Qu’est-ce que DWDM et pourquoi est-il important ?

Cela fait presque 20 ans que le DWDM est entré en scène avec l’introduction par Ciena d’un système à 16 canaux en mars 1996, et au cours des deux dernières décennies, il a révolutionné la transmission d’informations sur de longues distances. Le DWDM est tellement omniprésent que l’on oublie souvent qu’il fut un temps où il n’existait pas et où l’accès aux informations depuis l’autre bout du globe était coûteux et lent. Désormais, nous ne pensons plus au téléchargement d'un film ou à la passation d'un appel IP à travers les océans et les continents. Les systèmes actuels disposent généralement de 96 canaux par fibre optique, chacun pouvant fonctionner à 100 Gbit/s, contre 2,5 Gbit/s par canal dans les systèmes initiaux. Tout cela m’a fait réfléchir au fait qu’il faut souvent deux innovations couplées pour faire une révolution. Les ordinateurs personnels n’ont révolutionné la vie de bureau que lorsqu’ils ont été couplés aux imprimantes laser. De même, les avantages du DWDM étaient énormes grâce aux amplificateurs à fibre dopée à l'erbium (EDFA).

 

DWDM signifie Dense Wavelength Division Multiplexing, ce qui est une manière complexe de dire que, puisque les photons n'interagissent pas les uns avec les autres (du moins pas beaucoup), différents signaux sur différentes longueurs d'onde de lumière peuvent être combinés sur une seule fibre, transmis à l'autre. extrémité, séparés et détectés indépendamment, augmentant ainsi la capacité de charge de la fibre par le nombre de canaux présents. En fait, le WDM non dense, tout simplement ancien, était utilisé depuis un certain temps avec 2, 3 ou 4 canaux dans des circonstances spécialisées. Il n’y avait rien de particulièrement difficile à construire un système DWDM de base. La technologie initialement utilisée pour combiner et séparer les longueurs d'onde était constituée de filtres interférentiels à couches minces qui avaient été développés à un haut degré au 19e siècle. (De nos jours, des circuits intégrés photoniques appelés Arrayed Waveguide Gratings, ou AWG, sont utilisés pour remplir cette fonction.) Mais jusqu'à l'avènement des EDFA, le DWDM ne présentait pas beaucoup d'avantages.

 

La transmission de données par fibre optique a commencé dans les années 1970 avec la découverte que certains verres présentaient une très faible perte optique dans la région spectrale du proche infrarouge et que ces verres pouvaient être transformés en fibres qui guideraient la lumière d'une extrémité à l'autre, la gardant confinée. et le livrer intact, bien que réduit par la perte et la dispersion. Avec le développement des fibres, des lasers et des détecteurs, des systèmes ont été construits qui pouvaient transmettre des informations optiques sur 80 km avant qu'il ne soit nécessaire de « régénérer » le signal. La régénération impliquait de détecter la lumière, d'utiliser un circuit électronique numérique pour reconstruire l'information puis de la retransmettre sur un autre laser. 80 km, c'était beaucoup plus loin que ce que les systèmes de transmission micro-ondes actuels pouvaient parcourir, et la transmission par fibre optique a été adoptée à grande échelle. Même si 80 km représentaient une amélioration significative, cela signifiait néanmoins que de nombreux circuits de régénération seraient nécessaires entre Los Angeles et New York. Avec un circuit de régénération nécessaire par canal tous les 80 km, la régénération est devenue le facteur limitant de la transmission optique et le DWDM n'était pas très réalisable. Les filtres alors coûteux devraient être utilisés tous les 80 km pour séparer la lumière de chaque canal avant la régénération et pour recombiner les canaux après la régénération.

 

La régénération complète étant coûteuse, les chercheurs ont commencé à chercher d’autres moyens d’étendre la portée d’un système de transmission par fibre optique. À la fin des années 1980, les amplificateurs à fibre dopée Erbuim (EDFA) sont apparus. Les EDFA étaient constitués de fibres optiques dopées avec des atomes d'Erbium qui, lorsqu'ils étaient pompés avec un laser d'une longueur d'onde différente, créaient un milieu de gain qui amplifierait la lumière dans une bande proche de la longueur d'onde de 1 550 nm. Les EDFA permettaient d'amplifier les signaux optiques dans les fibres, ce qui pouvait contrecarrer les effets de la perte optique, mais ne pouvaient pas corriger les effets de dispersion et autres déficiences. En fait, les EDFA génèrent un bruit d'émission spontanée amplifié (ASE) et pourraient provoquer des distorsions de non-linéarité des fibres sur une longue distance de transmission. Ainsi, les EDFA n'ont pas éliminé complètement le besoin de régénération, mais ont permis aux signaux de parcourir plusieurs sauts de 80 km avant que la régénération ne soit nécessaire. Étant donné que les EDFA étaient moins chers que la régénération complète, des systèmes ont été rapidement conçus qui utilisaient des lasers de 1 550 nm au lieu du 1 300 nm alors en vigueur.

 

Puis vint le moment « ah ha ». Étant donné que les EDFA se contentent de répliquer les photons entrant et d'envoyer davantage de photons de la même longueur d'onde, deux canaux ou plus pourraient être amplifiés dans le même EDFA sans diaphonie. Avec DWDM, un EDFA pourrait amplifier tous les canaux d'une fibre à la fois, à condition qu'ils s'inscrivent dans la région de gain EDFA. Le DWDM a alors permis l’utilisation multiple non seulement de la fibre mais aussi des amplificateurs. Au lieu d'un circuit de régénération pour chaque canal, il y avait désormais un EDFA pour chaque fibre. Une seule fibre et une chaîne d'un amplificateur tous les 40 à 100 km pourraient prendre en charge 96 flux de données différents. Des régénérateurs sont encore nécessaires aujourd'hui, tous les 1 200 à 3 500 km, lorsque le bruit EDFA ASE accumulé dépasse un seuil qu'un processeur de signal numérique et un codec de correction d'erreurs peuvent gérer.

 

Bien entendu, étant donné que la région de gain de l’EDFA était limitée à environ 40 nm de largeur spectrale, une grande importance a été accordée à l’ajustement des différentes longueurs d’onde optiques aussi près que possible. Les systèmes actuels placent les canaux à 50 GHz, soit environ 0,4 nm, et les expériences de héros ont fait bien plus.

 

En parallèle, les nouvelles technologies ont augmenté la bande passante par canal jusqu'à 100 Gbit/s en utilisant des techniques cohérentes dont nous avons parlé dans d'autres articles de blog. Ainsi, une seule fibre qui, au début des années 1990, aurait transporté 2,5 Gbit/s d'informations, peut désormais transporter près de 10 térabits/s d'informations, et nous pouvons regarder des films de l'autre côté du globe.