Cette technologie permet d'utiliser l'infrastructure de fibre optique existante pour accroître le trafic de communication de manière rentable et efficace. Elle facilite l'extension de la capacité de transmission dans les zones urbaines et les quartiers résidentiels densément peuplés, où l'installation peut s'avérer complexe, et offre la possibilité de réduire considérablement les délais et les coûts de déploiement du service.

Ce développement a été réalisé dans le cadre du « Projet de recherche et de développement pour des infrastructures améliorées pour les systèmes d'information et de communication post-5G (1) » (2) commandé par la New Energy and Industrial Technology Development Organization (NEDO) du Japon.

Fibre optique Fujitsu


Figure 1 : Image du système utilisant une technologie de transmission multiplexée en longueur d'onde multibande à haute capacité

Contexte du projet

Face à la demande croissante de services exploitant l'Internet des objets (IoT), l'intelligence artificielle (IA) et l'analyse des mégadonnées, NEDO ambitionne de renforcer la base japonaise de développement et de fabrication des systèmes d'information et de communication post-5G en développant les technologies clés de ces systèmes. Dans ce cadre, Fujitsu et KDDI Research participent, d'octobre 2020 à octobre 2023, à un projet visant à améliorer les performances des réseaux optiques post-5G. Les réseaux de communication par fibre optique commerciaux classiques utilisent des fibres monomodes, dans lesquelles la lumière ne circule qu'au centre de la fibre, et exploitent la bande C (longueur d'onde de 1 530 à 1 565 nm) (3) comme bande de transmission du signal. Cependant, avec l'augmentation du trafic de communication, la bande C seule devrait présenter une capacité de transmission insuffisante. Pour augmenter la capacité de transmission par fibre optique, les deux sociétés ont entrepris d'augmenter la bande de longueur d'onde utilisée de la bande C à la bande L (1 565 nm à 1 625 nm), à la bande S (1 460 nm à 1 530 nm), à la bande U (1 625 nm à 1 675 nm) et à la bande O (1 260 nm à 1 360 nm), dans le but de la rendre multibande.

Résultats du projet

Dans le cadre de ce projet, Fujitsu a développé un modèle de simulation prenant en compte les facteurs de dégradation des performances de transmission en transmission multibande, permettant ainsi la conception de systèmes de multiplexage en longueur d'onde multibande. Ce modèle reflète les résultats de mesures des caractéristiques et des paramètres de transmission de fibres optiques commerciales, obtenus lors de la validation d'un système expérimental intégré amplificateur/convertisseur de longueur d'onde multibande. Grâce à ce modèle, Fujitsu a réalisé des simulations de haute précision réduisant les erreurs de mesure réelles à 1 dB, permettant ainsi de prendre en compte l'interaction interbande et la dégradation des performances de transmission.

KDDI Research a rendu possible l'utilisation d'une bande passante deux fois plus large dans la bande O que dans la bande C conventionnelle, une capacité inédite pour la transmission par multiplexage en longueur d'onde haute densité (DWDM) (4). En combinant ces deux technologies, les deux entreprises ont mené des expériences de transmission réelles sur des fibres optiques existantes et ont démontré la transmission multibande par multiplexage en longueur d'onde (distance de transmission de 45 km) dans les bandes O, S, C, L et U (figure 2), prouvant ainsi la faisabilité du multiplexage en longueur d'onde avec une multiplicité de longueurs d'onde 5,2 fois supérieure à celle d'une transmission conventionnelle en bande C uniquement. Les deux entreprises ont également confirmé, par simulation, la transmission multibande par multiplexage en longueur d'onde (distance de transmission de 560 km) dans les bandes S, C, L et U.

Les principaux résultats de la recherche sont décrits ci-dessous :

fibre optique Fujitsu 2-w

Figure 2 : Spectre optique reçu d'une seule fibre installée lorsque les bandes O, S, C, L et U sont transmises simultanément.

1. Mise en place de la technologie de transmission multibande à multiplexage par répartition en longueur d'onde dense (DWDM).

Dans la conception classique d'un système de transmission en bande C, les paramètres considérés comme constants ne posent pas de problèmes pratiques. Cependant, dans le cas d'une transmission multibande (bandes S, C, L et U), la différence de performances de transmission entre les bandes de longueurs d'onde est significative et une conception prenant en compte cette dépendance spectrale est indispensable. Par exemple, les facteurs de dégradation non linéaire s'accentuent avec l'augmentation de la puissance optique injectée dans la ligne de transmission et de la distance de transmission, limitant ainsi les performances. En particulier, la diffusion Raman stimulée (5), la modulation de phase croisée (6) et le mélange à quatre ondes (7), induits par l'interaction de la lumière avec plusieurs longueurs d'onde, sont prépondérants aux multiplicités de longueurs d'onde élevées et impactent fortement les performances de transmission des systèmes de multiplexage en longueur d'onde multibandes.

Dans le cadre de ce projet, Fujitsu et KDDI Research ont mis au point une méthode de conception pour les systèmes de multiplexage en longueur d'onde multibandes. Cette méthode repose sur la construction d'un modèle de simulation prenant en compte l'interaction entre les différentes bandes et les facteurs de dégradation des performances de transmission. De plus, grâce à la génération des signaux optiques des bandes C et L, respectivement, par traitement optique des signaux WDM dans les bandes S et U, il n'est plus nécessaire de disposer d'émetteurs et de récepteurs dédiés pour chaque bande. L'intégration de ces technologies a permis la transmission DWDM dans les bandes S, C, L et U grâce à une technologie de transmission cohérente exploitant la phase de la lumière, autorisant ainsi des communications à haut débit et à haute capacité.

Fibre optique Fujitsu-3

Figure 3 : Transition de puissance optique du signal entre plusieurs bandes par diffusion Raman stimulée.
En haut : Cas non contrôlé. En bas : Cas contrôlé assurant une distribution uniforme de la puissance optique après propagation dans la fibre.

2. Mise en place d'une technologie de transmission DWDM cohérente dans la bande O

Traditionnellement, la technologie de transmission cohérente tend à déformer les signaux de transmission en bande O en raison de l'influence d'autres composantes du signal optique. De plus, le bruit non linéaire, fréquent en bande O, est souvent difficile à éliminer par traitement numérique du signal, ce qui réduit les performances globales du système. Par conséquent, la mise en œuvre de la transmission cohérente en bande O représente un véritable défi.

Il est possible de minimiser le bruit non linéaire dans la bande O en ajustant la puissance optique émise pour chaque signal de longueur d'onde multiplexé à haute densité. Cette approche minimise les effets du bruit non linéaire et permet une transmission DWDM cohérente à plus de 9,6 THz dans la bande O, même sans compensation du signal à l'émetteur ni de la dispersion de longueur d'onde à la réception. La bande O, bande de longueurs d'onde à dispersion quasi nulle, est moins affectée par la dispersion de longueur d'onde (8) et présente l'avantage de réduire la charge du traitement numérique du signal et d'améliorer l'efficacité énergétique.


Notes

1] Post-5G : Il s’agit du système de communication mobile qui améliore la latence ultra-faible et les connexions simultanées multiples du système de communication mobile de cinquième génération (5G).
2] Projet : Nom du projet (JPNP20017) : Projet de recherche et développement pour une infrastructure améliorée pour les systèmes d’information et de communication post-5G (commandité par la NEDO – New Energy and Industrial Technologies Development Organization).
3] Bande C : Abréviation de bande conventionnelle. Elle désigne la bande de longueurs d’onde de 1 530 à 1 565 nm utilisée pour les communications optiques.
4] DWDM : Acronyme de multiplexage par répartition en longueur d’onde dense. C’est une méthode de multiplexage en longueur d’onde dense de la technologie WDM (multiplexage par répartition en longueur d’onde) qui augmente la densité de transmission en multiplexant plusieurs signaux optiques de différentes longueurs d’onde en un seul faisceau lumineux.
5] Diffusion Raman stimulée : Phénomène dans lequel un signal optique intense (lumière de pompe) se propageant dans une fibre optique excite les molécules du verre de la fibre, générant ainsi une nouvelle lumière (lumière Stokes). Cette lumière Stokes a une fréquence inférieure à celle de la lumière de pompe et se propage dans la même direction. La diffusion Raman stimulée contribue souvent au bruit lors de la transmission de signaux optiques de forte puissance et affecte la qualité de la communication.
6] Modulation de phase croisée : Plusieurs signaux optiques se propageant dans une fibre optique interagissent, modifiant la phase de chaque signal. Plus précisément, une variation d'intensité d'un signal optique (impulsion optique) modifie la phase des autres signaux optiques se propageant dans la même fibre. Cette modulation de phase est due à la non-linéarité de la fibre optique. La modulation de phase croisée peut provoquer une distorsion du signal et des interférences dans les systèmes où plusieurs signaux optiques se propagent simultanément, tels que les systèmes DWDM.
7] Mélange à quatre ondes : Plusieurs ondes lumineuses se propageant dans une fibre optique interagissent pour générer de nouvelles ondes lumineuses. Cette nouvelle onde lumineuse se propage à la même vitesse et dans la même direction que l'onde lumineuse initiale, mais sa fréquence est déterminée par la combinaison des fréquences des ondes lumineuses initiales. Le mélange à quatre ondes est dû aux non-linéarités de la fibre optique, notamment en présence de signaux optiques de forte puissance ou de signaux optiques largement espacés (par exemple, DWDM). Ceci peut entraîner une distorsion et des interférences du signal, affectant les performances des systèmes de communication optique.
- 8] Dispersion de longueur d'onde : Phénomène par lequel la vitesse de propagation des ondes lumineuses dans les fibres optiques varie en fonction de la longueur d'onde.