Histoire des télécommunications optiques au Centre National d’Etudes des Télécommunications (CNET) de 1960 à 1980

26/08/2017
Auteurs : Jean Le Mézec
OAI : oai:www.see.asso.fr:1301:2012-1:19596
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Résumé

Histoire des télécommunications optiques au Centre National d’Etudes des Télécommunications (CNET) de 1960 à 1980

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48 ◗ REE N°1/2012 Lasers, fibres et télécommunications Jean Le Mézec Michel Tréheux La recherche sur les communications optiques est née au CNET de la quête des télécommunicants de l’hertzien vers des fréquences radioélectriques tou- jours plus grandes. Deux familles de pensée se sont confrontées dès le début des années 60 entre les techniciens qui maitri- saient parfaitement les technologies des tubes à vide et les physiciens du solide qui cherchaient des maté- riaux nouveaux. L’arrivée des lasers en 1961 a dopé ces deux activités au sein de deux équipes à Issy-les- Moulineaux et à Bagneux. Les premiers pas des télécommunica- tions optiques - L’équipe Jean Le Mézec, Janine Henaff Issue d’un département de recherches sur les tubes électroniques, cette équipe possédait les équipements nécessaires à la réalisation de tubes électroniques sophistiqués. La montée en fréquence faisait partie intégrante de leurs axes de recherche. Des rencontres nombreuses au plan international auxquel- les participait Jean Le Mézec permettaient d’échanger sur cette montée en fréquence. Dès l’annonce des premiers lasers en 1960 et surtout du laser He-Ne, toutes ces équipes voyaient leur rêve se réaliser et une course à l’innovation s’est alors engagée. Le dé- partement de Jean Le Mézec commença par réaliser des lasers dès 1963 grâce aux technologies des tu- bes électroniques bien maîtrisées. Puis, très vite cette équipe compléta sa panoplie par la fabrication de tu- bes photomultiplicateurs pour la détection et enfin, en 1964, Janine Henaff mettait au point les premiers modulateurs en KDP. La première chaîne complète de télécommunications optiques était ainsi réalisée dès 1965. L’étude de la propagation en atmosphère libre des signaux optiques fabriqués dans cette chaîne de télécommunication optique étant impossible à Issy- les-Moulineaux, c’est à Lannion que ces essais seront faits et c’est ainsi que l’épopée lannionaise des télé- communications optiques débuta. Le département de Jean Le Mézec restera un sup- port important de l’activité, en fournissant à Lannion des matériels de plus en plus performants  : lasers fonctionnant à différentes longueurs d’onde, modula- teurs en niobate de lithium, photodétecteurs silicium, ainsi qu’un émetteur d’impulsions récurrentes d’une dizaine de picosecondes. Ce dernier instrument ob- Histoire des télécommunications optiques au Centre National d’Etudes des Télécommunications (CNET) de 1960 à 1980 This paper presents the first steps of optical communication research and development. The first period (1963-1972) began with the realization of a complete set of components for atmospherial optical radiolinks. It was realized in Le Mezec department in Issy-les-Moulineaux and tested in Lannion Laboratories. The second step (1971-1980) was the first laboratories demonstration in Lannion of the potential capacities of optical fiber communication systems after the announcement in Geneva of 4 dB/km attenuation fibers by Keck and Maurer within Corning GlassWork. The industrial development began in 1974 and permitted the first commercial 34 Mb/s link between two switching centers over 7 km in Paris in 1981. In parallel the dream to the triple play was launched with the optical wired city of Biarritz experience. 40 years after the first research works, optical communications appear as the most important telecommunication’s break that will allow the Internet revolution. abstract REE N°1/2012 ◗ 49 Histoire des télécommunications optiques au Centre National d’Etudes des Télécommunications (CNET) de 1960 à 1980 tenu par intégration d’un cristal de KDP dans la cavité laser permettait de mesurer les bandes passantes des fibres1 . Les équipes de Maurice Bernard La famille des semi-conducteurs était représentée au CNET par le département de Maurice Bernard. Fort du dé- veloppement des composants sur silicium, les physiciens se tournaient vers d’autres matériaux pour rechercher des propriétés nouvelles. L’apparition des lasers en 1960 les poussèrent vers la recherche de matériaux potentiellement émetteurs de lumière. L’arséniure de gallium a alors été testé et, en 1961, Maurice Bernard et Georges Duraffourg2 émet- taient le principe de la possibilité d’une inversion de popula- tion au sein de ce matériau, sous forme d’une équation qui porte leur nom3 . A l’époque l’équipe n’était guère tournée vers les réalisa- tions concrètes dont elle ne maitrisait pas les technologies. Elle se lança dans une recherche de matériaux semi-conduc- teurs permettant l’effet laser et publia une liste dont sont issus bon nombre de lasers à semi-conducteurs aujourd’hui. En parallèle, sous l’impulsion de Jean Jerphagnon, toute une équipe travaillait sur l’optique non linéaire et publiait des contributions fort intéressantes qui seront les bases de nom- breuses applications actuelles tant pour les lasers solides que pour les lasers à fibres. Ce n’est qu’à partir de 1974 qu’une équipe dirigée par Jean-Pierre Noblanc a mis en place les technologies néces- saires à la production de diodes laser. Les composants issus de ces équipes seront décisifs lors de la création du projet monomode en 19814 . L’équipe lannionaise En 1966, il a été décidé de créer un groupe dédié aux télécommunications par laser au sein d’un département de transmission. Au départ, ce groupe (TéléCommunication par Laser) de- vait essentiellement travailler sur la propagation en atmosphè- re libre et déterminer les conditions pour la réalisation d’un véritable faisceau hertzien optique. A partir du début 1967, le groupe va se développer avec deux activités principales : 1 L’utilisation de cet appareil participera entre autres à la notoriété des équipes lannionaises. 2 M. Bernard et G. Duraffourg « laser conditions in semiconductors », Physica Staus Solidi, 1, 669, 1961 3 M. Bernard « les débuts des lasers à semi-conducteurs », REE, n° 3, mars 2009 4 Le CNET s’engage dans un grand projet fédérateur, le projet monomode (1982-1988), qui cristallise les travaux antérieurs de la recherche et de l’industrie. • la réalisation de systèmes complets de télécommunications optiques, • l’étude et la réalisation de systèmes de traitement optique du signal pour diverses applications. Ces dernières activités seront arrêtées en 1972 de par l’absence de matériaux réversibles pour l’holographie, l’équi- pe correspondante se transférant sur les fibres optiques. Les faisceaux hertziens optiques Pour étudier la propagation atmosphérique nous avons réalisé un banc d’essai de 1 km de long et mis en place les systèmes de l’équipe isséenne sur cette base et sur une liaison de 23 km reliant les laboratoires au seul point haut de la région, le Méné Bré. Les résultats se sont révélés décevants : à cause des va- riations thermiques des bâtiments conduisant à des dévia- tions importantes des faisceaux, des conversions de modes liées à la turbulence de l’atmosphère conduisant à des dis- torsions temporelles du signal, et, enfin, de l’absorption par les perturbations atmosphériques entrainant une sécurité de propagation nettement inférieure à celle obtenue par les fais- ceaux hertziens (99,9 %). De ce fait, les liaisons optiques en atmosphère libre ne pouvaient être utilisées que sur de très courtes distances ou comme liaison d’appoint. Des recherches ont alors été menées avec des lasers CO2 à 10,6 microns, fenêtre a priori moins sensible aux perturba- tions atmosphériques, mais les travaux se sont vite arrêtés à ce moment en raison des progrès sur les fibres. Constatant l’échec des transmissions optiques par la voie aérienne, des laboratoires ont lancé des études pour canali- ser la lumière dans un guide. Les débuts des fibres optiques En 1966 Alain Werts (CSF) et C. Kao montraient que des atténuations proches de 20 dB/km seraient un jour possibles. Les premières fibres que nous avons testées en 1969 étaient des fibres monomodes fournies par les laboratoires de Saint-Gobain. Il était difficile de détecter la lumière propa- gée au-delà de quelques mètres. En 1970 nous avons pu caractériser les fibres à cœur li- quide fournies par l’équipe du Pr. Gambling de l’Université de Southampton. Disposant d’impulsions courtes de quelques picosecondes, notre laboratoire se fit une spécialité dans la caractérisation des fibres multimodes tant en atténuation qu’en distorsions de propagation. Les premières études théoriques sur la propagation dans les fibres multimodes, en 1970, montraient que soumise à une très fine impulsion à l’entrée, la sortie devait apparaitre sous forme d’une impul- sion déformée. La fibre à cœur liquide donnait des résultats 50 ◗ REE N°1/2012 Lasers, fibres et télécommunications proches de la théorie, et faisait apparaitre des bandes pas- santes relativement réduites5 . Beaucoup de travaux autour des fibres en verre fu- rent menées à cette époque avec comme objectif premier de réduire l’atténuation à 20 dB/km. Ce sont les Japonais de Nippon Sheet Glass qui étaient les plus avancés avec les fa- meuses fibres Selfoc à gradient d’indice qui présentaient une atténuation de 20 dB/km, mais aussi des bandes passantes beaucoup plus grandes que des fibres multimodes classi- ques (200 MHz/km) Ces fibres ont été mesurées à Lannion en 1971 grâce aux impulsions picosecondes. Ces résultats enthousiasmants donnaient de l’espoir à tous les pionniers des fibres (Figure 1). Au CNET Lannion, l’équipe de Michel Passaret proposa à l’Institut Batelle, en Suisse, une recherche sur des dépôts en phase gazeuse de couches minces de silice dopée au ger- manium. Battelle réussit à réaliser de tels dépôts montrant la possibilité de créer des gradients d’indice, mais... Malheureuse- ment, aucun des deux partenaires ne breveta cette solution. L’épopée industrielle - L’annonce décisive En septembre 1972 eut lieu à Genève le premier salon de ce qui allait devenir la plus grande manifestation du domaine des télécommunications. Donald B. Keck et Robert D. Maurer de Corning Glass Work annoncèrent la réalisation de fibres optiques de 4 dB/km d’atténuation par une tech- nique à la frontière entre le verre et les semi-conducteurs (l’hydrolyse à la flamme). Pour les quelques labos qui travaillaient sur le sujet, ce fut une véritable bombe permettant de rêver à des systèmes sur 5 à 10 km. Notre méthode de caractérisation par impulsions courtes présentées lors d’une conférence aux USA, en jan- vier 1973 par Rémi Bouillie6 intéressa Corning et quelques semaines plus tard nous pouvions caractériser trois rouleaux 5 K. Steiner, A. Cozanet, M. Tréheux, «multimode waweguides a low pass filter », Applied Optics, Vol 12 n° 11 Nov. 1973 6 Décédé en mars 2010. de fibres. Alors que ces fibres présentaient un profil multimo- dal classique, les impulsions de sortie étaient beaucoup plus courtes que la théorie, dont nous disposions, ne le laissait présager7 . Ces mesures assurèrent pendant longtemps la no- toriété de notre laboratoire. C’est à la même époque que trois autres évènements ap- parurent : • La mise à disposition de diodes électroluminescentes (DEL) modulables jusqu’à quelques dizaines de MHz. Malgré les pertes d’injection élevées dans les fibres, on pouvait espé- rer atteindre des propagations sur quelques kilomètres. Des diodes de ce type nous ont été fournies par les laboratoires RTC (la Radiotechnique à Caen du groupe Philips ; • Les premiers lasers à semi-conducteurs GaAlAS fonction- nant à température ambiante apparurent en 1973. Bien sûr, le premier laser fourni par le laboratoire Thomson CSF de Corbeville (LCR) ne dura que 30 minutes, mais on a pu mesurer des pertes d’injection inférieures à 4 dB, ce qui permettait d’envisager des systèmes à plus de 10 km ; • Les photodétecteurs sont venus remplacer les photomul- tiplicateurs lourds et encombrants, ils atteignent très vite de bonnes performances dopés éventuellement par des phénomènes d’avalanche. C. Boisrobert et ses collabora- teurs réalisèrent les premiers systèmes de détection à très hautes performances. En tout début 1974 nous sablions le champagne devant le premier système complet par fibres optiques à 8 Mbit/s comprenant une diode électroluminescente RTC, 4 kilomè- tres de fibre et une diode PIN de la CGE Marcoussis et un amplificateur faible bruit.8 La phase des recherches initiales a donc montré la faisabi- lité et la crédibilité des télécommunications optiques. Restait à concrétiser sur le plan industriel... Les premiers pas de l’industrie «  Vous ne pourrez jamais mettre ces cheveux de verre dans un câble, et quand ce serait, vous ne pourrez jamais faire des épissures dans un trou d’homme », clamaient les détracteurs lors d’une présentation de nos travaux en mai 1974 dans l’amphithéâtre du CNET à Lannion. En mai 1974, nous prenons avec nous les bobines de fibres Corning de 4 dB/km dûment mesurées et nous les amenons aux Câbles de Lyon pour être insérées dans une chaîne classique de gainage de câbles en cuivre. Il n’y a pas 7 Ce phénomène sera interprété plus tard par Luc Jeunhomme dans sa thèse à la CGE Marcoussis sur les conversions de modes 8 R. Bouillie, M. Tréheux, C. Boisrobert, « Premières études de systèmes de transmission sur fibre optique » numéro spécial des Annales des té- lécommunications sur les fibres optiques, 1974, 29 n° 5-6 p. 235-246. Figure 1 : 1971, fibre Selfoc à gradient d’indice de 1 Km de long et de 20 dB/Km. REE N°1/2012 ◗ 51 Histoire des télécommunications optiques au Centre National d’Etudes des Télécommunications (CNET) de 1960 à 1980 de casse et la bobine de câble réalisée présente une atté- nuation de 6 dB/km, ce qui nous paraît tout à fait encoura- geant. En rentrant à Lannion, nous posons le câble dans une tranchée et là, une autre surprise apparaît : l’atténuation est de 15 dB/km. Il se passe quelque chose qu’il faut expliciter... D’autres laboratoires ont eu la même expérience et l’on ac- cuse les « microcourbures », puis les microcontraintes créées par le gainage, d’entraîner des pertes supplémentaires. Georges Le Noane et al. inventent le câble à jonc rainuré sans contraintes. L’âme centrale du câble est un jonc rainuré qui est mis sous tension lors de la pose des fibres. Celles-ci au nombre de 10 viennent se loger dans les rainures. En supprimant la tension sur le jonc, la fibre se trouve libérée et sans contraintes. Dans la foulée, la même équipe invente les multiconnecteurs. Le câble est réalisé par trois industriels Câbles de Lyon, LTT et plus tard par la SAT. La connectique suit très vite que ce soit aux extrémités ou pour l’épissurage. Du côté des fibres, les Bell Labs ont mis au point la tech- nique CVD dans un tube, technique que nous avions ratée avec l’épisode Batelle. En quelques mois (octobre 1974), les premières fibres françaises (et lannionaises9 ) à 4 dB/km sont fabriquées. Le procédé sera diffusé dans l’industrie et bientôt la CGE et la LTT fabriqueront de telles fibres. Après les tout débuts des lasers à semi-conducteurs réa- lisés à Thomson CSF, une saine émulation apparait entre les laboratoires de Corbeville et de Marcoussis sur ce sujet. Le CNET à Bagneux se joint à la partie dès 1976 et les progrès en termes de fiabilité sont très sensibles, ce qui permet enfin d’envisager la réalisation de systèmes industriels10 . En termes de systèmes, dès 1978, l’équipe de Rémy Bouillie a réalisé la démonstration en laboratoire et sur le terrain de la faisabilité de systèmes à 34 Mbit/s avec tous les composants nécessaires. Des ingénieurs de l’exploitation, après de nombreuses visites sont convaincus et il est décidé d’implanter les premiers systèmes à Paris entre grands cen- traux. La première commande est passée à la LTT-Thomson CSF qui livrera la liaison Tuileries-Philippe Auguste en août 1980 (34 Mbit/s, 7 km de câbles à 70 fibres, des diodes la- sers à 0,9 micron et des photodétecteurs à avalanche). Cette liaison présentera un bilan bien meilleur que celui attendu. Le succès des fibres et les... fantasmes Parallèlement à ces développements industriels, la re- cherche progressait sur les fibres et les lasers. La fenêtre de 9 Équipes de Michel Passaret et André Regreny 10 M. Tréheux, C. Boisrobert , “Optical fiber communication in France” invited paper, conference Integrated Optics and Optical Communica- tions Conference ( IOOC ) 1977 Tokyo longueurs d’ondes utilisées était celle des 0, 8 – 0,9 microns liant une atténuation considérée comme faible (4 dB/km) et les diodes laser à base de Ga Al As. On découvrit alors11 que la fenêtre à 1,3 micron était beaucoup plus favorable en atténuation (2 dB/km) et en dis- torsion dans les fibres (1 Gbit/s-km) à gradient d’indice. Les recherches sur les lasers s’orientèrent alors vers de nouveaux matériaux (tels que le semi-conducteur quaternaire Ga Al As Sb) qui pouvaient émettre à cette longueur d’onde. Puis une nouvelle liaison industrielle, mais à 1,3 micron, fut program- mée entre Le Mans et La Flèche à 140 Mbit/s. Le succès des fibres en transmission à grande distance faisait rêver et, en 1978, nous écrivions une note interne pro- posant ce qui allait devenir le fantasme des Télécommunica- tions jusqu’à aujourd’hui : câbler les foyers en fibres optiques pour offrir des services de type tetra play (visiophone, télé- vision, téléphone et vidéotex)12 . Repris au niveau national, ce fantasme se traduisit par la décision d’ajouter au plan té- lématique, le 6 novembre 1978, le projet Biarritz. Il fut ainsi décidé de câbler cette ville en fibres optiques. Après un appel d’offres très complexe lancé en 1979, la SAT fut choisie avec la LTT pour réaliser l’opération. Le réseau fut opérationnel en 1982. Les résultats de l’expérimentation ont été peu concluants sur le visiophone (ce qui est normal, cet instrument étant avant tout attractif à grande distance). Le reste des services a été plébiscité en particulier la télévision à 15 chaînes et le vidéotex. Ce projet, mal valorisé pour des raisons politi- ques, fut pourtant un banc d’essai industriel extraordinaire en termes de fabrication de composants et de mise au point de technologies (DEL, diodes laser, câbles et épissures, ter- 11 Travaux de Luc Jeunhomme 12 M. Tréheux “Multi services optical network” invited paper National Te- lecommunication Conference, November, 1980, Houston Figure 2 : 1981, la première liaison industrielle en France a été installée entre les deux grands centraux parisiens de Tuileries et Philippe Auguste à 34 Mbit/s sur 7 kilomètres. Les fibres étaient des multimodes, la longueur d’onde des lasers utilisés était de 0,85 µm. Le câble comportait sept joncs rainurés de 10 fibres. On voit ici la pose du câble dans une rue parisienne. 52 ◗ REE N°1/2012 Lasers, fibres et télécommunications minaux visiophone, systèmes de commutation...). La fiabilité des diodes laser a été beaucoup plus grande que prévue surtout si on la compare à celle que nous connaissions en 1980 (1 000 heures). Le fantasme de Biarritz ne s’arrêtera pas en 1981. Il sera repris sous la forme du plan câble qui fut une hérésie éco- nomique. Tous ces développements utilisaient les fibres multimo- des à gradient d’indice. En 1982 nous lancions deux projets d’envergure au CNET à Lannion ; • Le premier13 portait sur l’usage des fibres monomodes et associait les laboratoires du CNET Lannion, du CNET Ba- gneux, de Marcoussis (CGE) et de Corbeville (Thomson CSF) pour développer l’ensemble des composants d’un système à 1 Gbit/s ; • Le second14 portait sur la réalisation d’une maquette de réseau tout optique reprenant les services de Biarritz et utilisant pour la première fois au monde des systèmes de multiplexage en longueurs d’ondes et la commutation op- tique. Il fut présenté à Cannes lors de la conférence ECOC en 1982 et eut un grand succès. 13 Animé par René Auffret 14 Animé par Emile Le Coquil Conclusions Dans les années 70, les fibres s’annonçaient comme une simple amélioration technologique des systèmes de télé- communications existants. En fait, elles ont été la source de trois ruptures fondamentales : • la première est la forte baisse du coût des télécommunica- tions à longue distance dont la mise en œuvre du réseau interurbain tout optique en 1990, constitue la première étape, • l’abondance de capacités de transport qui a modifié tota- lement l’équilibre financier des opérateurs historiques pour qui la distance était la source de revenus principale, • c’est aussi grâce à la formidable explosion des capacités de transport avec des crans d’extension permanents qu’Inter- net à haut débit a pu se développer. La fibre optique, par la suite, a largement pénétré le ré- seau de distribution, mais le rêve d’un câblage tout optique touchant l’ensemble des foyers reste encore très éloigné (on parle de 2035 pour 95 % des foyers). Cette pénétration a été longtemps retardée par le déve- loppement de techniques de type ADSL s’appuyant sur le réseau cuivre, ces techniques s’étant bien développées grâce aux progrès énormes dans les traitements du signal. Jean Le Mézec après ses études (X51, Telecom Paris 56) com- mence sa carrière dans les technologies microondes au CNET. Dès l’annonce des premiers lasers il lance les premières études sur les communications optiques et réalise les composants né- cessaires pour un système hertzien optique. Il rejoint ensuite la Direction scientifique où il œuvrera pour le développement des études sur les fibres. Il deviendra directeur du Centre Lannion B (composants et transmission) de 1983 à 1990. Il sera ensuite CTO à France Telecom North America où il sera une vigie précieuse en particulier pour comprendre le développement de l’Internet aux USA. En parallèle il créera deux associations en 1982 qui subsistent aujourd’hui (l’APAST et l’ABRET) toutes deux œuvrant pour le déve- loppement de la Culture scientifique et technique Michel Tréheux (X, ENST 66) rejoint au CNET l’équipe qui étudie les Télécommunications par Laser dont il prend la direction en 1970 ; il met en place les premières études sur les fibres et les composants associés. Après une incursion dans le domaine de la fiabilité, il met en place un ensemble de laboratoires travaillant sur les réseaux optiques et les composants de visualisation. C’est sous sa direction que verront le jour les projets de systèmes monomo- des, de réseau tout optique et d’écrans plats à matrice active. En 1986 il quitte la recherche pour la direction commerciale où il met en place l’activité marketing pour les grandes entreprises. En 1992 il rejoint la Direction de la stratégie où il est chargé de l’analyse stratégique et de la prospective. Il crée le projet Mediatel qui deviendra Wanadoo en 1995. En 1996 il est directeur délégué à l’innovation. Il anime la task force qui fera basculer l’opérateur historique vers Internet. Il quitte FT en 1999 pour fonder une entreprise de coaching de start up et prend la présidence de l’ABRET en 2009. les auteurs