Multiplexage par division de longueur d'onde

La bande passante dans les communications est comme un espace de rangement dans votre maison - vous n'en aurez jamais assez. Et le trafic Internet fait croître la demande de capacité de communication plus rapidement que la garde-robe d'un adolescent avec une carte de crédit sans limite. Des mégaoctets de graphiques animés accaparant la bande passante remplacent les messages électroniques compacts. Les signaux de données, vidéo et vocaux encombrent les systèmes de transmission qui disposaient de suffisamment d'espace il y a quelques années à peine. L'industrie des communications a besoin d'espace pour respirer.

C'est exactement ce qu'une nouvelle génération de technologie de fibre optique apporte aux réseaux tels que le bien nommé Project Oxygen. Neil Tagare, fondateur du groupe CTR à Woodcliff Lake, N.J., a choisi ce nom pour le réseau mondial parce qu'il considérait que l'énorme bande passante offerte par la nouvelle technologie était aussi vitale pour les télécommunications que l'oxygène l'est pour la vie elle-même. En envoyant des signaux à 16 longueurs d'onde différentes à travers chacune des quatre paires de fibres optiques, le projet Oxygen transportera 640 gigabits par seconde (Gbit/s) à travers des océans entiers. C'est l'équivalent de 10 millions de conversations téléphoniques simultanées, assez pour que chaque personne en Hongrie ou en Belgique puisse appeler les États-Unis en même temps.

Cette histoire faisait partie de notre numéro de mars 1999

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La technologie qui rend possible cette nouvelle bande passante est appelée multiplexage par répartition en longueur d'onde, ou WDM, et elle représente la deuxième grande révolution de la fibre optique dans les télécommunications. Le premier est survenu dans les années 1980, lorsque les compagnies de téléphone ont doté les États-Unis et d'autres pays de fibres pour créer une épine dorsale mondiale de pipelines d'information pouvant transporter beaucoup plus de données que les fils de cuivre et les liaisons micro-ondes qu'ils ont remplacés. Le WDM fait un pas de géant avec cet avantage en multipliant encore la capacité potentielle de chaque fibre en la remplissant non pas d'une mais de plusieurs longueurs d'onde de lumière, chacune capable de transporter un signal distinct.

Le multiplexage par division de longueur d'onde est apparu de manière assez pratique, alors que les câbles à fibre optique plus anciens se remplissaient, explique Richard Mack, vice-président de KMI Corp., une société d'analyse de marché basée à Newport, R.I. et spécialisée dans la fibre optique. Profitant du WDM, les opérateurs longue distance tels que AT&T et MCI ont pu éviter la pose de nouveaux câbles coûteux ; au lieu de cela, ils pompent simplement des longueurs d'onde supplémentaires à travers les fibres existantes.

La révolution WDM est arrivée avec une rapidité inattendue. Il y a dix ans, souligne Mack, les gens disaient qu'il y avait une surabondance de capacité en fibres. Pour laisser place à l'expansion, les compagnies de téléphone avaient posé des câbles contenant de 24 à 36 fibres, dont beaucoup étaient réservées aux fibres noires. Chaque fibre transportait des centaines de mégabits par seconde à une seule longueur d'onde. Depuis lors, les opérateurs ont augmenté les débits de données à 2,5 Gbit/s et ont allumé la plupart des fibres noires. Mais la formidable augmentation du trafic a encombré ces câbles qui semblaient autrefois si volumineux. Les placards, semble-t-il, sont rapidement pleins à craquer et des choses se répandent sur le sol. L'utilisation du téléphone explique une certaine augmentation, y compris la propagation des télécopieurs et des téléphones portables. Mais la croissance la plus spectaculaire provient du trafic Internet, qui double à peu près chaque année.

Ce qui est également clair, c'est que la demande croissante n'est pas en vue, surtout si, comme le pensent de nombreux experts, la communication vidéo bidirectionnelle devient plus courante. L'industrie des communications connaît une transition qui, dans quelques années, nous apportera la vidéo numérique pour notre utilisation quotidienne à la maison et au travail, déclare Shahab Etemad, qui dirige le développement de la transmission WDM chez Bell Communications Research, ou Bellcore, basé à Morristown, dans le New Jersey. (Initialement la branche de recherche des compagnies de téléphone locales et régionales, Bellcore opère désormais comme une société de conseil en gestion de réseau avec une variété d'entreprises clientes.) Etemad s'attend à ce que le passage de la téléphonie vocale aux données numériques lourdes en vidéo nécessite de multiplier la capacité de transmission du réseau fédérateur d'environ un facteur de 200 et, insiste-t-il, WDM doit jouer un rôle de premier plan pour répondre à cette demande accrue.

Grâce aux progrès des méthodes WDM, la fibre a fait un bon travail pour faire face à cette explosion de la demande. Selon David Clark, chercheur principal au Laboratoire d'informatique du MIT, la capacité d'obtenir des bits dans une fibre augmente plus rapidement que la loi de Moore, qui prédit le doublement de la puissance de calcul tous les 18 mois. À l'heure actuelle, note Clark, la capacité de charge de la fibre double tous les 12 mois.

Le faire avec de l'erbium

Le terme multiplexage par répartition en longueur d'onde empeste le jargon de l'ingénierie, mais le concept est simple : envoyer simultanément des signaux séparés via la même fibre à différentes longueurs d'onde. Essentiellement, la même idée constitue le fondement de la radiodiffusion et de la télévision, où chaque station envoie son signal sur une longueur d'onde assignée dans le spectre des fréquences radio. Bien sûr, la plupart des gens pensent plutôt en termes de fréquence, mais les deux valeurs sont inextricablement liées par leur relation avec la vitesse de la lumière. (Par exemple, 100 mégahertz sur le cadran FM correspondent à une longueur d'onde d'environ 3 mètres.)

Les mêmes principes fonctionnent pour la lumière traversant une fibre optique que pour les ondes radio transmises dans l'air. Les fibres optiques transmettent le mieux aux longueurs d'onde invisibles de la lumière proche infrarouge entre 1,3 et 1,6 micromètres, soit à peu près le double de la longueur d'onde de la lumière rouge.

Si le WDM est à la fois simple et une idée qui existe, pourquoi n'est-il devenu pratique que récemment ? Le plus gros obstacle a été le manque d'amplificateurs adaptés. Les signaux lumineux traversant même les fibres optiques les plus transparentes s'estompent à des niveaux indétectables après quelques centaines de kilomètres. Pendant la plupart du temps, les fibres optiques étaient en place, le seul moyen de couvrir des fibres plus longtemps que cela était de régénérer le signal via un processus optoélectronique : un photodétecteur convertirait le flux d'impulsions lumineuses affaiblies en un signal de tension qui pourrait être amplifié électroniquement. ; ce signal amplifié modulait un émetteur laser.

Le problème est que les détecteurs de lumière ne font pas de distinction entre les longueurs d'onde - ils brouillent les signaux de différentes couleurs, de la même manière que vos oreilles ont du mal à discerner ce qui se dit si deux personnes parlent en même temps. Pour que les systèmes optoélectroniques fonctionnent avec plusieurs longueurs d'onde, ils doivent disposer d'un moyen de séparer les longueurs d'onde optiquement, à l'aide de filtres ou d'autres éléments similaires, permettant à chaque signal de traverser son propre régénérateur. Jusqu'à récemment, cependant, cela s'est avéré peu pratique.

Cette limitation a disparu avec l'invention d'une technique pour augmenter l'intensité du signal lumineux directement, sans avoir besoin d'une étape électronique intermédiaire. L'élément clé de la technologie est ce qu'on appelle un amplificateur à fibre dopée à l'erbium. Ces appareils, développés à la fin des années 1980, ont rendu possible la révolution WDM.

Contrairement à un régénérateur, un amplificateur à fibre fonctionne directement sur la lumière. La lumière dans le faible signal d'entrée stimule les atomes d'erbium excités dans la fibre pour émettre plus de lumière à la même longueur d'onde. Des chaînes d'amplificateurs optiques peuvent se combiner pour transporter des signaux à travers des milliers de kilomètres de câbles à fibres optiques sur terre ou sous l'océan, sans régénérateurs. Parce qu'ils préservent la longueur d'onde des signaux optiques, les dispositifs à fibre d'erbium peuvent amplifier plusieurs canaux de longueur d'onde différents simultanément sans les brouiller. Les amplificateurs à l'erbium fonctionnent bien dans la région du proche infrarouge du spectre dans laquelle fonctionnent les systèmes à fibre optique.

Sur Terre et en Mer

Les compagnies de téléphone longue distance ont été les premières à comprendre que le multiplexage par répartition en longueur d'onde pouvait réduire le coût de la bande passante. Par rapport à l'alternative consistant à ajouter une nouvelle fibre, la technologie WDM offre un moyen beaucoup plus efficace d'augmenter la capacité, selon Dana Cooperson, analyste de réseau optique pour RHK Inc., un cabinet de conseil du sud de San Francisco. La pose d'un nouveau câble coûte cher et prend du temps. Et enterrer un nouveau câble le long du même itinéraire déjà occupé par un câble plus ancien est risqué - une nouvelle excavation invite des ruptures de câble qui pourraient mettre l'ensemble du système hors service.

La volonté des opérateurs de télécommunications d'économiser du temps et de l'argent a entraîné un développement rapide des techniques WDM. Au milieu des années 90, les compagnies aériennes ont commencé à utiliser des systèmes transmettant à quatre longueurs d'onde, et ont rapidement augmenté le nombre à huit. Les développeurs ont rapidement découpé le spectre encore plus finement pour comprimer 16 canaux de longueur d'onde à travers une seule fibre pour ce qui est devenu le WDM dense.

Lorsque les transporteurs ont vu le besoin, les fabricants ont tout aussi rapidement senti le marché. Lucent Technologies de Murray Hill, N.J., a adapté la technologie développée dans sa filiale Bell Labs. Ciena, une société de Linthicum, dans le Maryland, fondée en 1992, a progressé plus rapidement, livrant son premier système commercial à 16 canaux en 1996, presque en même temps que le spin-off d'AT&T. D'autres géants des télécommunications dans le monde ont suivi, notamment Nortel, Alcatel, Pirelli, NEC, Hitachi, Fujitsu et Ericsson. Au cours des deux ou trois dernières années, plusieurs entreprises, dont Ciena, Lucent et Nortel de Saint-Laurent, au Québec, ont commencé à commercialiser des systèmes qui découpent le spectre de l'amplificateur à l'erbium en 32 ou 40 lamelles, chacune de seulement 0,8 nanomètre de large. En septembre dernier, Lucent a livré son premier système à 80 canaux à AT&T. Pirelli Cable de Lexington, S.C., a ensuite promis une version à 128 canaux, mais n'avait pas livré de matériel à la mi-janvier.

Les opérateurs de télécommunications n'ont pas besoin de tous ces canaux aujourd'hui et grâce à la modularité inhérente de WDM, ils n'ont pas besoin d'acheter plus de canaux tant qu'ils ne sont pas prêts. Un opérateur installant un système WDM peut démarrer avec uniquement les émetteurs et les récepteurs nécessaires pour les quelques canaux initiaux. Plus tard, à mesure que la demande de capacité augmente, des équipements supplémentaires peuvent être branchés pour ouvrir de nouvelles longueurs d'onde.

Tirer pleinement parti du WDM nécessite souvent de mettre à niveau les câbles plus anciens en ajoutant des composants qui compensent un effet gênant appelé dispersion chromatique. Il s'agit de la tendance d'une courte impulsion lumineuse à s'étirer lorsqu'elle traverse une fibre en raison du fait que certaines longueurs d'onde se déplacent plus rapidement que d'autres. La dispersion brouille les impulsions lumineuses entre elles et limite donc la vitesse de transmission. Éviter ce phénomène est particulièrement important dans les câbles sous-marins, où les signaux lumineux doivent traverser plusieurs milliers de kilomètres de fibre d'un rivage à l'autre. Les nouvelles installations peuvent exploiter des fibres conçues pour des performances WDM optimales, récemment développées à la fois par Lucent et par Corning (Corning, N.Y.).

L'année dernière, le premier grand câble sous-marin conçu pour une exploitation multi-longueurs d'onde, appelé Atlantic Crossing 1, a commencé à envoyer 2,5 Gbit/s à quatre canaux de longueur d'onde sur chacune de ses quatre paires de fibres. La capacité de ce système peut être augmentée à 16 longueurs d'onde par fibre à cette vitesse, explique Patrick R. Trischitta, directeur du marketing technique chez Tyco Submarine Systems Laboratories à Holmdel, NJ. Cela promet un total de 160 Gbit/s à travers le câble, un boucle reliant les États-Unis à la Grande-Bretagne, aux Pays-Bas et à l'Allemagne.

Project Oxygen place la barre plus haut. La nouvelle technologie WDM transportera 10 Gbit/s à chacune des 16 longueurs d'onde à travers l'océan dans quatre paires de fibres, une capacité totale de 640 Gbit/s par câble. C'est plus de 1 000 fois la capacité du premier câble transatlantique à fibre optique, qui a été mis en service il y a à peine dix ans. L'ensemble du système comprendra à terme 168 000 kilomètres de câbles, suffisamment pour faire quatre fois le tour du globe. D'autres groupes prévoient davantage de systèmes de câbles sous-marins, bien qu'aucun ne soit aussi ambitieux. Ce n'est pas étonnant que Clark du MIT prédit que nous allons nous noyer dans la fibre.

Sur terre, les compagnies de téléphone régionales viennent de commencer à adopter le multiplexage en longueur d'onde. L'année dernière, Bell Atlantic a commencé à tester le WDM sur un câble de 35 kilomètres entre Brunswick et Freehold, N.J., a déclaré Robert A. Gallo, l'ingénieur de Bell Atlantic en charge de l'essai. Quatre canaux transportaient chacun des signaux à des vitesses allant jusqu'à 2,5 Gbit/s - le débit le plus élevé entre les bureaux de commutation de l'entreprise - et le système construit par Ciena dispose d'emplacements pour jusqu'à 16 canaux de longueur d'onde. Bell South a testé trois des 16 canaux d'un système similaire sur un câble s'étendant sur 80 kilomètres entre Grenade et Greenwood, Mississippi. L'économie est claire : il est moins cher d'ajouter de la capacité WDM que d'ajouter une nouvelle fibre, explique l'analyste de RHK Cooperson.

Des règles différentes s'appliquent aux câbles plus courts reliant les bureaux de commutation aux principaux clients commerciaux. Ici, sur ce qu'on appelle le marché métropolitain, le coût de l'augmentation du nombre de fibres n'est pas un problème aussi important car les trajets sont beaucoup plus courts, explique Cooperson. Pourtant, WDM améliore la transmission du signal d'autres manières importantes. L'une consiste à transporter les signaux dans leurs formats numériques d'origine plutôt que de les convertir dans le codage numérique utilisé dans le réseau téléphonique. Parce qu'une telle conversion nécessite une électronique coûteuse, il peut être moins coûteux de consacrer une longueur d'onde pour la transmission de bout en bout dans le format d'origine.

La capacité de trier les signaux par longueur d'onde devrait rationaliser le fonctionnement des futurs réseaux de fibres optiques. Traditionnellement, les compagnies de téléphone organisent les signaux numériques dans une hiérarchie de débits binaires, fusionnant de nombreux affluents à faible débit binaire en de puissants fleuves numériques transportant des gigabits par seconde. Cela compresse efficacement les bits sur les lignes de transmission, mais nécessite de décompresser l'ensemble du flux binaire pour extraire des signaux individuels. Si les signaux sont organisés par longueur d'onde, cependant, une optique simple peut démêler le canal de longueur d'onde souhaité sans perturber les autres. Les ingénieurs parlent d'ajouter une nouvelle couche optique au système de télécommunications. Les clients peuvent louer une longueur d'onde dans cette couche optique au lieu de louer le droit de transmettre à un débit de données spécifique. Une station de télévision, par exemple, pourrait réserver une longueur d'onde de son studio à son émetteur et une autre au câblodistributeur local et transmettre les deux signaux dans des formats vidéo numériques non utilisés sur le réseau téléphonique.

La compression ultime

Étant donné que la demande de bande passante ne montre aucun signe de ralentissement, les développeurs de systèmes WDM réfléchissent déjà à la manière de regrouper plus de longueurs d'onde dans la même fibre. À l'heure actuelle, deux approches fondamentales sont étudiées et les limites de chacune sont apparentes.

Une approche consiste à réduire l'espace entre les longueurs d'onde, en choisissant des longueurs d'onde plus proches les unes des autres pour véhiculer la multiplicité des signaux. Le rapprochement des longueurs d'onde fonctionne bien jusqu'à un certain point, mais en fin de compte, cela se heurte à la physique de base. À mesure que les débits binaires augmentent, les impulsions optiques deviennent plus brèves et, conformément aux exigences du principe d'incertitude de Heisenberg, ce raccourcissement force le signal lumineux à s'étendre sur une plus large gamme de longueurs d'onde. Cet étalement peut provoquer des interférences entre des canaux rapprochés. Le système Lucent à la capacité la plus élevée gère 10 Gbit/s sur des canaux de longueur d'onde séparés de 0,8 nanomètre, mais seulement 2,5 Gbit/s lorsque l'espacement des canaux est divisé par deux. Et peu d'experts pensent que les canaux peuvent être beaucoup plus serrés. Parmi les principaux fournisseurs, seul Hitachi Telecom de Norcross, en Géorgie, parle de moduler des canaux individuels à 40 Gbit/s et admet que ces signaux ne pourraient couvrir que des distances limitées.

Les perspectives semblent meilleures pour la deuxième option : étendre la gamme des longueurs d'onde de transmission. Pirelli, par exemple, utilise trois amplificateurs à fibre d'erbium, optimisés pour des bandes séparées entre 1 525 et 1 605 nanomètres, pour compresser 128 canaux de longueur d'onde à 10 Gbit/s chacun dans une seule fibre. Lucent a fait la démonstration d'amplificateurs à l'erbium couvrant une gamme similaire en laboratoire et a introduit l'année dernière une nouvelle fibre optique qui ouvre un bloc longtemps négligé du spectre autour de 1 400 nanomètres. De bons amplificateurs optiques ne sont pas encore disponibles pour d'autres longueurs d'onde.

Pour que le WDM atteigne son plein potentiel, cependant, il faudra plus que simplement emballer des longueurs d'onde supplémentaires. Il sera également nécessaire de développer de meilleurs équipements pour commuter et manipuler les différentes longueurs d'onde après la sortie du signal du tube optique. Les commutateurs optiques se rapprochent des applications commerciales pratiques, déclare l'analyste Mack de KMI. Il ajoute cependant que pour imiter pleinement ce qui se passe dans les interconnexions numériques, vous devez réaffecter et réaffecter les longueurs d'onde. Il est impossible d'attribuer la même longueur d'onde à un client sur l'ensemble d'un système, car l'immense réseau compte bien plus de clients qu'il n'a de longueurs d'onde.

L'illustration ci-dessous montre comment les signaux de San Francisco et de Cupertino arrivent à Palo Alto à la même longueur d'onde, tous deux à destination de San José. Le nœud Palo Alto doit convertir un signal en une longueur d'onde différente pour la dernière étape de son voyage, afin que les messages qu'ils transportent ne soient pas désespérément confus. La conversion de longueur d'onde doit désormais adopter la même approche de force brute que les régénérateurs, en convertissant le signal optique en un signal électronique qui peut piloter un émetteur à la longueur d'onde de sortie. Les approches de conversion tout optique, bien que démontrées en laboratoire, n'ont pas encore atteint la faisabilité commerciale.

Même si ces problèmes techniques sont résolus, cela ne suffira pas pour que la technologie déploie vraiment ses ailes. Pour cela, le prix devra également baisser - une trajectoire qui, selon les initiés, est déjà devenue apparente. Adel Saleh, chef du département de recherche sur l'accès à large bande chez AT&T Labs à Red Bank, NJ, prévoit que le coût par nœud de réseau diminuera d'un facteur 10 tous les cinq ans, à partir de 1 million de dollars en 1995. Au cours de la prochaine année ou deux, dit-il, le WDM ne sera économique que pour les réseaux dorsaux. Une fois que le coût tombera à 100 000 $ par nœud, la technologie aura du sens pour les réseaux métropolitains et régionaux, à commencer par le service aux grandes entreprises. Saleh s'attend à ce que l'accès résidentiel dans les grands immeubles d'appartements suive après que les coûts auront baissé à 10 000 $ par nœud vers 2005, avec WDM atteignant les maisons individuelles une fois que les coûts auront baissé à environ 1 000 $ en 2010.

La véritable force du WDM réside dans la façon dont il élargit les voies respiratoires optiques afin que chacun puisse inhaler plus d'oxygène de l'information. À l'aube de l'ère de la radio, chaque émetteur hurlait sur tout le spectre radio, bloquant les autres signaux pendant la durée de sa diffusion. Ensuite, les ingénieurs ont appris à construire des circuits qui accordaient chaque émetteur à sa propre fréquence, ouvrant le spectre radio aux nombreuses stations que nous pouvons entendre aujourd'hui. De la même manière, WDM remplace un seul flux de bits en noir et blanc par une multitude de signaux de couleurs différentes.

WDM crée d'énormes nouveaux pipelines d'informations qui offriront un meilleur service à moindre coût. Mais la véritable révolution de l'information ne viendra pas tant que les pipelines WDM bon marché n'atteindront pas les résidences individuelles. Les connexions modem d'aujourd'hui restent des goulots d'étranglement, nous obligeant à siroter le torrent de données à travers l'équivalent électronique d'une fine paille en plastique. Mais préparez-vous : lorsque la fibre atteint la maison, votre propre longueur d'onde peut produire une fontaine bouillonnante de bits.

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