Il y a peu, les résultats de mi-année pour le développement conjoint de Hengqin entre Zhuhai et Macao se développaient lentement. L'un des projets de fibre optique transfrontalière a retenu l'attention. Il traversait Zhuhai et Macao pour réaliser l'interconnexion de puissance de calcul et le partage des ressources entre Macao et Hengqin, et construire un canal d'information. Shanghai promeut également le projet de modernisation et de transformation du réseau de communication tout-fibre « optique vers cuivre » afin d'assurer un développement économique de qualité et de meilleurs services de communication pour les habitants.
Avec le développement rapide de la technologie Internet, la demande des utilisateurs en trafic Internet augmente de jour en jour, comment améliorer la capacité de communication par fibre optique est devenu un problème urgent à résoudre.
Depuis son apparition, la technologie de communication par fibre optique a entraîné des changements majeurs dans les domaines scientifique, technologique et sociétal. Application majeure de la technologie laser, la technologie de l'information laser, représentée par la communication par fibre optique, a construit le cadre des réseaux de communication modernes et est devenue un élément essentiel de la transmission de l'information. La fibre optique est un moteur essentiel de l'Internet actuel et l'une des technologies clés de l'ère de l'information.
Avec l'émergence continue de nouvelles technologies telles que l'Internet des objets, le big data, la réalité virtuelle, l'intelligence artificielle (IA), les communications mobiles de cinquième génération (5G) et d'autres technologies, les exigences en matière d'échange et de transmission d'informations sont de plus en plus élevées. Selon une étude publiée par Cisco en 2019, le trafic IP annuel mondial passera de 1,5 Mbps (1 Mbps = 1021 Mbps) en 2017 à 4,8 Mbps en 2022, soit un taux de croissance annuel composé de 26 %. Face à cette forte croissance du trafic, la fibre optique, élément central du réseau de communication, subit une forte pression de modernisation. Les systèmes et réseaux de communication à fibre optique haut débit et grande capacité constitueront l'axe de développement principal de la technologie de la fibre optique.
Historique du développement et état de la recherche sur la technologie de communication par fibre optique
Le premier laser à rubis a été développé en 1960, suite à la découverte du fonctionnement des lasers par Arthur Showlow et Charles Townes en 1958. Puis, en 1970, le premier laser à semi-conducteur AlGaAs capable de fonctionner en continu à température ambiante a été développé avec succès, et en 1977, le laser à semi-conducteur a été réalisé pour fonctionner en continu pendant des dizaines de milliers d'heures dans un environnement pratique.
Jusqu'à présent, les lasers remplissaient les conditions requises pour la communication commerciale par fibre optique. Dès l'invention du laser, ses inventeurs ont reconnu son potentiel important dans ce domaine. Cependant, la technologie de communication laser présente deux inconvénients majeurs : d'une part, une importante quantité d'énergie est perdue en raison de la divergence du faisceau ; d'autre part, elle est fortement influencée par l'environnement d'application, notamment par les variations climatiques en milieu atmosphérique. Par conséquent, un guide d'ondes optique adapté est essentiel pour la communication laser.
La fibre optique de communication proposée par le Dr Kao Kung, prix Nobel de physique, répond aux besoins de la technologie de communication laser pour les guides d'ondes. Il a suggéré que la perte par diffusion Rayleigh de la fibre optique en verre pouvait être très faible (moins de 20 dB/km), et que la perte de puissance dans la fibre optique provenait principalement de l'absorption de la lumière par les impuretés des matériaux en verre. La purification du matériau est donc essentielle pour réduire les pertes de la fibre optique. Il a également souligné l'importance d'une transmission monomode pour maintenir de bonnes performances de communication.
En 1970, Corning Glass Company a développé une fibre optique multimode à base de quartz présentant une perte d'environ 20 dB/km, selon les recommandations du Dr Kao en matière de purification, faisant de la fibre optique une solution de communication. Après des recherches et développements continus, la perte des fibres optiques à base de quartz a atteint sa limite théorique. À ce jour, les conditions de communication par fibre optique sont pleinement satisfaites.
Les premiers systèmes de communication par fibre optique adoptaient tous la méthode de réception par détection directe. Il s'agit d'une méthode relativement simple. La détection directe est un détecteur quadratique, et seule l'intensité du signal optique peut être détectée. Cette méthode de réception par détection directe a perduré depuis la première génération de communication par fibre optique, dans les années 1970, jusqu'au début des années 1990.
Pour augmenter l'utilisation du spectre dans la bande passante, nous devons partir de deux aspects : l'un consiste à utiliser la technologie pour approcher la limite de Shannon, mais l'augmentation de l'efficacité du spectre a augmenté les exigences en matière de rapport télécommunication/bruit, réduisant ainsi la distance de transmission ; l'autre consiste à utiliser pleinement la phase, la capacité de transport d'informations de l'état de polarisation est utilisée pour la transmission, qui est le système de communication optique cohérent de deuxième génération.
Le système de communication optique cohérente de deuxième génération utilise un mélangeur optique pour la détection intradyne et adopte une réception en diversité de polarisation. Autrement dit, à la réception, le signal lumineux et la lumière de l'oscillateur local sont décomposés en deux faisceaux lumineux dont les états de polarisation sont orthogonaux. Ainsi, une réception insensible à la polarisation est possible. De plus, il convient de souligner qu'à la réception, le suivi de fréquence, la récupération de phase de la porteuse, l'égalisation, la synchronisation, le suivi de polarisation et le démultiplexage sont désormais assurés par la technologie de traitement numérique du signal (DSP), ce qui simplifie considérablement la conception matérielle du récepteur et améliore la capacité de récupération du signal.
Quelques défis et considérations liés au développement de la technologie de communication par fibre optique
Grâce à l'application de diverses technologies, les milieux universitaires et industriels ont pratiquement atteint les limites de l'efficacité spectrale des systèmes de communication par fibre optique. Pour continuer à accroître la capacité de transmission, il faut augmenter la bande passante B du système (capacité croissante linéairement) ou le rapport signal/bruit. L'analyse détaillée est la suivante.
1. Solution pour augmenter la puissance d'émission
L'effet non linéaire dû à la transmission à haute puissance pouvant être réduit par une augmentation appropriée de la section efficace de la fibre, l'utilisation de fibres à modes multiples plutôt que de fibres monomodes constitue une solution pour augmenter la puissance. De plus, la solution la plus courante pour remédier aux effets non linéaires est actuellement l'utilisation de l'algorithme de rétropropagation numérique (DBP), mais l'amélioration des performances de cet algorithme entraînera une augmentation de la complexité de calcul. Récemment, les recherches sur l'apprentissage automatique en compensation non linéaire ont montré de bonnes perspectives d'application, réduisant considérablement la complexité de l'algorithme. La conception de systèmes DBP pourra donc être facilitée par l'apprentissage automatique à l'avenir.
2. Augmenter la bande passante de l'amplificateur optique
L'augmentation de la bande passante peut permettre de dépasser les limites de la gamme de fréquences de l'EDFA. Outre les bandes C et L, la bande S peut également être incluse dans le champ d'application, et un amplificateur SOA ou Raman peut être utilisé pour l'amplification. Cependant, la fibre optique existante présente d'importantes pertes dans les bandes de fréquences autres que la bande S, et il est nécessaire de concevoir un nouveau type de fibre optique pour réduire les pertes de transmission. Pour les autres bandes, la technologie d'amplification optique disponible sur le marché représente également un défi.
3. Recherche sur la fibre optique à faible perte de transmission
La recherche sur les fibres à faible perte de transmission est l'un des enjeux les plus cruciaux dans ce domaine. Les fibres à cœur creux (HCF) offrent la possibilité de réduire les pertes de transmission, ce qui réduit le délai de transmission et peut éliminer en grande partie le problème de non-linéarité des fibres.
4. Recherche sur les technologies liées au multiplexage spatial
La technologie de multiplexage spatial est une solution efficace pour augmenter la capacité d'une fibre unique. Plus précisément, la transmission par fibre optique multicœur permet de doubler la capacité d'une fibre unique. La question fondamentale est de savoir s'il existe un amplificateur optique plus performant. Dans le cas contraire, il ne peut être équivalent qu'à plusieurs fibres optiques monocœur. Grâce à la technologie de multiplexage par répartition de mode, incluant le mode de polarisation linéaire, le faisceau OAM basé sur la singularité de phase et le faisceau vectoriel cylindrique basé sur la singularité de polarisation, cette technologie peut offrir un nouveau degré de liberté et améliorer la capacité des systèmes de communication optique. Ses perspectives d'application sont vastes dans les technologies de communication par fibre optique, mais la recherche sur les amplificateurs optiques associés constitue également un défi. Par ailleurs, la manière d'équilibrer la complexité du système due au temps de propagation de groupe en mode différentiel et à la technologie d'égalisation numérique à entrées multiples et sorties multiples mérite également une attention particulière.
Perspectives de développement de la technologie de communication par fibre optique
La technologie de communication par fibre optique a évolué, passant de la transmission à bas débit initiale à la transmission à haut débit actuelle. Elle est devenue l'une des technologies de base de la société de l'information et a constitué une discipline et un champ social majeurs. À l'avenir, face à la demande croissante de transmission d'informations, les systèmes de communication par fibre optique et les technologies de réseau évolueront vers des capacités ultra-larges, l'intelligence et l'intégration. Tout en améliorant les performances de transmission, ils continueront de réduire les coûts, contribueront aux moyens de subsistance de la population et contribueront au développement de l'information au pays. La société joue un rôle important. CeiTa a coopéré avec plusieurs organisations de lutte contre les catastrophes naturelles, qui peuvent prédire les alertes régionales telles que les tremblements de terre, les inondations et les tsunamis. Il suffit de se connecter à l'ONU de CeiTa. En cas de catastrophe naturelle, la station sismique émettra une alerte précoce. Le terminal sous les alertes de l'ONU sera synchronisé.
(1) Réseau optique intelligent
Comparés aux systèmes de communication sans fil, les systèmes de communication optique et les réseaux optiques intelligents en sont encore à leurs balbutiements en termes de configuration, de maintenance et de diagnostic des pannes, et leur niveau d'intelligence est insuffisant. Compte tenu de l'énorme capacité d'une seule fibre, toute défaillance de fibre aura un impact considérable sur l'économie et la société. La surveillance des paramètres réseau est donc essentielle au développement des futurs réseaux intelligents. Les axes de recherche à privilégier à cet égard comprennent : un système de surveillance des paramètres système basé sur la technologie cohérente simplifiée et l'apprentissage automatique, une technologie de surveillance des quantités physiques basée sur l'analyse cohérente du signal et la réflexion optique temporelle sensible à la phase.
(2) Technologie et système intégrés
L'objectif principal de l'intégration des dispositifs est de réduire les coûts. Dans la technologie des communications par fibre optique, la transmission de signaux à haut débit sur courte distance peut être réalisée grâce à la régénération continue du signal. Cependant, en raison des problèmes de récupération de phase et de polarisation, l'intégration de systèmes cohérents reste relativement difficile. De plus, la réalisation d'un système optique-électrique-optique intégré à grande échelle améliorerait considérablement la capacité du système. Cependant, en raison de facteurs tels que la faible efficacité technique, la grande complexité et la difficulté d'intégration, il est impossible de promouvoir largement les signaux tout optiques tels que les signaux 2R (réamplification, remodelage) et 3R (réamplification, resynchronisation et remodelage) tout optiques dans le domaine des communications optiques. Par conséquent, en termes de technologies et de systèmes d'intégration, les futures orientations de recherche sont les suivantes : bien que la recherche existante sur les systèmes de multiplexage spatial soit relativement riche, les composants clés de ces systèmes n'ont pas encore réalisé de percées technologiques dans le monde universitaire et industriel, et des améliorations sont nécessaires. Des recherches, telles que des lasers et des modulateurs intégrés, des récepteurs intégrés bidimensionnels, des amplificateurs optiques intégrés à haute efficacité énergétique, etc. ; de nouveaux types de fibres optiques peuvent considérablement étendre la bande passante du système, mais des recherches supplémentaires sont encore nécessaires pour garantir que leurs performances globales et leurs processus de fabrication peuvent atteindre le niveau de fibre monomode existant ; étudier divers dispositifs pouvant être utilisés avec la nouvelle fibre dans la liaison de communication.
(3) Dispositifs de communication optique
Dans le domaine des dispositifs de communication optique, la recherche et le développement de dispositifs photoniques en silicium ont obtenu des résultats préliminaires. Cependant, à l'heure actuelle, la recherche nationale porte principalement sur les dispositifs passifs, tandis que la recherche sur les dispositifs actifs est relativement faible. Concernant les dispositifs de communication optique, les axes de recherche futurs comprennent : l'intégration de dispositifs actifs et de dispositifs optiques en silicium ; la recherche sur les technologies d'intégration de dispositifs optiques non silicium, notamment sur les matériaux et substrats III-V ; et la poursuite de la recherche et du développement de nouveaux dispositifs. Des projets de suivi, tels que le guide d'ondes optique intégré en niobate de lithium, présentent les avantages d'un débit élevé et d'une faible consommation d'énergie.
Date de publication : 03/08/2023
