La société d'aujourd'hui génère de plus en plus de trafic de données Internet pour des applications telles que la vidéo ultra-haute définition, les services cloud et les connexions mobiles 5G. Cette croissance exponentielle continue du trafic de données depuis des décennies a été soutenue par les fibres optiques. Sjoerd van der Heide a exploré comment la dimension spatiale des techniques de transmission optique et numérique peut être utilisée dans les futures liaisons de transmission optique à très haute capacité.

Les fibres optiques permettent une transmission à faible perte de bandes passantes extrêmement élevées sur de longues distances. Par conséquent, les fibres optiques fournissent aujourd'hui presque toute la connectivité des données, par exemple dans les câbles transocéaniques, à l'intérieur et entre les centres de données, entre les tours cellulaires 5G et dans la fibre jusqu'au domicile. Par conséquent, de nouvelles techniques pour soutenir cette croissance dans les décennies à venir sont nécessaires.

Pour soutenir la croissance du trafic, les futurs systèmes de transmission optique devront transmettre des ordres de grandeur de plus de données et en même temps permettre la transition vers des réseaux verts à efficacité énergétique. Les câbles à fibres optiques transocéaniques modernes peuvent transmettre des dizaines de térabits par seconde et par paire de fibres. Ces débits de données sont activés par une parallélisation étendue via le multiplexage des dimensions physiques.

Multiplexage spatial

Les systèmes optiques actuels exploitent l'amplitude, la phase, la longueur d'onde et la polarisation de la lumière laser. Une seule dimension physique n'est pas encore utilisée :l'espace. Le multiplexage spatial est nécessaire pour prendre en charge les futures liaisons de transmission en pétabit par seconde par fibre optique. Le multiplexage spatial utilise des modes de fibres optiques multimodes, par exemple, pour moduler les données, augmentant les débits de données d'un ordre de grandeur ou plus.

Pour exploiter le multiplexage par répartition spatiale, un traitement avancé du signal numérique (DSP) est nécessaire. La lumière dans les fibres multimodes subit des effets linéaires et non linéaires et le récepteur voit une combinaison brouillée des signaux transmis. Ainsi, un filtrage à entrées multiples et à sorties multiples (MIMO), similaire à celui utilisé dans le WiFi et la 5G, est nécessaire pour démêler le mélange de modes dans le canal de transmission à fibre optique.

Dans son doctorat. Dans le cadre de sa thèse, Van der Heide a développé une chaîne avancée de traitement numérique du signal, y compris MIMO, utilisant un traitement hors ligne en Python pour les liaisons de transmission optique monomode et multimode. La chaîne de traitement numérique du signal a été utilisée dans des expériences de transmission optique monomode utilisant une boucle de fibre de recirculation.

Une transmission de 200 gigabits par seconde par longueur d'onde est obtenue sur 11 700 km de fibre à l'aide de formats de modulation quadridimensionnels avancés. La chaîne de traitement numérique du signal a également été utilisée pour des expériences multimodes, transmettant 1 térabit par seconde par longueur d'onde sur 130 km sans amplificateurs optiques en ligne, en utilisant le nouveau récepteur cohérent Kramers-Kronig.

Testé sur 10 000 km

De plus, Van der Heide a conçu et fabriqué un multiplexeur tout fibre pour interfacer des fibres monomodes avec de nouvelles fibres à cœur couplé à trois cœurs. Ces multiplexeurs ont ensuite été utilisés pour transmettre 172 térabits par seconde sur 2 040 km, ce qui équivaut à environ 10 millions de flux vidéo en ultra-haute définition.

En plus du traitement avancé du signal numérique, les dispositifs à fibre multimode nécessitent de nouveaux outils de caractérisation. Une configuration d'holographie numérique hors axe a été développée par Van der Heide pour caractériser les faisceaux optiques en espace libre. À l'aide d'une caméra infrarouge et d'un faisceau de référence pour mesurer l'amplitude et la phase des deux polarisations d'un faisceau optique, une caractérisation complète de la phase et de l'amplitude de la lumière a été utilisée pour obtenir des mesures clés.

Enfin, il a implémenté un récepteur optique en temps réel avec un traitement avancé du signal numérique sur un GPU commercial standard utilisant CUDA. Le récepteur utilise le nouveau schéma de détection cohérente Kramers-Kronig pour recevoir des signaux allant jusqu'à 5 Gigabits par seconde. Le concept est testé à l'aide d'une liaison d'essai sur le terrain de 91 km de long à Tokyo, au Japon, et dans une liaison de laboratoire sur une liaison par fibre de transmission en ligne droite de 10 000 km.

Plus de 50 publications

Techniques étudiées au cours de ce doctorat. devraient être utilisés dans les futures liaisons de transmission optique à très haute capacité. La recherche a été menée au Laboratoire de transmission optique à haute capacité de l'Université de technologie d'Eindhoven et a abouti à plus de 50 publications, recevant deux prix pour articles étudiants, un prix pour le meilleur article et un prix du projet d'innovation Nokia Bell Labs.

Une partie de la recherche a été menée en collaboration avec des partenaires internationaux lors de deux stages de recherche au Nokia Bell Labs à Holmdel, dans le New Jersey, aux États-Unis, et au National Institute of Information and Communications Technology (NICT) à Tokyo, au Japon.

Sjoerd van der Heide soutient sa thèse de doctorat intitulée Space-division multiplexed optical transmission enabled by advanced digital signal processing le 21 avril. + Explorer plus loin

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