Qu’est-ce que l’optique cohérente ?

Aujourd’hui, les besoins mondiaux en bande passante sont de plus en plus importants, ils augmentent de 25 à 50 % chaque année et les installations actuelles fonctionnant à 10G ou 40G ne sont pas suffisantes pour répondre à cette énorme demande et à cette exigence d’évolutivité rapide.

À l’heure actuelle, la façon la plus courante d’envoyer des données avec la lumière est accomplie par une simple modulation d’amplitude (on-off keying OOK). Cela signifie que la lumière est allumée et éteinte pour envoyer des données. Mais cette façon simple de procéder a atteint ses limites car nous ne pouvons pas allumer et éteindre la lumière assez rapidement pour augmenter le taux de transmission des données. L’industrie a donc cherché des moyens plus sophistiqués de moduler la lumière. De nombreuses autres techniques de modulation éprouvées existent déjà dans le monde de la transmission RF. L’industrie applique et adapte donc certaines de ces techniques pour moduler la lumière. L’optique cohérente regroupe ces techniques en utilisant les diverses propriétés de la lumière pour envoyer plus de données. Ces propriétés clés de la lumière sont son amplitude, sa phase et sa polarisation.

• Modulation d’amplitude : Au lieu d’utiliser la simple modulation OOK (noir et blanc), nous pouvons utiliser différents niveaux intermédiaires d’amplitude (niveaux de gris). C’est comme un variateur d’intensité pour une ampoule électrique. On parle d’ASK : Amplitude shift keying. L’amplitude d’une porteuse est décalée entre deux états pour représenter les zéros et les uns.

  

   

• Modulation de phase : En gardant à l’esprit que la lumière se comporte comme une onde, chaque onde (comme une vague d’eau sur un lac) a un bord avant, un pic et un bord d’attaque. Pour expliquer la phase, imaginons un vent constant soufflant sur un lac, cela signifie que les vagues d’eau se suivront, et que leur pic arrivera à intervalle constant. Avec les yeux fermés et une horloge précise, nous pouvons même anticiper l’arrivée de chaque pic. Si, pour une raison ou une autre, la pointe de l’eau n’arrive pas au moment prévu, cela signifie que quelque chose s’est produit. La phase a été modifiée ; la phase a été modulée par un événement. Cet événement est un élément d’information en soi. Pour en revenir à la lumière, imaginez que nous puissions détecter sa phase, alors toute modulation de phase de la lumière bien contrôlée peut être utilisée pour envoyer et détecter des données. C’est la modulation de phase. On parle de PSK : Phase shift keying. La phase d’une porteuse varie entre deux états pour représenter les zéros et les uns.

• La polarisation : Avec l’onde porteuse de la lumière, il y a un degré de liberté supplémentaire, qui est la polarisation de la lumière ; Il y a deux directions principales de polarisation : Verticale et Horizontale ; les deux sont utilisées indépendamment pour coder le message. Ces deux directions peuvent également être utilisées pour transporter des messages séparés. C’est la modulation de polarisation. Avec l’optique cohérente, nous utilisons la polarisation verticale et horizontale de la lumière pour transmettre des données.

La technologie cohérente utilise les trois degrés de liberté (amplitude, phase et polarisation de la lumière) pour concentrer davantage de données sur l’onde qui est transmise. De cette façon, nous pouvons atteindre des débits binaires beaucoup plus élevés sur une seule longueur d’onde avec une modulation cohérente. Pour atteindre cet objectif, nous avons besoin d’un moteur optique cohérent (émetteur et récepteur cohérents) soutenu par une pièce électronique sophistiquée pour faire le travail. C’est le rôle du DSP (Digital Signal Processor). Ce DSP possède diverses fonctionnalités telles que la compensation de la dispersion chromatique (CD), la compensation de la dispersion en mode de polarisation (PMD), la compensation des non-linéarités, la récupération de l’horloge des symboles, la récupération de la phase de la porteuse, la compensation du décalage de fréquence, la détection des symboles, le démultiplexage de la polarisation…

Toutes ces fonctionnalités permettront une plus grande souplesse dans les débits de lignes, avec une évolutivité de 100G à 400G et au-delà par porteuse de signal unique.

Qu’en est-il des termes comme QPSK ou QAM ?

QPSK signifie Quadrature Phase Shift Keying (modulation par déplacement de phase en quadrature). Dans le domaine de la fibre optique, il s’agit de déphaser l’onde lumineuse selon quatre possibilités différentes tout en maintenant l’amplitude fixe. QPSK est synonyme de 4QAM où QAM signifie modulation d’amplitude en quadrature et où l’on ne joue pas avec l’amplitude du signal. La technologie permet de mettre de plus en plus de niveau de phase et d’amplitude afin d’atteindre 8QAM, 16QM, 32QAM et même 64QAM. Plus vous ajoutez de niveaux, plus vous pouvez atteindre des débits binaires élevés. Par exemple, le 64QAM contient 6 bits par symbole. Cela signifie qu’un débit de 100 GBaud/s correspondrait à la transmission d’un signal de 600 Gbit/s avec OOK, ce qui est techniquement impossible.

En résumé, la technologie optique cohérente présente les avantages suivants :

• Programmabilité : Cette technologie peut être adaptée à une grande variété de réseaux et d’applications et la même carte peut prendre en charge plusieurs formats de modulation et/ou différentes vitesses de transmission, ce qui permet aux opérateurs de choisir parmi une variété de débits de ligne.
• Correction d’erreur directe (FEC) à décision douce à haut gain : Permet aux signaux de parcourir de plus longues distances tout en nécessitant moins de points de régénération. Elle offre une plus grande marge, permettant aux signaux à débit binaire plus élevé de parcourir de plus grandes distances. Il en résulte des lignes photoniques plus simples, moins d’équipements, des coûts réduits et une augmentation significative de la bande passante.
• Mise en forme spectrale : Offre une plus grande capacité à travers les multiplexeurs optiques d’insertion-extraction reconfigurables (ROADM) en cascade, ce qui se traduit par une efficacité spectrale accrue pour les supercanaux. La mise en forme spectrale est essentielle dans les systèmes de réseaux flexibles car elle permet de rapprocher les porteuses pour maximiser la capacité.

• Forte atténuation de la dispersion : Offre de meilleures performances optiques à des débits binaires plus élevés. Les processeurs cohérents doivent tenir compte des effets de dispersion après la transmission du signal sur la fibre, notamment en compensant la CD et la PMD. Les processeurs de signaux numériques avancés de l’optique cohérente éliminent le casse-tête de la planification des cartes de dispersion et de la budgétisation de la PMD en atténuant ces effets. En outre, les processeurs cohérents améliorent les tolérances pour la perte en fonction de la polarisation (PDL) et doivent suivre rapidement l’état de polarisation (SOP) pour éviter les erreurs de bit dues aux glissements de cycle qui affecteraient autrement les performances optiques. En conséquence, les opérateurs peuvent déployer des débits de ligne allant jusqu’à 400G par porteuse sur des distances plus longues que jamais ; les signaux à haut débit peuvent même être déployés sur d’anciennes fibres qui, auparavant, ne pouvaient pas supporter le 10G.

Source: Ciena, What is Coherent Optics