module), ajoutent des pertes d'insertion et doivent être adaptés à la longueur de fibre. Les modules FBG sont spécifiques au canal et fixés pour certaines valeurs de dispersion — si vous mettez à niveau une liaison (disons remplacer un 10G par un 40G sur la même fibre), les tolérances de dispersion changent et les DCM fixes pourraient nécessiter un ajustement (certains formats de modulation 40G préfèrent une dispersion résiduelle légèrement différente). Les modules accordables peuvent s'ajuster, mais ils sont coûteux. Les systèmes cohérents, comme noté, ont éliminé le besoin de DCM physiques entièrement dans de nombreux réseaux, ce qui est une énorme simplification (plus de modules inter-tronçons et leurs pertes associées). En conséquence, beaucoup des DCM installés ont été retirés ou contournés dans les réseaux modernes lors de la migration vers des longueurs d'onde cohérentes 100G+. Le Tableau 1 compare certaines caractéristiques des approches courantes de compensation de dispersion :

Exemple de calcul pratique de la dispersion chromatique

Pour consolider la compréhension, faisons un exemple de calcul rapide : Supposons que nous avons un émetteur à 1550 nm avec une largeur spectrale (Δλ) de 0,2 nm. Nous envoyons un signal NRZ à 10 Gb/s sur 50 km de fibre G.652 standard (D ≈ 17 ps/nm/km). Quel élargissement d'impulsion attendons-nous, et le système est-il susceptible de fonctionner sans compensation de dispersion ?

En utilisant l'approximation ΔT ≈ D · Δλ · L :

• D = 17 ps/(nm·km)
• Δλ = 0,2 nm
• L = 50 km

Alors :

ΔT ≈ 17 × 0,2 × 50 = 170 ps

À 10 Gb/s, une période de bit est de 100 ps. Une impulsion élargie de 170 ps chevauchera significativement les bits voisins (presque 1,7 périodes de bit de largeur). Le diagramme de l'œil serait presque fermé. Une telle liaison aurait un taux d'erreur très élevé à moins que la dispersion ne soit compensée. En effet, 50 km dépasse la portée typique limitée par la dispersion (~30–40 km) pour 10 Gb/s sur fibre standard avec cette largeur de raie laser.

Si nous utilisions à la place une source à spectre plus étroit, disons un laser stabilisé avec Δλ = 0,05 nm, l'élargissement tomberait à 42,5 ps, ce qui représente environ 0,425 d'une période de bit — cela pourrait être tout juste gérable avec une certaine égalisation électronique. Alternativement, si nous gardons Δλ = 0,2 nm mais utilisons une fibre à dispersion décalée (D ≈ 0 ps/nm/km), l'élargissement serait négligeable (0 ps) mais, comme noté, la DSF pure n'est pas utilisée en pratique pour les réseaux DWDM en raison des pénalités non linéaires.

Ce calcul démontre pourquoi la compensation ou la gestion de la dispersion est essentielle pour les liaisons plus longues aux débits de données élevés. Avec compensation, l'élargissement de 170 ps pourrait être largement annulé par un DCM. Par exemple, 8 km d'une DCF avec D = –21 ps/nm/km insérée au récepteur pourrait introduire environ –168 ps pour contrecarrer les +170 ps, ne laissant que quelques picosecondes d'élargissement résiduel.

Conclusion

La dispersion du signal optique — aux côtés de l'atténuation et du bruit — est un facteur primaire limitant les performances des liaisons par fibre optique. Elle résulte de la physique fondamentale des fibres : la fibre multimode présente une dispersion modale parce que plusieurs chemins spatiaux ont des retards différents, tandis que la fibre monomode souffre principalement de la dispersion chromatique (contributions du matériau et du guide d'onde) et peut également connaître une dispersion de mode de polarisation (PMD) due à la biréfringence. Le résultat commun est l'élargissement des impulsions, qui crée l'interférence intersymbole (ISI), réduit la marge du récepteur et contraint le débit binaire atteignable sur la distance.

Pour les ingénieurs en télécommunications, la dispersion impacte directement les décisions système : la fenêtre de longueur d'onde d'exploitation (1310 nm historiquement pour une faible dispersion, 1550 nm aujourd'hui pour de faibles pertes), le type de fibre déployée (SMF standard, NZDSF, etc.), et l'approche d'émetteur-récepteur et de modulation (tolérance au chirp, limitations IM-DD, ou détection cohérente avec DSP).

L'atténuation de la dispersion a évolué à travers toute la pile. Les conceptions de fibres telles que les fibres à dispersion décalée et à dispersion décalée non nulle ont réduit les pénalités dans les bandes clés. Les architectures de liaison ont largement utilisé les modules de compensation de dispersion (DCM) (DCF ou FBG) pour annuler la dispersion accumulée. Les émetteurs-récepteurs cohérents modernes effectuent maintenant une compensation numérique de la dispersion, permettant aux longueurs d'onde 100G/400G de couvrir de très longues distances sur fibre standard sans DCM optiques.