Le trafic mondial sur Internet continue sa montée exponentielle, entraînée par la vidéo en streaming, le cloud computing, l'Internet des objets (IoT) et l'intelligence artificielle. Les réseaux optiques de fibre, l'épine dorsale des communications modernes, sont soumis à une pression immense pour fournir des capacités toujours plus élevées. Des techniques traditionnelles comme le multiplexage de la division Wavelong (WDM) et le multiplexage de la division Polarization (PDM) ont déjà été rapprochées de leurs limites fondamentales.

Qu'est-ce que le multiplexage de la division de mode?

La division de mode multiplexage est une technique qui utilise différents modes spatiaux supportés par une fibre optique comme canaux de données indépendants. Dans une fibre monomode standard (SMF), seul le mode fondamental (LP01) se propage. Cependant, les fibres peu-modes (FMFs) ou les fibres multimodes (MMFs) peuvent supporter des dizaines ou même des centaines de modes. Chaque mode a un modèle d'intensité unique et une distribution de phase.

Cette approche est fondamentalement différente de celle de la WDM. La WDM sépare les signaux par longueur d'onde (fréquence) et est déjà largement déployée. La MDM sépare les signaux par structure spatiale. Les deux techniques sont complémentaires : elles peuvent être combinées pour multiplier la capacité. Par exemple, l'utilisation de 10 canaux WDM et de 10 modes spatiaux donne 100 canaux de données indépendants sur une fibre. La MDM est un sous-ensemble du champ plus large de Space Division Multiplexing (SDM), qui comprend également des techniques comme la fibre multicore (MCF) où plusieurs noyaux indépendants sont intégrés dans un revêtement commun.

La physique des modes dans une fibre optique

Pour comprendre le MDM, il faut d'abord comprendre les modes de guidage d'ondes. Lorsque la lumière est confinée dans un guide d'ondes diélectrique cylindrique (la fibre), seules certaines distributions de champ électrique satisfont aux conditions limites. Ces solutions discrètes sont appelées modes. Dans les fibres faiblement guidées (où la différence d'indice de réfraction entre le noyau et le revêtement est petite), les modes sont approximativement approximatifs comme les modes linéairement polarisés (LP). Chaque mode LP est caractérisé par deux entiers : l'ordre azimutal (l) et l'ordre radial (m).

Dans une fibre typique à quelques modes, conçue pour le MDM, un profil d'indice réfractif soigneusement conçu garantit qu'un ensemble de modes sélectionnés (p. ex., 6 ou 10 modes LP) se propage avec un retard différentiel gérable du groupe (DGD). La fibre doit être optimisée pour minimiser les échanges entre les modes, bien que certains échanges soient inévitables et doivent être annulés par le traitement numérique du signal (DSP).

Comment fonctionne le MDM : de l'émetteur au récepteur

La mise en œuvre de MDM nécessite des composants spécialisés aux deux extrémités de la liaison. L'architecture de base reflète un système optique cohérent standard mais avec plusieurs canaux spatiaux.

Émetteur: Modes de génération et de multiplexage

À l'émetteur, les flux de données parallèles sont modulés sur des supports optiques séparés (soit la même longueur d'onde, soit différentes longueurs d'onde), puis lancés dans la fibre de telle sorte que chaque mode excite un mode spécifique. Ceci est obtenu à l'aide de multiplexeurs mode.

  • Lanternes photoniques: Une lanterne photonique adiabatiquement coupe un faisceau de fibres monomode (MFS) en une seule fibre à quelques modes. Chaque MFS correspond à un mode particulier du FMF. Il s'agit d'un appareil à large bande à faible perte largement utilisé dans la recherche SDM.
  • Ostices d'espace libre avec modulateurs de lumière spatiale (SLM) ou plaques de phase:[ Les faisceaux sont façonnés à l'aide d'hologrammes ou d'éléments binaires de phase pour produire les modèles de mode désirés, puis combinés avec des séparateurs de faisceau ou des miroirs.
  • Les multiplexeurs de mode photonique en silicium intégré: Les dispositifs sur puce utilisant des coupleurs directionnels asymétriques ou des joncs Y peuvent exciter sélectivement les modes dans un guide d'onde à quelques modes. C'est un domaine clé pour la miniaturisation et la viabilité commerciale.

Chaque canal de données est encodé sur son mode assigné. Les formats avancés de modulation comme DP-16QAM (Modulation de l'amplitude de 16 jours en polarisation du double) sont généralement utilisés pour maximiser l'efficacité spectrale. Les signaux peuvent également être pré-distordus pour compenser les déficiences de la fibre dépendante du mode.

Transmission : Propagation en fibre de peu de mode

La fibre à peu de modes doit être soigneusement conçue. Les paramètres clés sont les suivants :

  • Nombre de modes supportés:[ Échange entre la capacité et la complexité. Plus de modes augmentent la capacité mais aussi augmentent le crosstalk et la DGD.
  • Dilution de groupe différentielle (DGD):[ Différents modes se déplacent à des vitesses légèrement différentes en raison de leurs constantes de propagation distinctes, ce qui provoque une dispersion intermodale, qui doit être compensée électroniquement (comme la dispersion chromatique).
  • Raccordement de mode: Les imperfections dans la fibre (microbends, ellipticité du cœur, stress) provoquent le transfert d'énergie entre les modes. Ce crosstalk dégrade la qualité du signal. Cependant, tant que le couplage de mode n'est pas trop sévère, MIMO (Multiple Input Multiple Output Multiple Output) DSP peut le défaire, comme MIMO dans les communications sans fil.

Les systèmes MDM long-courriers comprennent souvent une amplification périodique à l'aide d'amplificateurs à fibre à dopage erbium à peu de mode (FM-EDFA) qui préservent le contenu modal.

Récepteur : Démultiplexage et traitement numérique des signaux MIMO

Au récepteur, le signal doit être séparé en modes individuels. Ceci peut être fait avec le même type de lanterne photonique (utilisée en marche arrière) ou avec des optiques de libre-espace. Cependant, en raison de l'accouplement du mode pendant la transmission, les signaux reçus sont mélangés. Un démultiplexeur simple ne peut pas les séparer proprement.

Un récepteur MDM typique utilise un détecteur cohérent pour chaque canal spatial. Les signaux électriques de tous les détecteurs (chacun correspondant à une sortie spatiale du démultiplexeur) sont numérisés et traités par un égaliseur MIMO. Cet égaliseur résout la matrice de mélange, inverse essentiellement le canal. La complexité s'échelle avec le carré du nombre de modes (N2). Pour les modes N=10, le DSP MIMO est gérable avec les CAMOS modernes. Pour les comptes de mode plus élevés (par exemple, >50), la complexité devient un défi.

Le DSP gère également la démultiplexage de la polarisation (puisque chaque mode a deux polarisations) et la récupération du support. Effectivement, la liaison MDM se comporte comme un système sans fil MIMO mais sur un canal fibreux.

Avantages du multiplexage de la division de mode

Le principal avantage du MDM est une augmentation massive de la capacité de fibres par brin. Dans les expériences en laboratoire, MDM a démontré des capacités supérieures à 1 Petabit par seconde sur une seule fibre.

  • L'infrastructure existante: MDM peut être déployée dans des conduits et conduits existants sans tirer de nouveaux câbles de fibres, tant que la fibre existante est remplacée ou qu'une nouvelle fibre à quelques modes est installée le long de la même route.
  • Compatibilité avec WDM:[ MDM multiplie la capacité de WDM. Un système avec 100 canaux WDM et 10 modes donne 1000 canaux. C'est une évolution naturelle pour les liaisons de classe térabit.
  • Potentiel pour une consommation réduite d'énergie:[ En transmettant plus de données par fibre, MDM peut réduire le nombre d'émetteurs et d'amplificateurs par bit, potentiellement en diminuant l'énergie par bit par rapport à l'espacement de nombreuses fibres monomodes distinctes.
  • Échelle d'efficacité spécifique: MDM ajoute un nouveau degré de liberté (espace) aux dimensions existantes du temps, de la longueur d'onde et de la polarisation. Ceci est essentiel pour poursuivre la croissance de la capacité de fibres selon la loi (slowing) Moore pour les communications optiques.
  • Flexibilité dans la conception du réseau: MDM peut être utilisé pour les "supercanaux spatiaux" où plusieurs modes sont combinés pour transporter des taux de données très élevés, simplifie la gestion du réseau.

Défis et obstacles

Malgré sa promesse, MDM fait face à plusieurs défis techniques et commerciaux importants qui ont empêché un déploiement généralisé au milieu des années 2020.

Couplage et crosstalk en mode

Dans toute fibre réelle, les modes ne sont pas parfaitement orthogonaux en raison des imperfections. Cela conduit à un couplage aléatoire entre les modes, provoquant des crosstalk. Bien que MIMO DSP peut compenser le couplage statique et lentement variable, la dynamique rapide (par exemple, des vibrations mécaniques) nécessite des algorithmes adaptatifs.

Délai différentiel de groupe

Même dans les fibres à faible DMD, la différence de retard entre les modes peut être de dizaines ou de centaines de picosecondes par kilomètre. Pour les longues distances, cette dispersion intermodale doit être égalisée, nécessitant des filtres de mémoire longs dans le DSP. Cela augmente la latence et la consommation d'énergie. Des techniques comme le "méthode brouillage" ou le "code espace-temps" sont explorés pour obtenir une moyenne du DDG, mais elles ajoutent de la complexité.

Amplification

Il est difficile d'amplifier simultanément plusieurs modes sans provoquer de crosstalk ou de gain inégal. Les amplificateurs à fibre à dopage erbium à faible mode (FM-EDFA) doivent être conçus pour fournir un gain uniforme entre les modes. L'amplification Raman peut être utilisée mais nécessite une puissance de pompe élevée et un contrôle attentif.

Intégration des composantes et coût

Les multiplexeurs/démultiplexeurs de mode, les FM-EDFA et les ASIC DSP MIMO ne sont pas encore produits en série à faible coût. La génération actuelle de composants est de qualité labo, souvent en utilisant l'optique libre. Pour que MDM pénètre dans les réseaux commerciaux, il faut des circuits intégrés photoniques (PIC) qui gèrent plusieurs modes sur une puce. L'industrie est encore au début de ce développement.

Normalisation

Il n'existe pas de normes largement adoptées pour les types de fibres à faible mode, les interfaces de connecteurs ou les spécifications des émetteurs. Les opérateurs de réseau hésitent à déployer une technologie exclusive.

Recherche récente et jalons expérimentaux

Depuis le début des années 2010, le MDM est un sujet brûlant de recherche en communications optiques.

  • 2011: Première démonstration de MDM avec 6 modes sur 40 km utilisant MIMO DSP.
  • 2015: Bell Labs (Nokia) a obtenu 1 Pb/s sur une fibre multicore de 12 cœurs combinée avec MDM (en utilisant 2 modes par noyau).
  • 2018: Des chercheurs japonais ont démontré une MDM à 10 modes sur 1000 km avec des FM-EDFA avancés.
  • 2021: Capacité enregistrée de 1,01 Pb/s sur une seule fibre à 10 modes utilisant 100 canaux WDM (10 modes × 100 λ × DP-16QAM).
  • 2023: Une équipe conjointe (Université de Tokyo, NTT) a obtenu 10,66 Pb/s sur une fibre de 15 modes sur 13 km en utilisant une bande passante de 100 nm.
  • 2024: OFC documents centrés sur les fibres à faible DMD à faible mode avec 6 modes pour les interconnections de datacenter, visant des applications à portée plus courte, à moindre coût.

Il y a aussi des recherches actives sur l'utilisation du MDM pour des applications à courte portée comme les réseaux de datacenters, où la complexité du DSP MIMO peut être réduite parce que les distances sont courtes (100m-10km) et la fibre peut être plus simple.

Perspectives d'avenir : Où se dirige le MDM ?

Court terme (1-3 ans): Centres de données et réseaux métropolitains

L'adoption précoce de MDM sera probablement dans les interconnections de centres de données de haute capacité (DCI).Ces liaisons sont généralement courtes (quelques kilomètres) et nécessitent une bande passante massive. Les défis du couplage DGD et du mode sont moins graves sur de courtes distances. Des schémas MIMO plus simples (par exemple, 2×2 MIMO pour deux modes comme LP01 et LP11a) peuvent être utilisés. Plusieurs startups et grands fournisseurs développent des émetteurs MDM pour des applications DCI 800G et 1.6T utilisant 2-4 modes.

Moyen terme (3-7 ans): Réseaux sous-marins et terrestres de longue durée

Avec la maturité des FM-EDFA et le déploiement de MIMO DSP, le déploiement long-courrier devient possible. Les câbles sous-marins, qui sont extrêmement coûteux en capital et ont de longs cycles de mise à niveau (20+ ans), pourraient bénéficier du MDM pour éviter de poser de nouveaux câbles. Les communautés de recherche japonaise et européenne poussent pour une fibre à peu de mode normalisée pour les applications sous-marines.

Long terme (7+ ans): Intégration avec d'autres dimensions

La capacité ultime d'une fibre sera obtenue en combinant tous les degrés de liberté disponibles : longueur d'onde (WDM), polarisation (PDM), modes spatiaux (MDM) et cœurs multiples (MCF). Ceci est souvent appelé Multiplexage de la division spatiale complète. Les chercheurs ont déjà démontré des systèmes hybrides de SDM avec 7 modes MCF et 3 modes par cœur, donnant 21 canaux spatiaux.

Communication et sensibilisation quantiques

Les modes spatiaux peuvent contenir des informations quantiques, permettant une distribution de clé quantique haute-dimensionnelle (QKD). De plus, MDM peut améliorer la détection de fibres distribuées en fournissant de multiples canaux orthogonaux pour détecter les tensions, la température et les vibrations.

Conclusion

En exploitant les modes spatiaux d'une fibre à quelques modes, MDM ajoute une nouvelle dimension à la transmission de données compatible avec WDM et d'autres techniques de multiplexage. Bien que des obstacles techniques importants demeurent – principalement le couplage de mode, l'amplification et le coût – les progrès constants dans l'intégration photonique, MIMO DSP, et la conception de fibres suggèrent que MDM passera des démonstrations de laboratoire au déploiement réel dans la prochaine décennie.