À une époque définie par la croissance exponentielle des données, la demande de capacité de transmission accrue dans les réseaux optiques n'a jamais été aussi aiguë. Alors que les fibres monomode standard (MFS) sont l'épine dorsale des communications mondiales depuis des décennies, leurs limites fondamentales de bande passante ont stimulé des recherches intenses sur les technologies de multiplexage de division spatiale (SDM). Parmi les candidats les plus prometteurs, on retrouve les fibres multi-cœurs (FCF) et les fibres à peu de modes (FMF). Ces deux architectures de fibres offrent des voies complémentaires pour surmonter la limite de capacité Shannon en prenant en compte la dimension spatiale de la fibre.

Qu'est-ce que les fibres multi-carres et peu de fibres de mode?

Pour comprendre l'importance des progrès récents, il est essentiel de comprendre les principes fondamentaux de fonctionnement des MCF et des FMF et la différence entre ces derniers et les fibres monomodes conventionnelles.

Fibres multicouches (FCM)

Chaque noyau agit comme guide d'onde séparé, supportant un mode unique (ou parfois quelques modes).En transmettant des données à travers plusieurs noyaux en parallèle, les MCF multiplient la capacité globale par le nombre de noyaux, mettant en œuvre efficacement des canaux de fibre parallèle en un seul brin. Le défi clé de la conception du MCF est de minimiser crosstalk[ entre les noyaux adjacents tout en maintenant une faible perte et compatibilité avec les procédés de fabrication standard.

Fibres de peu de mode (FMF)

Contrairement aux MCF, les fibres à modes restreints propagent un nombre limité de modes spatiaux (généralement de 2 à 10) dans un seul noyau de plus grand diamètre. En utilisant le multiplexage par division de mode (MDM), chaque mode peut transporter un flux de données indépendant. Les FMF sont compatibles avec les techniques de détection cohérente et de traitement numérique du signal (DSP) existantes, permettant d'appliquer le multiplexage de mode sans nécessiter une infrastructure entièrement nouvelle. Cependant, les FMF présentent des défis tels que Mode accouplement, Différential mode delay (DMD), et Mode-dépendance loss (MDL)[. Les travaux récents ont porté sur la conception de FMFs avec des modes de transport bien séparés, à faible crosstalk et des multiplexeurs de mode d'ingénierie qui combinent et séparent efficacement les modes à l'émetteur et au récepteur.

Les MCF et les FMF représentent un changement fondamental du paradigme à canal unique vers une approche de diversité spatiale. Ils sont souvent considérés comme complémentaires : les MCF excellent dans les liaisons parallèles à haute densité (p. ex., les interconnections de datacenters), tandis que les FMF sont plus adaptés à la transmission longue distance où un nombre modéré de modes peuvent être multiplexés avec un DSP avancé. Une troisième catégorie, , est constituée de quelques fibres multi-cœurs (FM‐MCF), combine les deux concepts pour une capacité encore plus élevée, mais cet article se concentrera sur les technologies de base individuellement.

Évolution récente des fibres multi-cœur

Les cinq dernières années ont été marquées par des progrès remarquables dans la conception, la fabrication et les démonstrations de systèmes de MCF. Les chercheurs ont ciblé trois domaines principaux : réduction des tranquillisations, évolutivité de la fabrication et développement de nouveaux matériaux et structures.

Réduction des intersections grâce à la conception de base

Le croisement entre les carottes voisines demeure la mesure de performance la plus critique pour les MCF. Plusieurs stratégies se sont avérées efficaces :

  • Profilés assistés à la traction — La dépression de l'indice de réfraction dans une tranchée autour de chaque noyau réduit significativement le chevauchement des champs évanescentes.
  • — En modifiant l'espacement du cœur vers le cœur, l'indice de réfraction ou même le diamètre du cœur à travers la fibre, on peut éviter les conditions de couplage résonant. Cette technique a permis aux MCF de produire jusqu'à 37 carottes dans un diamètre standard de revêtement, avec des sanctions de crosstalk assez faibles pour une transmission 100-Gbaud.
  • Il a été démontré que les arrangements de noyau à anneaux multiples — arranger les noyaux en anneaux concentriques avec une séparation angulaire optimisée réduisent le crosstalk tout en maintenant une bonne densité spatiale d'emballage. Des simulations et des expériences de groupes à OSA Optics Express[ et Nature Scientific Reports démontrent que les crosstalk de 19 rings peuvent atteindre le crosstalk en dessous de -30 dB à 1550 nm.

Avances de fabrication et compatibilité des câbles

Les premiers prototypes du MCF ont été assemblés à la main en laboratoire, mais les récents développements ont porté sur les procédés de production évolutifs et répétables.

  • Statue-et-draw — Cette méthode, développée à l'origine pour les fibres de cristal photonique, a été affinée pour positionner précisément plusieurs préformes avant le dessin. Elle permet un contrôle serré des distances de cœur à cœur et des profils d'index.
  • Dopage en solution multi-étapes — Pour obtenir les variations complexes de l'indice de réfraction nécessaires aux carottes d'indices aidées ou graduées par tranchée, les chercheurs ont développé des techniques de dopage utilisant le germanium, le phosphore et le fluor.
  • Revêtements à haute résistance[ — Les MCF doivent être compatibles avec la fabrication de câbles standard, y compris la flexion et l'installation. De nouveaux revêtements à double couche d'acrylate et de carbone ont été démontrés qui maintiennent une faible perte de microbendage même pour les fibres 19 cœurs avec un revêtement de 125 μm.

Nouveaux matériaux et structures composites

Au-delà des MCF à base de silice, les chercheurs explorent de nouvelles plateformes matérielles :

  • L'enrobage dopé à la fluorine[ — La diminution de l'indice d'enrobage par rapport à l'enrobage en silice pure réduit la perte de fuite et permet d'emballer plus de carottes sans augmenter le crosstalk.
  • Les fibres multicores Hollow-core — Un concept nouveau utilisant un noyau creux entouré d'un habillage de bande de photonique peut guider la lumière avec une non-linéarité et une latence extrêmement faibles. La combinaison de plusieurs carottes creuses dans une seule fibre en est à ses débuts, mais promet une très grande capacité de liaison des centres de données où la latence est critique.
  • Les fibres optiques de polymer (POF) en tant que MCF — Pour les applications à courte portée, les fibres polymériques multi-core offrent des solutions de rechange à faible coût et tolérantes aux virages.

Démonstrations de système et transmission des enregistrements

Plusieurs expériences historiques ont validé le potentiel des MCF pour les systèmes du monde réel:

  • En 2023, NTT et Corning ont démontré un MCF de 19 points supportant 1,2 Pbps sur 2000 km en utilisant le multiplexage de division spatiale avec des formats de modulation avancés.
  • Une fibre de 37 cœurs de Toshiba a atteint une capacité globale de 3,5 Pbps en laboratoire, bien qu'elle ait une portée plus courte en raison de l'augmentation du crosstalk.
  • Pour les applications de datacenter, 7 appareils de ventilateurs/dépanneurs de cœur ont été commercialisés, ce qui permet une intégration directe avec les émetteurs-récepteurs existants.

Progrès dans les technologies de fibre de peu de mode

Peu de fibres de mode ont également connu des progrès importants, notamment en matière de contrôle du mode, de conception de multiplexeurs et de compensation DSP. L'objectif est de réaliser des systèmes MDM à la fois efficaces et compatibles avec les composants monomode existants.

Contrôle du mode et conception de fibre

Un FMF idéal supporte un ensemble de modes orthogonaux avec un couplage minimal et un DMD bien contrôlé. Les récents progrès de conception comprennent :

  • Cores d'indices gradués — Les profils d'indices réfractaires paraboliques peuvent égaliser les vitesses de groupe entre les modes LP, réduisant ainsi considérablement la DMD. Par exemple, un FMF gradué qui supporte les modes LP01, LP11 et LP21 peut atteindre la DMD en dessous de 10 ps/km.
  • Ring‐core FMFs — En configurant les modes d'ordre supérieur aux régions annulaires, les conceptions de ring‐core suppriment le couplage du mode et simplifient le démultiplexage. Cette approche a été utilisée pour créer des FMFs avec jusqu'à 6 groupes de mode.
  • Profils paraboliques inversés — La mise en forme de l'indice pour minimiser la marche entre les modes a permis de réduire les valeurs de DMD à 2 ps/km pour un FMF à 4 modes.

Multiplexeurs et démultiplexeurs

La combinaison et la séparation efficaces des modes sont des éléments essentiels de tout système MDM.

  • Lanternes photoniques — Ces appareils allient adiabatiquement un faisceau de fibres monomode dans un guide d'onde à quelques modes. Les conceptions récentes de lanternes photoniques atteignent <1 dB insertion loss and >20 dB mode extinction rapport pour jusqu'à 6 modes.
  • Circles d'ondes lumineuses planes intégrés — À l'aide de plates-formes de silice-on-nitride ou de silice-in-nitride, les chercheurs ont fabriqué des coupleurs directionnels qui peuvent exciter sélectivement des modes spécifiques de LP. Un démultiplexeur de PLC à 3 modes démontré à ]Optica a permis d'obtenir une perte de 0,5 dB et une suppression de 25 dB.
  • Les attelages de grilles d'espace libre — Pour les configurations de laboratoire, les optiques d'espace libre utilisant des modulateurs de lumière spatiale ou des éléments optiques diffractifs peuvent générer des modes arbitraires, qui restent essentiellement expérimentaux mais ont été cruciaux pour tester de nouveaux modèles FMF.

Traitement de Signal numérique (DSP) pour la récupération de mode

Même avec des fibres bien conçues, le couplage en mode résiduel et le DMD nécessitent une péréquation fondée sur le DSP.

  • Égalisation multi-entrées (MIMO)[ — Les algorithmes MIMO‐DSP standard, semblables à ceux utilisés dans les systèmes sans fil, peuvent séparer les modes mixtes. Des démonstrations récentes ont utilisé 6×6 MIMO avec modulation 64-QAM pour transmettre 1 Tbps sur 400 km de FMF.
  • Approches d'apprentissage de la machine — Il a été démontré que les réseaux neuronaux formés pour reconnaître les distorsions de mode améliorent la performance du MIMO‐DSP sous des déficiences non linéaires.
  • Le suivi adaptatif — Les conditions de couplage en mode (p. ex., en raison du mouvement de la fibre) varient rapidement et nécessitent une péréquation adaptative.

FMF en liaison longue-haul et avec le centre de données

Les chercheurs ont démontré plusieurs transmissions FMF qui ont été établies de façon record :

  • Un FMF à 6 modes a été utilisé pour atteindre 1,4 Pbps sur 74,8 km en utilisant 4-D MIMO et 256-QAM.
  • Pour les liaisons sous-marines, un FMF de 8 modes avec des pertes ultra-faibles (0.18 dB/km) a été développé, permettant 5 Tbps par mode sur des distances transatlantiques dans des simulations.
  • Dans les environnements de datacenter, un FMF à 2 modes (LP01 et LP11) a été intégré à des VCSEL à faible coût pour des liaisons à accès court de 100 Gbps, réduisant ainsi le nombre de fibres nécessaires.

Impact sur la capacité des réseaux et perspectives d'avenir

Les progrès combinés des technologies MCF et FMF sont en passe de transformer le réseau optique. La présente section examine les avantages de la capacité pour différents segments de marché et décrit les principales orientations de la recherche pour la prochaine décennie.

Interconnections de centres de données (ICD)

Les liaisons actuelles DCI reposent sur des fibres monomode parallèles, mais les MCF offrent un chemin vers la réduction du nombre de fibres tout en augmentant la bande passante globale. Un MCF 7-core peut remplacer 7 fibres séparées, simplifie la gestion des câbles et l'espace de rack. Pour les liaisons intra-centres de données de quelques centaines de mètres, des MCF avec des dispositifs de ventilateur/fan-out sont déjà déployés. Les MCF de prochaine génération avec 19 cœurs et des cœurs multimodes pourraient fournir des dizaines de Tbps par brin.

Systèmes long-haul et sous-marins

Les systèmes long-courriers bénéficient le plus de l'échelle de capacité offerte par SDM. Les MCF à ultra-faible intersection et à faible perte (approaching that of standard SMF) sont des candidats pour les câbles sous-marins de nouvelle génération. Un MCF 19-core peut potentiellement augmenter la capacité d'un câble sous-marin d'un facteur de 5-10 sans augmenter le diamètre du câble. De même, les FMF combinés avec MIMO-DSP peuvent quadrupler la capacité des liaisons terrestres existantes en utilisant les modes LP01, LP11a, LP11b et LP21. Le principal défi reste le développement de technologies de fan‐in-fan‐out et d'amplificateur fiables qui fonctionnent à travers plusieurs cœurs ou modes. Nature Photonics a récemment examiné les derniers modèles d'amplificateurs qui peuvent simultanément amplifier tous les cœurs ou modes avec gain de plané dans 1 dB.

Intégration avec les infrastructures existantes

L'un des plus grands obstacles pour SDM est la compatibilité avec les systèmes de rétrocompatibilité. Les MCF nécessitent de nouveaux connecteurs, des raccords et des équipements de test. Cependant, les efforts récents de normalisation de l'Union internationale des télécommunications (UIT‐T) et de l'Association de l'industrie des télécommunications (TIA) définissent des spécifications de géométrie et de performance pour les MCF 7 et 19 cœurs.

Concepts émergents : SDM avec AI et Quantum

Un réseau MCF contrôlé par l'IA pourrait affecter des noyaux à différentes classes de trafic (p. ex., faible latence vs haut débit) en temps réel. De plus, peu de fibres de mode sont explorées pour la distribution des clés quantiques (QKD) parce que différents modes peuvent transporter des signaux quantiques indépendants sans interférence. Des expériences récentes utilisant le mode 4 FMF ont démontré que le QKD était de plus de 300 km avec des taux de clé secrète dépassant 100 kbps, ouvrant la voie à des réseaux SDM sécurisés quantiques.

Défis et questions ouvertes en matière de recherche

Malgré cette dynamique, plusieurs défis demeurent :

  • Coût et rendement[ — Fabrication de MCF avec des géométries précises à faible coût est encore difficile. Le rendement de 37 fibres de cœur en particulier reste inférieur à 50%.
  • Disjonction non linéaire — Dans les MCF, le mélange inter-core à quatre ondes peut dégrader les performances à de hautes puissances de lancement.
  • Perte et gain dépendant de la mode — Dans les FMF, les amplificateurs optiques ont souvent des gains différents pour différents modes. Les amplificateurs égalisés de gain sont un domaine de recherche actif.
  • Intégration du système[ — La migration des expériences de validation vers des systèmes déployables sur le terrain nécessite un emballage robuste, une stabilité thermique et des algorithmes DSP testés sur le terrain.

Conclusion

Les progrès récents dans la réduction des échanges, l'évolutivité de la fabrication, le contrôle des modes et le DSP ont rapproché ces technologies de la réalité commerciale. Les MCF sont déjà déployés dans des applications de base et de courte portée, tandis que les FMF font l'objet d'essais sur le terrain pour les réseaux long-courriers. Avec des investissements continus dans la science des matériaux, l'intégration photonique et l'ingénierie des systèmes, les MCF et les FMF devraient jouer un rôle central dans la satisfaction de la demande insatiable de bande passante dans le monde entier jusqu'en 2030.