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Vue d’ensemble

Pendant des décennies, les réseaux optiques se sont appuyés sur la détection directe par modulation d’intensité (IMDD), où les bits signalés étaient transmis en allumant et éteignant un laser. Cette méthode de signalisation a fini par atteindre un plafond lorsque les demandes de données ont explosé. Pour maximiser la capacité et la portée du réseau, les réseaux optiques ont évolué, passant de simples méthodes de détection directe à une optique optique cohérente. Cette évolution permet de manipuler la lumière sous forme d’onde électromagnétique, en utilisant la phase et l’amplitude pour surmonter les limites physiques de la signalisation marche-arrêt traditionnelle.

Contrairement aux récepteurs traditionnels à détection directe qui ne mesurent que l’intensité de la lumière, la détection cohérente introduit un oscillateur local (LO) à mélanger avec le signal entrant. Cela permet au récepteur de capturer l’amplitude, la phase et la polarisation d’une onde plutôt que sa seule luminosité. L’état d’onde détaillé permet aux systèmes cohérents d’atteindre des débits de données élevés et une portée étendue requise pour les dorsales de réseau modernes.

Fondements d’une transmission cohérente

Les performances d’une liaison cohérente dépendent de trois composants principaux : le processeur de signal numérique (DSP), les formats de modulation avancés et la correction d’erreur directe (FEC). Alors que la modulation définit la façon dont les données sont codées sur l’onde lumineuse, le DSP et le FEC agissent comme le moteur de calcul du système, reconstruisant mathématiquement le signal et corrigeant les erreurs causées par les dégradations physiques de la fibre optique.

Processeur de signal numérique

Le processeur de signal numérique (DSP) est le cœur d’un émetteur-récepteur cohérent. Il améliore la distance de transmission, l’efficacité et la consommation d’énergie. Dans les modules cohérents modernes (Juniper Coherent Optics [JCO] Series), le DSP effectue des tâches de calcul massives en temps réel, notamment :

  • Compensation de dispersion : Lorsque la lumière traverse la fibre optique, différentes longueurs d’onde se déplacent à des vitesses différentes (dispersion chromatique), ce qui provoque la propagation et le chevauchement des impulsions. Le DSP applique des filtres mathématiques inverses pour inverser cette distorsion et éliminer le besoin de modules de compensation de dispersion (DCM) physiques sur la ligne de fibre optique.
  • Récupération du porte-bébé : Le DSP suit et corrige les décalages de fréquence entre l’émetteur et l’oscillateur local.
  • Correction d’erreur directe (FEC) : Le DSP analyse la probabilité statistique des valeurs binaires pour corriger les erreurs qui entraîneraient autrement une perte de données. Cela fournit un gain de codage important, étendant la portée du signal.

Modulation Techniques

L’optique cohérente moderne offre une grande flexibilité en utilisant un logiciel pour modifier les formats de modulation, ce qui permet aux opérateurs d’échanger la capacité contre la portée.

Modulation par déphasage en quadrature à double polarisation

La modulation par décalage de phase à double polarisation (DP-QPSK) est une technique de modulation qui code 2 bits par symbole. Il est extrêmement robuste contre le bruit et est utilisé pour les liaisons ultra-longues (des milliers de kilomètres).

Modulation d’amplitude en quadrature

La modulation d’amplitude en quadrature (QAM) ajoute une variation d’amplitude aux états de phase, ce qui permet d’augmenter les débits de données. Il double le débit de données par rapport à la QPSK, mais nécessite un rapport signal/bruit optique (OSNR) plus élevé.

Tableau 1 : Lignes directrices sur la QAM
Modulation Bits par symbole Débit de symboles
4QAM 2 1/2 x débit binaire
8QAM 3 1/3 x débit binaire
16QAM 4 1/4 x débit binaire

Modélisation probabiliste des constellations

Le probabiliste Constellation Shaping (PCS) est une technique avancée de traitement du signal qui optimise la transmission à haut débit en auds dans les systèmes optiques 400G et 800G à l’aide de la mise en forme probabiliste ou géométrique.

  • La mise en forme probabiliste ajuste la fréquence d’utilisation des symboles sur une grille QAM standard pour favoriser les points résilients au bruit et à faible consommation d’énergie.

  • La mise en forme géométrique reconfigure l’emplacement physique des points de constellation pour maximiser la distance entre les symboles.

En privilégiant ces symboles résistants au bruit, le moteur optique abaisse la puissance moyenne du signal et minimise la distorsion causée par les non-linéarités de la fibre. Cette approche améliore la tolérance à l’OSNR et facilite la transmission sur de longues distances sur des plages régionales et de longue distance qui nécessiteraient autrement une modulation de plus faible capacité. Par conséquent, le PCS permet une adaptation granulaire du débit, permettant au matériel de maximiser le débit de données en ajustant le débit d’informations par petits incréments pour correspondre au budget de liaison spécifique d’une portée de fibre.

Correction d’erreur directe

Dans un réseau cohérent, les signaux cohérents utilisent une modulation complexe pour intégrer plus de bits dans chaque impulsion et sont plus sensibles au bruit. La correction d’erreur directe (FEC) garantit la fiabilité de ces signaux à haut débit.

La FEC est une méthode de traitement numérique du signal utilisée pour détecter et corriger les erreurs binaires sans retransmission. L’émetteur ajoute des données redondantes (surcharge) au signal avant qu’il ne soit envoyé. Le récepteur utilise ensuite ces informations supplémentaires pour reconstruire mathématiquement tous les bits qui ont été corrompus pendant le transit.

Algorithmes FEC

Les FEC sont implémentées via des algorithmes FEC. Les algorithmes FEC sont des techniques mathématiques spécifiques ou des schémas de codage. Les algorithmes FEC détectent et corrigent les erreurs dans les données transmises sans retransmission. Le processus FEC comporte deux étapes :

  • Encodage (au niveau de l’émetteur ou de l’émetteur) : l’algorithme FEC traite les données d’origine et ajoute des bits redondants ou des bits de parité en fonction d’une règle mathématique spécifique. Les données encodées sont ensuite transmises sur le canal de communication.

  • Décodage (au niveau du récepteur ou du récepteur) : le récepteur utilise l’algorithme FEC pour analyser les données reçues, y compris les bits redondants. Si des erreurs sont détectées, l’algorithme tente de les corriger en fonction de la redondance.

La capacité de correction d’erreur de FEC dépend de l’algorithme spécifique utilisé et de la quantité de redondance ajoutée. Parmi les algorithmes FEC couramment utilisés, citons :

  • Reed-Solomon (RS) FEC

  • Soft-Decision FEC (SD-FEC)

  • Codes LDPC (Low-Density Parity-Check)

  • Bose-Chaudhuri-Hocquenghem (BCH) Codes

  • FEC concaténé (CFEC)

Le choix de l’algorithme FEC dépend des exigences spécifiques du système de communication :

  • Débit de données : les systèmes à grande vitesse nécessitent des algorithmes plus efficaces. Il peut s’agir de codes LDPC ou turbo.

  • Caractéristiques d’erreur : les erreurs en rafale sont mieux gérées par des codes de bloc tels que Reed-Solomon.

  • Latence : les applications en temps réel telles que le streaming vidéo nécessitent des algorithmes à faible latence.

  • Puissance et complexité : les systèmes avec des ressources de calcul limitées peuvent utiliser des codes plus simples comme Hamming ou BCH.

Tolérance du rapport signal/bruit optique

Le rapport signal optique/bruit (OSNR) est le rapport entre la puissance du signal lumineux et le bruit de fond de la liaison optique. La tolérance OSNR est l’OSNR minimum qu’un récepteur peut gérer avant de ne plus pouvoir corriger les erreurs. Un FEC plus fort (comme OFEC) a un seuil OSNR bas et peut récupérer un signal propre dans un environnement beaucoup plus bruyant. L’amélioration de l’OSNR obtenue à l’aide de la FEC est mesurée par le gain de codage net (NCG).

FEC Types

L’optique cohérente enfichable prend en charge deux types de méthodes FEC :

  • Correction d’erreur directe concaténée (CFEC) : La CFEC est une méthode FEC utilisée dans l’optique ZR. La CEFC concatène deux codes FEC l’un avec l’autre, un code interne de Hamming à décision douce (128,119) et un code externe extérieur de Staircase BCH (255, 239). La concaténation permet d’obtenir les performances optiques spécifiées dans l’accord de mise en œuvre de l’OIF ZR. Le CFEC utilise un décodage à décision stricte, qui est rapide et entraîne une latence inférieure à la microseconde.

  • Correction d’erreur directe ouverte (OFEC) : L’OFEC est une méthode FEC utilisée dans les modules optiques OpenZR+. L’OFEC consiste en un code de produit turbo (TPC) utilisant un code BCH étendu (256, 239) avec un décodage à décision douce en 3 itérations. Il est essentiel d’améliorer les performances de l’OFEC par rapport à celles du CFEC pour obtenir les performances optiques supérieures spécifiées dans le MSA OpenZR+. L’OFEC utilise un décodage itératif à décision douce, où le DSP vérifie les données plusieurs fois pour en assurer l’exactitude. Cela augmente considérablement le temps de traitement (latence).