Les câbles à fibres optiques constituent l’épine dorsale des communications modernes, transportant des données et des appels téléphoniques d’un pays à l’autre et sous les océans. Toutefois, la demande de données en constante augmentation, du streaming de films à la recherche sur Internet, exerce une pression sur ce réseau, car il est difficile de transmettre des données à travers les câbles avant que le signal ne se dégrade, et la construction de nouveaux câbles est coûteuse.
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Aujourd'hui, une équipe de l'Université de Californie à San Diego pourrait trouver une solution en empruntant une technique utilisée dans d'autres domaines en tant qu'outil de mesure: le peigne de fréquence. Ces dispositifs basés sur le laser ont permis à l'équipe de supprimer les distorsions apparaissant généralement avant que le signal n'arrive à l'extrémité d'un câble. Les chercheurs ont envoyé des données plus loin que jamais - 7 456 milles - sans qu'il soit nécessaire d'augmenter le signal en cours de route.
Si leur technique expérimentale tient le coup dans le monde réel, les câbles à fibres optiques auraient besoin de moins de répéteurs coûteux pour conserver des signaux puissants. En outre, une plus grande stabilité du signal dans un flux de données signifierait que davantage de canaux pourraient être intégrés à une seule transmission. À l'heure actuelle, un compromis fondamental en matière de fibre optique est que plus vous souhaitez transmettre de données, plus la distance que vous pouvez l'envoyer est courte.
Les signaux de fibre optique sont simplement une lumière codée, générée par un laser ou une LED. Cette lumière parcourt des câbles de verre minces, se réfléchissant sur leurs surfaces intérieures jusqu'à ce qu'elle sorte par l'autre extrémité. Tout comme les émissions de radio, un faisceau laser aura une certaine largeur de bande ou gamme de fréquences, il couvrira, et un brin typique de câble à fibres optiques peut acheminer plusieurs canaux à largeur de bande.
Mais les signaux ne peuvent pas voyager à l'infini ni être décodés à cause d'effets dits non-linéaires, en particulier l'effet Kerr. Pour que la fibre optique fonctionne, il faut que la lumière à l'intérieur de la fibre se réfracte ou se plie à mesure qu'elle se déplace. Mais les champs électriques vont modifier la quantité de verre qui plie la lumière, et la lumière elle-même génère un petit champ électrique. Le changement de réfraction signifie qu'il y a de petits changements dans la longueur d'onde du signal transmis. De plus, il y a de petites irrégularités dans le verre de la fibre, qui n'est pas un réflecteur absolument parfait.
Les petits changements de longueur d'onde, appelés jitter, s'additionnent et provoquent une diaphonie entre les canaux. La gigue semble aléatoire car une transmission par fibre optique transporte des dizaines de canaux et l'effet sur chaque canal est légèrement différent. Puisque l'effet Kerr est non linéaire, mathématiquement, s'il n'y a pas plusieurs canaux, vous ne pouvez pas le soustraire. Le calcul est beaucoup plus complexe et presque impossible pour les équipements de traitement du signal actuels. Cela rend la nervosité difficile à prévoir et à corriger.
"Nous avons réalisé que le flou, même minime, fait en sorte que le tout paraisse comme s'il n'était pas déterministe", explique Nikola Alic, chercheur à l'Institut Qualcomm de l'UCSD et l'un des leaders du travail expérimental.
Dans la configuration actuelle de la fibre optique, les fréquences des canaux doivent être suffisamment éloignées pour que la gigue et les autres effets de bruit ne les fassent pas en chevauchement. De plus, comme la gigue augmente avec la distance, ajouter plus de puissance au signal ne fait qu'amplifier le bruit. La seule façon de régler ce problème consiste à installer sur le câble des dispositifs coûteux, appelés répéteurs, pour régénérer le signal et éliminer le bruit - un répéteur transatlantique typique installe des répéteurs tous les 600 km environ, a précisé Alic, et vous en avez besoin d'un par canal. .
Les chercheurs de l'UCSD se sont demandé s'ils pourraient trouver un moyen de rendre la gigue moins aléatoire. S'ils savaient exactement à quel point la longueur d'onde de la lumière dans chaque canal changerait, ils pourraient alors le compenser lorsque le signal parviendrait à un récepteur. C'est là que le peigne de fréquence est entré en jeu. Alic dit que l'idée lui est venue après des années de travail dans des domaines connexes avec la lumière. «C’était une sorte de moment de clarté», dit-il. Un peigne de fréquence est un appareil qui génère une lumière laser à des longueurs d'onde très spécifiques. La sortie ressemble à un peigne, chaque "dent" étant à une fréquence donnée et chaque fréquence à un multiple exact de celles adjacentes. Les peignes sont utilisés dans la construction d’horloges atomiques, en astronomie et même dans la recherche médicale.
Alic et ses collègues ont décidé de savoir ce qui se passerait s'ils utilisaient un peigne de fréquence pour calibrer les signaux sortants à fibre optique. Il compare cela à un chef d'orchestre accordant un orchestre. «Pensez au chef d'orchestre qui utilise un diapason pour dire à tout le monde ce qu'est le centre A», dit-il. L’équipe a mis au point des systèmes à fibres optiques simplifiés à trois et cinq canaux. Quand ils ont utilisé le peigne pour calibrer les longueurs d'onde du signal sortant, ils ont encore trouvé de la gigue, mais cette fois, tous les canaux tremblaient de la même manière. Cette régularité permettait de décoder le signal et de l’envoyer à une distance record sans répéteurs. «Cela rend le processus déterministe», explique Alic, dont l'équipe présente les résultats cette semaine dans Science .
Sethumadhavan Chandrasekhar, membre éminent du personnel technique de la société de télécommunications mondiale Alcatel-Lucent, est l'un des nombreux scientifiques qui travaillent sur le problème de la gigue des fibres optiques depuis plusieurs années. Ses travaux publiés portent sur la transmission de signaux à phase conjuguée, deux signaux déphasés de 180 degrés exactement. Cette configuration signifie que tout effet non linéaire causant du bruit serait annulé.
Le travail de l'UCSD est important, mais ce n'est pas encore une solution complète, déclare Chandrasekhar. "Ce qui manque, c'est que la plupart des systèmes ont maintenant une double polarisation", explique-t-il, ce qui signifie que les systèmes augmentent la capacité en envoyant des signaux lumineux polarisés différemment. "Aujourd'hui, la plupart des systèmes transmettent des informations dans les deux états de polarisation de la lumière, et l'équipe de l'UCSD doit démontrer que leur technique fonctionne également dans un tel scénario de transmission", a-t-il déclaré.
Alic dit que la prochaine série d'expériences de l'équipe traitera de cette question. Jusqu'à présent, ils pensent que cette technique peut être adaptée à une utilisation réelle, même si cela nécessitera la construction et le déploiement de nouveau matériel, ce qui prendra du temps. Quoi qu'il en soit, augmenter la portée des signaux permettra une construction beaucoup plus agressive, générant plus de données et plus de distance sans craindre une perte de signal. "Il n'y a plus aucune raison d'avoir peur", dit-il.
