Doubler la distance des communications par fibre optique n'est plus une option

Début février 2015, des chercheurs de l'UCL (London's Global University) ont publié une nouvelle technique de traitement des signaux par fibre optique. Cette technique permet de doubler la distance de transmission des données sans erreur à travers les câbles sous-marins transatlantiques. Il s'agit sans aucun doute d'une nouvelle étape dans les communications par fibre optique. Au cours des deux derniers mois, cette nouvelle technique a été reprise ou commentée par de nombreuses communautés ou sites d'information du secteur. Cependant, nous en savons peut-être peu sur elle et avons encore des doutes. Comment peut-elle atteindre un tel niveau de performance ? Et cette nouvelle technique va-t-elle révolutionner les communications par fibre optique ? Aujourd'hui, nous allons en parler.

Une brève introduction

Avec la croissance exponentielle des communications, principalement due à la large diffusion d'Internet, les besoins en bande passante et en débit de données ont considérablement augmenté. Cependant, d'un point de vue technique, l'atténuation, la dispersion et la non-linéarité des fibres peuvent limiter considérablement le débit binaire et la portée des communications optiques. Grâce à l'amélioration de la fabrication des fibres et à l'invention de l'amplificateur à fibre dopée à l'erbium (EDFA) , la lutte contre l'atténuation a été gagnée, tandis que la dispersion et la non-linéarité restent des facteurs clés dans les systèmes de communication optique haut débit actuels. La capacité de transmission des systèmes de communication à fibre optique conventionnels est limitée par les distorsions non linéaires dues à l'effet Kerr et par la difficulté de moduler le champ optique pour exploiter efficacement la bande passante disponible. Selon les recherches, en raison de l'impact des non-linéarités des fibres, l'augmentation de la capacité dans le multiplexage par répartition en longueur d'onde (WDM) a ralenti à environ 20 % par an au cours de la dernière décennie. Cependant, la limite fondamentale du canal non linéaire reste inconnue à ce jour, ce qui signifie qu'elle fait toujours l'objet de recherches. Par conséquent, les recherches récentes sur la maximisation de la capacité du cœur de fibre unique se sont concentrées sur l'augmentation de la densité spectrale d'information de chaque canal WDM, tout en utilisant simultanément des techniques avancées de codage et d'atténuation de la non-linéarité de la fibre pour maximiser la distance de transmission réalisable.

De nos jours, les techniques les plus répandues pour augmenter la densité spectrale d'information (ISD) d'un réseau optique consistent à utiliser des formats de modulation avancés à cardinalité élevée ou à réduire l'espacement fréquentiel entre les canaux WDM. Cependant, ces deux techniques présentent des limites importantes. L'augmentation de la cardinalité du format de modulation implique un rapport signal sur bruit (SNR) plus élevé, ce qui impose des exigences strictes aux sous-systèmes émetteur et récepteur. Par ailleurs, la réduction de l'espacement fréquentiel entre les canaux WDM entraîne des interférences inter-canaux qui entraînent des baisses de performances significatives en raison de la diaphonie linéaire. Bien qu'un filtrage strict puisse être utilisé pour limiter la bande passante (BW) de chaque canal WDM, le processus de filtrage lui-même entraîne une interférence inter-symboles (ISI) importante au sein de chaque canal. Cependant, si une forme de filtre appropriée est utilisée, par exemple une impulsion de forme sincère avec un spectre rectangulaire correspondant, le critère de Nyquist pour l'ISI peut être respecté.

Pour obtenir un ISD élevé tout en maintenant la portée de transmission, il est nécessaire d'utiliser une compensation de non-linéarité sur fibre multicanal et un codage de données spectralement efficace. Dans ce travail, les chercheurs ont utilisé un « super-canal 16QAM » composé d'un ensemble de fréquences pouvant être codées en amplitude, phase et fréquence afin de créer un signal optique haute capacité. Une atténuation efficace de la non-linéarité est obtenue grâce à la rétropropagation numérique multicanal (MC-DBP). Cette technique, combinée à une implémentation optimisée de correction d'erreur directe, a permis de démontrer un gain record de 85 % en termes de portée de transmission, portant la distance de transmission maximale de 3 190 km à 5 890 km, avec un ISD de 6,60 b/s/Hz. De 3 190 km à 5 890 km, il s'agit d'une avancée majeure pour doubler la distance de transmission des communications par fibre optique. On peut s'attendre à ce que cette nouvelle méthode réduise les coûts des communications longue distance par fibre optique, car les signaux n'auraient plus besoin d'être amplifiés électroniquement pendant leur trajet, ce qui est important lorsque les câbles sont enfouis sous terre ou au fond de l'océan. C'est pourquoi cette nouvelle technique suscite un vif intérêt. Pour élargir le champ d'application de ces résultats de recherche, les chercheurs testeront leur nouvelle méthode sur des super-canaux plus denses, couramment utilisés dans la télévision numérique par câble (64QAM), les modems câble (256QAM) et les connexions Ethernet (1024QAM).

Candidatures et perspectives

On s'efforce constamment de résoudre les limitations de la transmission longue distance par fibre optique. Le système WDM est incontestablement la tendance principale. Cependant, en raison de l'impact des non-linéarités de la fibre, son développement a ralenti. De plus, son coût reste élevé. Ces facteurs limitent la transmission optique longue distance et empêchent la communication par fibre optique actuelle de répondre à la demande croissante. Cette technique, capable de corriger les données transmises en cas de corruption ou de distorsion en cours de route, pourrait également contribuer à augmenter la capacité utile des fibres. Cette opération est réalisée directement au niveau du récepteur, sans qu'il soit nécessaire d'introduire de nouveaux composants au sein de la liaison elle-même. Augmenter la capacité de cette manière est crucial, car les fibres optiques transportent 99 % des données et la demande augmente avec l'utilisation croissante d'Internet, dont la capacité actuelle ne peut pas couvrir les besoins. Changer de récepteur est bien plus économique et plus simple que de réinstaller des câbles, ce qui est particulièrement utile pour les câbles enfouis sous terre ou au fond des océans. Cette nouvelle découverte améliorera considérablement l'efficacité des communications par fibre optique en doublant les distances de transmission. Cependant, ce n'est qu'un début. L'utilisation de cette nouvelle technique dans d'autres applications pourrait poser de nombreux défis. Parmi eux, surmonter les limites de capacité des câbles à fibre optique est essentiel pour résoudre ce problème. Malgré les nombreuses difficultés, doubler la distance des communications par fibre optique n'est plus un rêve et se rapproche. Nous sommes convaincus qu'un jour, des techniques plus avancées seront démontrées et appliquées.