Qu'est-ce que la communication optique cohérente ?

La communication optique cohérente est une technologie dans le domaine de la communication par fibre optique. Par rapport à la communication optique non cohérente traditionnelle, la communication optique cohérente présente les avantages techniques d'une distance de transmission plus longue et d'une plus grande capacité de transmission. Par conséquent, il a reçu une grande attention de la part de l'industrie et l'intérêt de la recherche à son égard n'a cessé d'augmenter.

Wchapeau est Lumière cohérente ?

Avant d'introduire la communication optique cohérente, introduisons brièvement ce qu'est la lumière cohérente. On parle souvent de « cohérence », et tout le monde comprend que cela signifie « interreliés ou impliqués ». La cohérence de la lumière signifie que deux ondes lumineuses remplissent simultanément les trois conditions suivantes lors du processus de transmission :

1. La fréquence (longueur d'onde) est la même ;

2. La direction des vibrations est la même ;

3. Le déphasage est constant.

Lumière cohérente

Ces deux faisceaux de lumière peuvent produire une interférence stable l'un avec l'autre pendant la transmission. Cette interférence peut être soit une interférence constructive (renforcement), soit une interférence destructive (annulation). Comme indiqué ci-dessous:

Il est évident que les interférences constructives peuvent rendre les ondes lumineuses (signaux) plus fortes.

Qu'est-ce que la communication optique cohérente ?

Eh bien, passons au point suivant et parlons de ce qu'est une communication optique cohérente. Beaucoup de gens peuvent penser que la communication optique cohérente est l'utilisation de la lumière cohérente pour la communication par transmission, ce qui est en fait incorrect. La communication optique cohérente et la communication optique non cohérente utilisent essentiellement des lasers sans aucune différence essentielle en termes de lumière.

La raison pour laquelle la communication optique cohérente est appelée "communication optique cohérente" ne dépend pas de la lumière utilisée dans le processus de transmission, mais de l'utilisation d'une modulation cohérente à l'extrémité émettrice et de l'utilisation d'une technologie cohérente à l'extrémité réceptrice pour la détection.

Communication optique non cohérente

Communication optique cohérente

La différence entre les deux est aux deux extrémités, pas sur le chemin de transmission. La technologie de l'extrémité réceptrice est au cœur de toute la communication optique cohérente, et c'est aussi la principale raison pour laquelle elle est si puissante. Dans les mêmes conditions, par rapport à la communication optique non cohérente traditionnelle, le récepteur de communication optique cohérente peut améliorer la sensibilité de 20db - 100 fois plus sensible que la communication non cohérente ! Avec l'aide de ces 20db, la distance de communication de la communication optique cohérente peut atteindre le niveau de milliers de kilomètres (la lumière non cohérente n'est que d'environ des dizaines de kilomètres).

Contexte de développement de la communication optique cohérente

Dès les années 1980, alors que la communication optique venait d'émerger, des pays développés comme les États-Unis, le Royaume-Uni et le Japon avaient déjà mené des recherches théoriques et des expériences sur la communication optique cohérente et obtenu de bons résultats.

Par exemple, en 1989 et 1990, AT&T et Bell aux États-Unis ont successivement réalisé une expérience de transmission de cohérence sur site FSK à 1.7 Gbps avec des longueurs d'onde de 1.3 μm et 1.55 μm sans aucun relais entre la station au sol de Rolling Creek et le hub de Sunbury en Pennsylvanie en 1989 et 1990, et la distance de transmission atteint 35 kilomètres.

Plus tard, dans les années 1990, les experts ont découvert que les EDFA (Erbium-Doped Fiber Amplifier) ​​et les technologies WDM (Wavelength Division Multiplexing) pourraient résoudre plus simplement et plus efficacement les problèmes de transmission par relais et d'extension de capacité des communications optiques. En conséquence, la recherche technique de la communication optique cohérente a été négligée.

Vers 2008, avec l'apparition de l'Internet mobile, le trafic de données du réseau de communication a augmenté rapidement et la pression sur le réseau dorsal a fortement augmenté. A l'heure actuelle, le potentiel d'EDFA et WDM la technologie est devenue plus petite. Les fabricants de communications optiques ont un besoin urgent de trouver de nouvelles percées technologiques, d'améliorer la capacité de transmission de la communication optique, de répondre aux besoins des utilisateurs et de soulager la pression.

Les fabricants ont constaté qu'avec la maturité du traitement du signal numérique (DSP), de la fabrication de dispositifs optiques et d'autres technologies, la communication optique cohérente basée sur ces technologies n'est qu'un bon choix pour briser le goulot d'étranglement technique de la communication par fibre optique à large bande passante longue distance. En conséquence, il est logique que la communication optique cohérente soit passée des coulisses au devant de la scène.

Principes techniques de la communication optique cohérente

Comme mentionné précédemment, la communication optique cohérente utilise principalement deux technologies clés, à savoir la modulation cohérente et la détection hétérodyne. Examinons d'abord la modulation cohérente côté émetteur optique. Dans le système IM-DD (Intensity Modulation-Direct Detection) arrière, seule la modulation d'intensité (amplitude) peut être utilisée pour moduler l'onde lumineuse en modifiant l'intensité du laser par le courant pour générer 0 et 1.

Modulation directe

La modulation directe est très simple, mais avec une capacité faible et de nombreux problèmes. Cependant, dans un système de communication optique cohérent, en plus de la modulation d'amplitude de la lumière, une modulation externe peut également être utilisée pour effectuer une modulation de fréquence ou une modulation de phase, telle que PSK, QPSK et QAM. Des méthodes de modulation supplémentaires augmentent non seulement la capacité de transport d'informations (un seul symbole peut représenter plusieurs bits), mais conviennent également à des applications d'ingénierie flexibles.

Voici un schéma de principe d'une modulation externe :

Comme le montre la figure, à l'extrémité de transmission, la méthode de modulation externe est adoptée, et le modulateur IQ basé sur le modulateur Mach-Zehnder (MZM) est utilisé pour réaliser le format de modulation d'ordre élevé, et le signal est modulé sur le transporteur optique, et envoyé. 

C'est le lien clé lors de l'entrée dans l'extrémité de réception. Tout d'abord, un signal laser généré par oscillation locale (lumière de l'oscillateur local) est utilisé pour se mélanger avec le signal lumineux d'entrée dans un mélangeur optique pour obtenir un signal de fréquence intermédiaire dont la fréquence, la phase et l'amplitude changent selon les mêmes règles que le signal lumineux. .

Une version agrandie de la structure du récepteur optique

Dans un système de communication optique cohérent, la taille du photocourant de sortie après mélange cohérent est proportionnelle au produit de la puissance optique du signal et de la puissance optique de l'oscillateur local. Étant donné que la puissance de la lumière de l'oscillateur local est bien supérieure à la puissance du signal lumineux, le photocourant de sortie est considérablement augmenté et la sensibilité de détection est également améliorée.

En d'autres termes, la communication optique non cohérente utilise de nombreux amplificateurs pour relayer et amplifier en continu le signal pendant le processus de transmission, tandis que l'essence de la communication optique cohérente est de mélanger et d'amplifier le signal arrivant faible directement à l'extrémité de réception.

Après mélange, la détection est effectuée avec un récepteur équilibré. La communication optique cohérente peut être divisée en détection hétérodyne, détection intradyne et détection homodyne selon la relation entre la fréquence du signal optique de l'oscillateur local et la fréquence optique du signal.

Classifications de la communication optique cohérente

Dans la communication optique cohérente de la détection hétérodyne, le signal de fréquence intermédiaire est obtenu par le détecteur photoélectrique. La deuxième démodulation est également requise avant de pouvoir être convertie en un signal en bande de base. La détection homodyne et intradyne apporte moins de bruit et réduit la surcharge de puissance du traitement du signal numérique ultérieur et les exigences pour les appareils associés, de sorte qu'ils sont les plus couramment utilisés. Dans une communication optique cohérente à détection homodyne, le signal optique est directement converti en un signal en bande de base après avoir traversé un détecteur photoélectrique sans démodulation secondaire. Cependant, cela nécessite que la fréquence de la lumière de l'oscillateur local et la fréquence du signal lumineux soient strictement adaptées, et le verrouillage de phase de la lumière de l'oscillateur local et du signal lumineux est requis.

Ensuite, le lien de traitement numérique du signal (DSP) est d'une grande importance.

 Traitement numérique du signal (DSP)

La distorsion se produit lorsqu'un signal optique est transmis dans une liaison à fibre optique. La technologie DCP tire parti de la caractéristique de manipulation facile des signaux numériques pour combattre et compenser la distorsion et réduire l'impact de la distorsion sur le taux d'erreur binaire du système. Il a créé l'ère numérique des systèmes de communication optique et est devenu un support important pour la technologie de communication optique cohérente. La technologie DSP peut être appliquée non seulement aux récepteurs, mais également aux émetteurs.

Comme indiqué ci-dessous:

Technologie DSP

Numérique vers analogique et analogique vers numérique

Comme le montre la figure ci-dessus, la technologie DSP effectue divers traitements de compensation du signal, tels que la compensation de la dispersion chromatique et la compensation de la dispersion du mode de polarisation (PMD).

Rémunérations diverses et Estimation de DSP

Module	Fonction
Quadrature de QI	Compenser la sous-quadrature IQ causée par les modulateurs et les mélangeurs
Récupération d'horloge	Compenser l'erreur d'échantillonnage
Compensation de dispersion	Compenser la dispersion
Égalisation de polarisation	Compenser les dégradations dépendant de la polarisation, la polarisation démultiplexage
Estimation de la fréquence	Estimation et compensation du décalage de fréquence porteuse au niveau de l'émetteur et du récepteur
Estimation des phases	Estimation et compensation du bruit de phase porteuse
Sortie de décision	Décision soft/hard, décodage canal, décodage source, estimation du taux d'erreur sur les bits

Les rôles de chaque module de DSP

La communication optique non cohérente traditionnelle effectue une compensation de dispersion et d'autres fonctions via des dispositifs de compensation de chemin optique, dont l'effet de compensation est bien inférieur à celui du DSP. L'introduction de la technologie DSP simplifie la conception du système, réduit les coûts et élimine l'original module de compensation de dispersion (DCM) ou fibre de compensation de dispersion dans le système, ce qui simplifie la conception de la liaison de transmission longue distance. Avec le développement du DSP, davantage d'algorithmes et de fonctions sont ajoutés en continu, tels que la technologie de compensation non linéaire et la technologie de modulation et de démodulation multicode.

Compensation	Algorithme correspondant
Compensation de déséquilibre en quadrature	"Processus orthogonal de Gramm-Schmidt (GSOP) Méthode de correction d'ellipse (EC)"
Compensation de dispersion	Égaliseur dispersif dans le domaine fréquentiel
Égalisation de polarisation	Algorithme de module constant (CMA)
Fréquence porteuse offdéfinir l'estimation	"Algorithme d'estimation basé sur la différence de phase, Algorithme FFT basé sur le signe ou la phase du signe"
Estimation de la phase porteuse	Algorithme de transformation de constellation (CT), Algorithme de recherche en phase aveugle (BPS), Algorithme d'estimation du maximum de vraisemblance (ML), etc.
Compensation non linéaire	Algorithme de Voltera, Certains algorithmes de compensation non linéaire de réseau de neurones, etc.
Algorithme de codage de correction d'erreur de canal	Encodage LDPC, encodage Turbo, etc.

Algorithmes de compensation couramment utilisés

Après le traitement DSP, le signal électrique final est émis. Ensuite, nous passons en revue l'ensemble du processus à travers un cas de transmission cohérente 100G.

Un boîtier de transmission cohérente 100G

Le processus spécifique est le suivant:

1. Après traitement du signal numérique et conversion numérique-analogique, le flux de signal 112 Gbps, après être entré dans l'émetteur optique, subit une conversion "série-parallèle" et devient 4 canaux de signaux 28 Gbps ;

2. Le signal émis par le laser devient un signal optique polarisé dans deux directions verticales x et y à travers le séparateur de faisceau de polarisation ;

3. Grâce au modulateur d'ordre élevé composé du modulateur MZM, une modulation QPSK d'ordre élevé est effectuée sur le signal optique dans les directions de polarisation x et y ;

4. Le signal lumineux polarisé modulé est combiné avec une fibre optique à travers un combinateur de polarisation pour la transmission ;

5. Après avoir reçu le signal, l'extrémité de réception sépare le signal en deux directions de polarisation verticale de X et Y ;

6. Grâce à une détection et une réception cohérentes, les signaux polarisés verticalement X et Y deviennent des signaux de courant/tension ;

7. Grâce à la conversion ADC, les signaux de courant et de tension sont transformés en flux de code numérique tels que 0101… ;

8. Grâce au traitement du signal numérique, les facteurs d'interférence tels que la dispersion, le bruit et la non-linéarité sont supprimés, et le flux de numéros de télécommunication 112 Gbps est restauré, et c'est la fin.

Autres technologies de support pour la communication optique cohérente :

Les performances de la communication optique cohérente sont puissantes, mais le système est très complexe et il est difficile de faire fonctionner la technologie.

	Communication non cohérente	Communication cohérente
Définition	Système de transmission optique qui ne nécessite pas de lumière d'oscillateur local cohérente	Système de transmission optique utilisant Oscillateur local pour une détection cohérente
Modulation et démodulation sans souci	Transmetteur : Modulation d'intensité Récepteur : détection directe	Transmetteur : Modulation externe Récepteur : détection cohérente optique de l'oscillateur local
Format optique	Modulation d'amplitude (RZ/NRZ/ODB) Modulation de phase différentielle (DQBSK)	Modulation de phase (BPSK/QPSK) Modulation d'amplitude en quadrature (QAM)
Structure du système	étapes Facile à mettre en œuvre et à intégrer	Complexe Exigences techniques élevées
Efficacité spectrale	Faible Les informations de fréquence et de phase de la porteuse optique ne peuvent pas être exploitées ; La capacité de bande passante monocanal est limitée	Haute Les informations portées par l'amplitude, la fréquence et la phase du signal optique peuvent être détectées ; la bande passante monocanal est élevée
Tolérance à la dispersion	Faible DCM doit être configuré pour la compensation de dispersion	Haute Utilisation de la technologie DSP pour offrégler la dispersion de la fibre, il peut être utilisé sur de très longues distances pour obtenir une compensation de dispersion sans DCM
Architecture ROADM	Complexe La direction de réception doit utiliser le démultiplexeur pour filtrer le signal de longueur d'onde correspondant	concis La réception cohérente peut sélectionner une longueur d'onde spécifique à partir du signal multiplexé, sans avoir besoin d'une version de démultiplexage

Lumière non cohérente vs lumière cohérente

Afin de réaliser l'application pratique de la communication optique cohérente, il est nécessaire de s'appuyer sur les technologies suivantes :

• Technologie de préservation de la polarisation

La détection cohérente nécessite que les directions de polarisation du signal lumineux et de la lumière de l'oscillateur local soient les mêmes dans optique cohérente communication, c'est-à-dire que les directions vectorielles électriques des deux doivent être les mêmes, de manière à obtenir la sensibilité élevée que peut fournir une réception cohérente.

Car, dans ce cas, seule la projection du vecteur électrique lumière signal dans la direction du vecteur électrique lumière de l'oscillateur local peut réellement contribuer au courant signal à fréquence intermédiaire généré par le mélange. Afin d'assurer une sensibilité élevée, il est nécessaire de prendre des mesures de stabilisation de la polarisation des ondes lumineuses. Il existe actuellement deux méthodes principales :

Premièrement, la "fibre à maintien de polarisation" est utilisée pour maintenir l'état de polarisation de l'onde lumineuse inchangé pendant le processus de transmission. (La fibre monomode ordinaire modifiera l'état de polarisation de l'onde lumineuse en raison de facteurs tels que les vibrations mécaniques ou les changements de température de la fibre.)

Deuxièmement, utilisez une fibre monomode ordinaire, mais utilisez la technologie de diversité de polarisation à l'extrémité de réception.

• Technologie de stabilisation de fréquence

La stabilité de fréquence des lasers à semi-conducteurs est très importante dans la communication optique cohérente. La fréquence du laser est très sensible aux changements de température de fonctionnement et de courant. Si la fréquence du laser dérive avec différentes conditions de fonctionnement, cela affectera le courant IF, augmentant ainsi le taux d'erreur binaire.

• Technologie de compression du spectre

La largeur spectrale de la source lumineuse est également importante dans la communication optique cohérente. Ce n'est qu'en garantissant la largeur de raie étroite de l'onde lumineuse que l'influence de la modulation d'amplitude quantique et du bruit de modulation de fréquence du laser à semi-conducteur sur la sensibilité du récepteur peut être surmontée. En outre, plus la largeur de ligne est étroite, plus le bruit de phase causé par la dérive de phase est petit. Afin de répondre aux exigences de communication optique cohérente sur la largeur spectrale de la source lumineuse, la technologie de compression de largeur spectrale est généralement adoptée.

 Application de le Communication optique cohérente

En bref, il s'agit d'un système de transmission optique avancé et complexe adapté à la transmission d'informations à plus longue distance et à plus grande capacité. Dans la transmission longue distance des fibres optiques, les EDFA (Erbium-Doped Fiber Amplifiers) sont généralement utilisés pour chaque portée de 80 km.

EDFA

Avec une communication optique cohérente, la transmission longue distance est beaucoup plus facile. De plus, communication optique cohérenten peut être transformé directement avec la fibre optique et le câble existants, dont le coût est maîtrisable.

La communication optique cohérente peut être utilisée pour mettre à niveau le système WDM du réseau fédérateur existant, et peut également être utilisée dans des scénarios de liaison intermédiaire 5G. Même l'accès à la fibre métropolitaine FTTx a commencé à étudier l'introduction d'une communication optique cohérente. À l'heure actuelle, la discussion la plus animée sur la communication optique cohérente se concentre sur le scénario de « l'interconnexion des centres de données » (DCI).

Datacenter

DCI a une forte demande de modules optiques cohérents longue distance. Surtout cette année, le pays promeut vigoureusement la canalisation de davantage de ressources informatiques des régions orientales vers les régions occidentales moins développées, ce qui a un grand effet stimulant sur le marché des communications optiques cohérentes.

Conclusion:

Dans l'ensemble, le retour et la vulgarisation de la technologie de communication optique cohérente permettent d'exploiter davantage le potentiel de performance de la communication optique, d'augmenter la bande passante limite et de réduire les coûts de déploiement. À l'heure actuelle, la recherche sur la technologie de communication optique cohérente est toujours en cours. Les problèmes d'un processus complexe, d'un grand volume et d'une consommation d'énergie élevée de modules optiques cohérents n’ont pas été complètement résolus. Il reste encore beaucoup de place pour l’innovation technologique dans chaque maillon clé d’une communication optique cohérente.