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En vedette - Transmission optique de données sensible à la phase: une nouvelle étape franchie

Les câbles en fibre optique sont en passe de constituer le pilier de l'Internet, des principales lignes interurbaines entre les villes, les pays et les continents au réseau de câbles reliant les centres de commutation aux habitations et stations relais de téléphonie mobile. Une approche pionnière de la transmission de données, soutenue par un financement de l'UE, promet d'augmenter la capacité, la portée et l'efficacité des réseaux de fibre optique.

Économie numérique

Traditionnellement, les communications commerciales par fibre optique reposent sur le codage des données dans l'amplitude d'un faisceau lumineux (en variant l'intensité de la lumière pour transmettre l'information). Le fait de placer ce qu'on appelle des EDFA (Erbium-doped fibre amplifiers, ou amplificateurs à fibre dopée à l'erbium) à intervalles réguliers le long de la fibre pour stimuler la force du signal évite la perte de propagation, mais fournit un usage relativement inefficace du potentiel de la fibre. Utiliser la phase, plutôt que l'amplitude, d'un faisceau lumineux pour coder des données peut potentiellement offrir une augmentation exponentielle dans la capacité de transport de l'information. Mais les possibilités d'amélioration sont limitées: en raison du bruit généré durant l'amplification optique et de la diaphonie entre les différentes longueurs d'onde (canaux), provoquée par des interactions optiques non linéaires. «Le câble en fibre optique présente une énorme capacité de transport des données et les systèmes commerciaux ont toujours des capacités largement suffisantes, mais ces dernières années nous avons commencé à atteindre les limites pratiques dans la recherche en laboratoire avec l'utilisation des techniques de transmission existantes et la technologie d'amplification optique conventionnelle,» explique le Professeur David Richardson, Directeur adjoint du Centre de recherche en optoélectronique (ORC) de l'Université de Southampton, au Royaume-Uni. En théorie, l'identification de l'«amplification sensible à la phase» (PSA) en tant que moyen potentiel d'amplifier les signaux optiques sans le bruit ajouté remonte aux années 1960. Plus récemment, il a été démontré qu'elle offrait un moyen de supprimer le bruit de phase (et, dans une moindre mesure, le bruit d'amplitude) des signaux optiques dégradés durant la transmission - une fonction connue sous le nom de «régénération optique». Réalisant que des améliorations en technologie à composante optique impliquaient la possibilité de réaliser une PSA, une équipe rassemblant des chercheurs issus de huit organisations partenaires de sept pays différents a lancé le projet Phasors («Phase-sensitive amplifier systems and optical regenerators, and their applications»). Soutenus par un financement de 2,7 millions d'euros de la Commission européenne, leurs travaux ont permis aux amplificateurs sensibles à la phase de passer du stade de curiosités théoriques à celui de dispositifs réalisables. Éliminer le bruit et la diaphonie entre canaux «Nous savions que la PSA permettrait une amplification à très faible bruit ainsi que la suppression du bruit de phase dans les systèmes de communication optique, mais pour y parvenir nous avions des défis technologiques considérables à relever», déclare le Professeur Richardson, coordinateur scientifique de Phasors. «Nous avons réussi à prouver par une mise en pratique que la PSA était possible, et démontré ses nombreuses propriétés bénéfiques pour réduire le bruit ainsi que les améliorations associées en performance réseau.» Ciblant la mise au point d'une technologie destinée aux réseaux offrant une bande passante de 40 giga-octets par seconde (Go/s), l'équipe du projet Phasors a présenté deux dispositifs principaux - un amplificateur sensible à la phase et un régénérateur optique pour signaux codes en phase - qui apportaient une réduction de bruit considérable dans les systèmes de transmission. Le bruit de phase - des fluctuations rapides, aléatoires et brèves dans la phase d'un signal - est provoqué par une variété de processus, y compris le bruit quantique ajouté dans le processus d'amplification et les signaux sur des longueurs d'onde différentes provoquant une interaction dans la même fibre de transmission. Il nuit à la fidélité du signal et entrave la performance réseau. Contrairement aux amplificateurs traditionnels qui sont insensibles à la phase, l'amplificateur Phasors est sensible à la phase et s'est révélé capable d'amener le niveau de bruit juste au-dessus de 1 dB. En comparaison, les amplificateurs à fibre dopée à l'erbium traditionnels ont un niveau de bruit d'au moins 3 dB, mais en général plus proche de 5 dB. «Obtenir une amplification optique silencieuse est le rêve ultime de la recherche en amplification optique», note le Professeur Richardson. «Les amplificateurs Phasors représentent certainement une étape importante dans ce sens.» Le sous-système de régénération optique Phasors supprime les interférences pour les signaux de phases binaires à haut débit. Alors que les précédents dispositifs de régénération de signal convertissaient le signal optique en un signal électronique, ralentissant la vitesse de transmission des données, le dispositif Phasors réduit le bruit de phase et le bruit d'amplitude générés en restant dans le domaine optique. Par ailleurs, le projet a démontré la possibilité d'élargir l'approche de régénération de base pour permettre la régénération de signaux avec des niveaux de codage de phase très supérieurs, en ne se limitant pas au binaire, par exemple en réalisant pour la première fois une régénération de modulation par quadrature de phase (quatre états) ou QPSK. «Quand nous avons lancé Phasors, notre but était de montrer ce qui était possible et ce qui ne l'était pas avec un traitement de signal tout-optique et l'amplification de signaux codes en phase. Ces dispositifs démontrent que la technologie fonctionne, pas simplement en théorie, mais en pratique, et offre une certaine fonctionnalité très utile et habilitante», explique le Professeur Richardson. De la recherche aux applications commerciales Étant donné l'intérêt porté par de nombreux chercheurs en Europe, aux États-Unis et ailleurs aux travaux menés par l'équipe du projet Phasors, l'aboutissement de celui-ci promet, à long terme, d'apporter des améliorations significatives dans le débit, la capacité, la portée et l'efficacité des réseaux de fibre optique. En outre, la technologie a des applications importantes dans un éventail d'autres domaines tels que les tests et mesures optiques, la détection et la métrologie. Les membres du consortium Phasors mettent au point des dispositifs et technologies à but commercial en s'appuyant sur les avancées significatives réalisées dans le cadre du projet. Des composants, notamment des fibres optiques spéciales et des lasers haute performance, génèrent déjà des ventes appréciables. Le partenaire suédois EXFO, un fournisseur mondial de solutions de test et d'assurance de services pour les télécommunications, a conçu et commercialise un appareil de test et mesure de caractérisation des signaux codes en phase et amplitude complexes basé sur ses travaux de recherche dans le cadre du projet. «Bien que le projet Phasors soit maintenant terminé, il est assuré d'avoir un impact sur le long terme», explique le Professeur Richardson. «Les composants haute performance et les systèmes de mesure sont déjà sur le marché et l'intérêt que la communauté de la recherche porte à la technologie PSA dans le domaine des télécommunications et des applications connexes ne cesse de croître. Rien qu'en Europe, plusieurs projets financés au niveau national se poursuivent en se fondant sur nos travaux et beaucoup d'autres projets d'envergure sont lancés de par le monde.» «Phasors a également suscité l'intérêt du milieu universitaire», poursuit-il. «Un nombre imposant d'articles de valeur ont été publiés dans de grandes revues scientifiques comme 'Nature Photonics' et nous avons présenté des articles prestigieux lors de conférences internationales de premier plan et, plus récemment, à la Conférence européenne sur les communications optiques (ECOC 2011) qui s'est tenue à Genève, en Suisse, et la Conférence sur les communications par fibre optique (OFC 2012) aux États-Unis, où plusieurs articles sur le thème du traitement des signaux optiques sensibles à la phase ont été présentés.» Phasors a reçu un financement au titre du septième programme-cadre de l'Union européenne (7e PC). Liens utiles: - Site web du projet «Phase Sensitive Amplifier Systems and Optical Regenerators and their applications» - Fiche d'informations du projet PHASORS sur CORDIS Articles connexes: - Un projet de l'UE améliore la transmission mondiale de données - Un amplificateur optique pratiquement silencieux - PHASORS améliore les réseaux de communication optiques - Un nouveau projet ouvre la voie à la prochaine génération de réseaux optiques - Article «All-optical phase and amplitude regenerator for next-generation telecommunications systems», revue Nature Photonics 4, 690–695, 2010 - Article «Multilevel quantization of optical phase in a novel coherent parametric mixer architecture», revue Nature Photonics 5, 748–752, 2011