Construire une meilleure épine dorsale

Sur un écran géant du Corning Museum of Glass, dans le nord de l'État de New York, des images vidéo diffusent des images d'actualité d'une guerre, d'une inauguration, d'une prise de vue dans l'espace, d'un jeu télévisé, ainsi que de projections en temps réel de visiteurs émerveillés. La source de toutes ces images ? Un brin de verre, plus fin qu'un cheveu humain, mais suffisamment large pour contenir plus d'informations que trois millions de fils de cuivre, la technologie qu'il a remplacée. Corning a raison de montrer son invention : la technologie de la fibre optique compte parmi les miracles technologiques du 20e siècle.

Dommage que nous ayons constamment besoin de nouveaux miracles pour faire face aux exigences voraces du réseau que ce siècle impose à ces fines fibres de verre. La fibre optique est, après tout, une technologie pré-Web ; et une grande partie de la fibre qui transporte, en plus des conversations téléphoniques, les messages électroniques d'aujourd'hui, les téléchargements de musique et les flux vidéo a été installée avant même que la plupart des gens ne soient conscients de ces médias. Ce qui semblait être un gaspillage éhonté de capacité semble maintenant terriblement inadéquat. Notre appétit pour la bande passante croît à un rythme exponentiel, sans aucun signe de ralentissement. Tracey Vanik, directrice technique de la société de conseil en télécommunications RHK, compare Internet au vorace Borg de Star Trek : quelle que soit la bande passante disponible, Internet avalera.

La fibre optique fabriquée par Corning, Lucent Technologies et d'autres fournisseurs de télécommunications géants se trouve dans tout le système de télécommunications, nous connectant lorsque nous parcourons nos sites Web préférés ou passons des appels à Tokyo. Mais une grande partie des recherches de pointe menées aujourd'hui sur la fibre optique vise à améliorer la capacité de l'épine dorsale du système : le plus gros des gros tuyaux de données, qui transportent des données à travers les continents et relient les centres urbains.

Backbone est une métaphore pratique, mais elle donne une image trop nette. Un organisme vertébré a une seule colonne vertébrale, mais pas le système de télécommunications ; aucune entreprise ne possède ces câbles interurbains à haute capacité, et aucune organisation ne s'assure qu'ils sont à la hauteur du défi de répondre aux demandes mondiales de bande passante. Dans certains cas, les entreprises de télécommunications - les WorldComs, les Sprints et les AT&T du monde - chercheront à couvrir les routes à fort trafic avec leurs propres câbles, en posant des brins en forme de spaghetti parallèles les uns aux autres le long des emprises routières et ferroviaires, reliant les zones métropolitaines boucle à travers les continents et les océans. Dans d'autres cas, les opérateurs louent des câbles à fibre optique à d'autres opérateurs ; en effet, certains opérateurs se consacrent uniquement à la location de capacité de dorsale.

Tous les opérateurs, cependant, sont confrontés au même défi : comment rester en tête de la courbe de demande de bande passante. La recherche chez Corning et ailleurs montre que chaque amélioration des performances a un prix ; construire une meilleure épine dorsale semble être une question de choisir les bons compromis.

Renforcement de l'optique

La solution la plus simple pour rigidifier la dorsale consiste simplement à poser plus de câble. Mais c'est aussi l'alternative la plus chère : jusqu'à 40 % du coût d'un système de fibre optique est consacré à l'achat de droits de passage, à l'obtention de permis et à l'installation de câbles dans le sol. (C'est une vieille blague dans les entreprises de télécommunications qu'elles abandonneraient volontiers les nouvelles technologies si quelqu'un leur montrait simplement comment creuser un fossé moins cher.)

Deux autres moyens d'augmenter la capacité évitent de creuser les rues en s'appuyant plutôt sur des équipements de pointe installés dans les bureaux téléphoniques où se terminent les brins de fibre optique. Les ingénieurs peuvent développer des méthodes pour augmenter le nombre de canaux d'information que chaque brin de fibre optique peut transporter. Ou ils peuvent développer des moyens de faire voyager les données plus rapidement le long de chaque canal.

Les deux approches évitent le coût énorme de l'installation de nouvelles lignes. Mais chaque stratégie est délicate, car apporter des améliorations dans un domaine cause souvent des problèmes dans un autre. Il existe un compromis important entre la distance et la capacité, explique Roe Hemenway, responsable de la recherche sur les équipements de réseau chez Corning. Plus vous allez loin, plus la capacité diminue. On nous demande de mettre plus de capacité sur la fibre, de parcourir de plus longues distances et de le faire avec une qualité encore plus élevée.

Hemenway travaille dans le laboratoire du centre de recherche et de développement de Corning à Sullivan Park, dans le nord de l'État de New York, où des étagères contiennent des rangées de boîtes en métal, chacune étant un laser qui génère un faisceau infrarouge. Les faisceaux traversent des modulateurs et des multiplexeurs, des amplificateurs et des filtres, parcourant la même boucle de câble à fibre optique encore et encore pour simuler la distance, un peu comme une voiture de course numérique sur la version autoroute de l'information d'une piste d'essai. À la fin du système, un écran d'ordinateur affiche le nombre d'erreurs produites pendant l'analyse et un oscilloscope montre graphiquement si le signal est sorti net ou flou.

La configuration permet aux ingénieurs de Corning de tester comment chaque composant affecte la transmission du signal et ce qu'un changement fait sur le système dans son ensemble. Cette approche est essentielle à la conception de la fibre optique, car quelle que soit la solution qui évolue pour rendre la fibre optique plus efficace, elle inclura probablement un certain nombre de technologies, chacune pouvant affecter les autres.

Au cours des six dernières années, les vitesses de transmission dans les laboratoires pour les fibres optiques les plus rapides ont quadruplé, et une nouvelle multiplication par quatre est attendue cette année. La question la plus urgente est de savoir si, compte tenu de tous les compromis, le taux actuel d'amélioration peut être maintenu. Je pourrais vous donner une réponse macho que nous allons continuer à améliorer la fibre, mais franchement, je ne sais pas, dit Joseph Antos, directeur technologique pour le développement de la fibre chez Corning. Chaque nouvelle invention [pour augmenter la capacité] devient de plus en plus difficile.

Plus de canaux par fibre

Les données voyagent le long de la fibre optique à travers une série d'impulsions lumineuses provenant d'un laser, les arrêts et les ons correspondant aux uns et aux zéros du codage numérique. Les systèmes à fibres optiques utilisent le spectre lumineux qui se déplace le plus efficacement à travers le verre, des longueurs d'onde comprises entre environ 1 300 et 1 600 nanomètres. En dehors de ces longueurs d'onde, la lumière a tendance à être soit absorbée et perdue, soit trop étirée pour produire un signal utilisable. Et sur le spectre disponible, la plupart des transmissions ont lieu dans ce qu'on appelle la bande centrale, entre 1 530 et 1 565 nanomètres.

En divisant le signal en différentes longueurs d'onde, comme un prisme sépare les couleurs qui composent la lumière blanche, les ingénieurs peuvent envoyer plusieurs flux de lumière le long d'une fibre en même temps. Les premières implémentations divisaient la lumière en quatre ou huit canaux séparés, chaque fibre transportant environ 10 gigabits à 10 milliards de bits par seconde. Aujourd'hui, certains systèmes peuvent transporter 80 canaux dans la bande centrale et sont capables de pousser plus d'un demi-billion de bits par seconde sur une seule fibre.

Mais il y a une limite au nombre de canaux pouvant être insérés dans la bande centrale. Comme les stations rapprochées de votre autoradio, les canaux trop proches provoquent des interférences. À la radio, vous écoutez peut-être Tout bien considéré et soudainement obtenir les Backstreet Boys-ou statique. La même chose se produit avec les signaux optiques. Pour réduire les interférences, les systèmes de pointe actuels nécessitent une zone tampon d'environ 50 gigahertz (une mesure de fréquence d'un milliard de cycles par seconde) entre les canaux.

En raison de ces contraintes, la bande centrale est maintenant essentiellement pleine et les ingénieurs cherchent à ajouter des canaux en sortant de la partie centrale du spectre et dans un nouveau territoire.

Innover

Afin de rendre utilisables de nouvelles parties du spectre en dehors de la bande centrale, les chercheurs doivent développer de nouvelles versions de dispositifs qui aident à pousser les signaux le long des fibres optiques. Prenez les amplificateurs qui aident à amplifier les signaux, qui perdent de l'énergie lorsqu'ils rebondissent entre les parois de la section centrale de la fibre. Pour les pomper, les ingénieurs peuvent utiliser des dispositifs appelés amplificateurs à fibres dopées à l'erbium. Il s'agit essentiellement de boucles de fibres entrelacées d'erbium, élément de terre rare. Un laser excite les atomes d'erbium, qui transfèrent leur énergie au signal optique traversant l'amplificateur, augmentant la distance qu'il peut parcourir. Sans amplification, les signaux à grande vitesse ne parcourraient pas assez loin pour être utiles.

Les développements récents permettent à ces amplificateurs de fonctionner dans la région de longueur d'onde plus longue de 1 570 à 1 625 nanomètres, ajoutant un nouveau morceau de spectre à partir duquel sculpter des canaux de données supplémentaires. Lucent Technologies, par exemple, a sorti un système qui comprime 80 canaux dans la bande centrale et exploite des amplificateurs à l'erbium pour ajouter 80 canaux supplémentaires dans la région des grandes longueurs d'onde, doublant ainsi la capacité de chaque fibre.

Cependant, chaque fois qu'un signal traverse un amplificateur à l'erbium, il capte des éléments de bruit qui ne faisaient pas partie du signal d'origine. Sur les backbones longue distance où un signal doit être amplifié plusieurs fois, les systèmes à fibres optiques doivent être enfilés avec des régénérateurs, des dispositifs qui reconstruisent des signaux qui ont traversé tant d'amplificateurs qu'ils se sont dégradés. Les régénérateurs prennent un signal lumineux, le convertissent en un signal électrique, puis produisent un nouveau faisceau lumineux.

Une nouvelle technique appelée amplification Raman ( voir Cinq brevets à surveiller : Booster Shots , TR mai 2001 ) permettra à un signal d'être amplifié sans introduire de bruit, éliminant ainsi le besoin de régénérateurs et créant potentiellement une nouvelle façon pour les ingénieurs d'augmenter la capacité. Contrairement aux amplificateurs à l'erbium, qui ne fonctionnent qu'à certaines longueurs d'onde, l'amplification Raman promet de rendre encore plus de nouveaux canaux disponibles. Une nouvelle société, Xtera, d'Allen, au Texas, espère tirer parti de l'amplification Raman pour permettre la transmission à longue distance de longueurs d'onde de lumière plus courtes que celles que les réseaux optiques actuels peuvent prendre en charge. C'est en quelque sorte une nouvelle tournure de l'utilisation des techniques Raman, déclare Joe Oravetz, chef de produit de Xtera, qui a dévoilé le premier nouveau produit de l'entreprise lors de la conférence et de l'exposition sur la communication par fibre optique en mars à Anaheim, en Californie.

Mais l'utilisation de la bande de longueur d'onde plus courte est une stratégie résolument à long terme, car elle nécessitera l'installation de nouveaux équipements à chaque point du réseau. Pour entrer dans un nouveau groupe, vous devez remplacer tous les composants, explique Vladimir Kozlov, analyste chez RHK. Vous avez besoin de nouvelles sources. Vous avez besoin de nouveaux amplificateurs. Cela pourrait coûter très cher.

Accélérer les bits

Une alternative à l'ajout de canaux consiste à accélérer le flux de données dans chaque canal. Tout comme les modems dans les foyers sont devenus plus rapides, les émetteurs de la dorsale ont augmenté leur capacité à pomper des données, de 100 millions de bits par seconde il y a dix ans à 10 milliards de bits (10 gigabits) par seconde. aujourd'hui.

Alors qu'AT&T a publié un communiqué de presse annonçant la première dorsale de protocole Internet à 10 gigabits par seconde d'un océan à l'autre en janvier, c'est déjà une vieille nouvelle : des systèmes à 40 gigabits par seconde ont déjà été annoncés par Lucent Technologies, Fujitsu et NEC à vendre plus tard cette année. Les prouesses d'ingénierie impliquées dans des avancées comme celles-ci sont énormes : l'augmentation du débit de données a obligé les ingénieurs à concevoir des lasers capables de clignoter de manière fiable 40 milliards de fois par seconde, et des récepteurs capables de distinguer un flash du suivant, lorsqu'ils arrivent à ce rythme écrasant.

Mais la règle du jeu dans le backbone reste les compromis, et l'accélération des taux de transmission entraîne de nouvelles complications : mettre plus de bits par seconde dans une fibre nécessite plus de puissance, et à des puissances plus élevées, les interférences entre les canaux augmentent. De plus, à ces taux remarquables, de minuscules défauts dans le verre lui-même commencent à interférer avec le flux de données.

Les ingénieurs qui recherchent la vitesse doivent compenser ces effets en augmentant la zone tampon du spectre inutilisé entre les canaux : une vitesse de ligne de 40 gigabits par seconde, par exemple, peut nécessiter des tampons de 100 gigahertz entre les canaux au lieu de 50 gigahertz. Le calcul est toujours favorable : les fibres fourniront la moitié des canaux à quatre fois la vitesse, doublant ainsi la capacité.

Les enjeux liés à l'amélioration des taux de transmission dans le backbone sont cependant si importants que pour chaque obstacle, des équipes d'ingénieurs travaillent à le surmonter. Les scientifiques du Public Networks Group de NEC America travaillent sur un moyen de regrouper les canaux, même à grande vitesse, en tirant parti du fait que la lumière est polarisée. Imaginez que vous déplacez rapidement une corde à sauter de haut en bas pour faire des vagues, qui montent vers le plafond et descendent vers le sol. De telles ondes seraient polarisées verticalement. Maintenant, commencez à déplacer la corde à sauter d'un côté à l'autre, de sorte que les vagues se déplacent vers les murs. Votre corde à sauter est devenue polarisée horizontalement. L'approche NEC divise un faisceau lumineux en 160 canaux, chacun espacé de 50 gigahertz, et donne aux canaux voisins des polarisations différentes. Deux canaux de même polarisation sont donc toujours distants de 100 gigahertz. Alors que les canaux adjacents sont susceptibles d'interférer les uns avec les autres lorsqu'ils ont la même polarisation, les canaux avec des polarisations différentes ne le sont pas. Une telle approche portera la capacité totale par fibre à 6,4 billions de bits (6,4 térabits) par seconde et devrait être disponible dans deux à trois ans.

Et les améliorations se poursuivent dans les laboratoires du monde entier. En mars, des chercheurs de la société française Alcatel, qui développe des fibres et des composants pour les systèmes optiques terrestres et sous-marins, ont annoncé avoir développé un système atteignant 10,2 térabits par seconde. Toujours en mars, des chercheurs de NEC ont annoncé une expérience dans laquelle ils ont modifié les amplificateurs pour accéder à une bande de longueur d'onde plus large, augmentant les taux de transmission à 10,9 térabits par seconde.

Ou creuser une tranchée

Tous ces développements technologiques sont bien entendu confrontés à ce défi : comment continuer à améliorer les performances par rapport aux lignes qui étaient généralement conçues, fabriquées et installées de nombreuses années auparavant. Les premières lignes à fibre optique d'un réseau public ont été installées sous le centre-ville de Chicago en 1977. Aujourd'hui, la majeure partie du trafic longue distance dans le monde est acheminée par des câbles à fibre optique, soit plus de 370 millions de kilomètres, tous conçus avant les percées d'aujourd'hui dans les laboratoires. Finalement, il n'y aura pas moyen d'éviter la nécessité de creuser une nouvelle tranchée.

Une fois la décision prise de poser une nouvelle fibre, cependant, de nouvelles possibilités d'augmenter sa capacité émergent. Les brins de fibre eux-mêmes ont évolué pour gérer des capacités de plus en plus grandes. Aujourd'hui, l'état de l'art est la fibre à dispersion non nulle, inventée par Lucent Technologies et vendue par Lucent et Corning. Cette version de fibre élargit la zone à travers laquelle un signal se déplace, lui donnant plus d'espace pour se propager et réduire le chevauchement. Si vous avez une conduite d'eau et que vous souhaitez y mettre plus d'eau, l'un des moyens de le faire est d'élargir la zone de la conduite, et c'est essentiellement ce que [cette technologie] fait, explique Antos de Corning.

La technologie optique de nouvelle génération peut éliminer complètement le verre. Plusieurs groupes de recherche travaillent à la construction d'une fibre à partir de nouveaux matériaux appelés cristaux photoniques à bande interdite ( voir La prochaine génération de fibres optiques , TR mai 2001 ). De tels cristaux ont une structure atomique qui rend physiquement impossible le passage ou l'absorption de la lumière, de sorte que la lumière frappant l'intérieur d'une fibre rebondirait dans le noyau. Doug Allen, chercheur associé à Cor-ning travaillant sur le développement d'un tel matériau, suggère que le noyau pourrait être rempli d'air, ou peut-être d'un gaz inerte. En éliminant le verre et ses effets de distorsion, dit-il, vous pouvez envoyer plus de longueurs d'onde sans craindre qu'elles n'interfèrent les unes avec les autres.

Tous ces nouveaux développements ont poussé la recherche en laboratoire bien au-delà de ce qui est actuellement disponible dans le sol. Si la dorsale n'était équipée que de développements en cours de démonstration en laboratoire - capables de transporter 160 canaux sur chaque brin, à 40 gigabits par seconde - la bande passante que nous utilisons actuellement en un mois pourrait être transportée sur nos réseaux en moins d'une seconde. C'est à ce moment-là que les idées lointaines commencent à devenir réelles, des vidéoconférences holographiques en 3D qui imitent la vie réelle à la chirurgie à longue distance, en passant par l'accès instantané aux livres stockés dans n'importe quelle bibliothèque du monde.

Ce qui reste à résoudre, cependant, est l'économie d'un tel réseau : quand sera-t-il rentable de mettre en place ces développements ? Dans quelque chose d'aussi vaste que le réseau de communication public, même de petites mises à niveau prennent des décennies pour être déployées universellement. Theodore Vail, premier président d'AT&T, n'a réussi à construire le premier réseau public de pointe au monde qu'en obligeant le Congrès à déclarer son entreprise monopole naturel. Cela n'arrivera pas cette fois.

Raj Reddy, professeur d'informatique à l'université Carnegie Mellon et directeur du High Speed ​​Connectivity Consortium, un programme financé par le département américain de la Défense, reste néanmoins optimiste sur le fait qu'un réseau à très haut débit est inévitable - qu'un jour nous aurons une bande passante toujours active et à volonté, aussi facilement accessible que le système téléphonique l'est aujourd'hui. Cela va certainement arriver dans 30 ans, dit-il. [Mais] que devons-nous faire et que devons-nous dépenser pour le faire en cinq ?

Et cela, malgré les légions d'ingénieurs en fibre optique dédiés à la découverte des miracles technologiques qui alimenteront nos réseaux de prochaine génération, est la question qui attend une réponse. Mais étant donné le spectre remarquable des travaux de pointe effectués sur le backbone, c'est sans aucun doute là que la capacité continuera d'augmenter au rythme le plus rapide.

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