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Les performances de la fibre sans fibre


“La transmission de données est hautement sécurisée car le pinceau lumineux optique est très directif et la consommation électrique est faible avec une connectivité à débit garanti pour chaque utilisateur car c’est une communication point-à-point.”


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Dans le cadre du projet collaboratif européen WORTECS (Wireless Optical/Radio TErabit CommunicationS), Orange Labs (France) a démontré la possibilité d’une communication optique sans fil de 1,16 térabit par seconde. Il s'agit de la première démonstration dans les deux sens et dans un espace fermé, créant un record du monde. Au-delà de ce record, le même dispositif sans fil offre des débits photoniques de 1 Gbit/s (109 bit/s) à 1 Tbit/s.

Introduction

En 1889, Nikola Tesla réalise un générateur à hautes fréquences radio et quelques années plus tard, il expérimente la première communication sans fil. Puis en 1897, Guglielmo Marconi propose la première communication radio en morse sur 14 km en Grande-Bretagne. Ce fut le point de départ du formidable développement des communications radio avec des applications aussi diversifiées que les radars, la télévision, les smartphones ou le Wi-Fi. 

Dans les années 1960, profitant des découvertes conjointes du laser et du détecteur photonique, quelques chercheurs eurent l’idée d’utiliser une fibre de silice pour transporter un signal lumineux capable de véhiculer des informations à très grande vitesse, celle de la lumière. Et une dizaine d’années plus tard, avec l’évolution des services de communication et leurs besoins en bande passante toujours plus importants, la fibre optique devait progressivement supplanter les liaisons cuivre. Ses capacités en termes de débit et sa faible atténuation linéique permettent des liaisons grande distance de plusieurs centaines de km sans répéteur. En effet, les systèmes de transmission par fibre optique ont une capacité de plusieurs Tbit/s, ce qui en fait un médium privilégié pour le transport de données volumineuses dans les réseaux de communication [1]. Les fibres optique furent d’abord utilisées pour l’établissement de liaisons grande distance, par exemple pour raccorder des nœuds de communication intercontinentaux et transcontinentaux. Aujourd’hui, les besoins sans cesse croissants en bande passante encouragent le déploiement de la fibre à grande échelle au plus proche du client. Ainsi, les réseaux optiques passifs (Passive Optical Network – PON) connaissent un développement fulgurant pour fournir des débits d’accès de plus en plus élevés pour la maison ou l’entreprise [2].

En parallèle du développement de la photonique pour les télécommunications, le monde de l’éclairage et de l’affichage subit aussi une révolution technologique avec l’usage de la DEL (LED en anglais pour light-emitting diode). Cette solution offre aussi une application en télécommunication car il est possible de varier son intensité lumineuse très rapidement, et donc de transmettre des messages binaires. Le laser ne fut pas absent de cette vague technologique pour permettre une liaison optique sans fil locale. Les premières solutions, principalement militaires, étaient des dispositifs point-à-point en extérieur (Free Space Optics – FSO) puis, plus récemment des applications commerciales point-à-multipoint sont disponibles pour être généralement déployées à l’intérieur d’une pièce (Light Fidelity – Li-Fi) [3]. Les communications sans fil à très haut débit actuelles, par radiofréquence dans la bande spectrale du TeraHertz ou dans le domaine optique, utilisent des faisceaux de communication étroits qui doivent être dirigés l’un vers l’autre pour connecter les terminaux. Les liaisons ainsi établies sont obligatoirement en visibilité directe ou « Line Of Sight – LOS ».

Le projet collaboratif européen WORTECS (https://wortecs.eurestools.eu/) a exploré un nouvel axe de recherche, la « fibre sans fil » ou Fiber Wireless (Fi-Wi) dont le principe de fonctionnement est extrêmement simple. Dans une pièce, il s’agit de prendre le faisceau lumineux d’une fibre optique du point d’accès (Access Point – AP) et de l’orienter automatiquement vers le terminal de l’utilisateur (User Terminal – UT) et bien sûr, de procéder de façon réciproque pour obtenir une communication à très haut débit dans les deux sens (Figure 1).

Cette idée nouvelle permet une connexion directe entre deux fibres optiques, supprimant une grande partie de la complexité de conversion du signal optique en signal électrique (et vice versa), mais également de la complexité liée au traitement et à la régénération du signal de l’alternative radio. Les liaisons Fi-Wi sont donc intrinsèquement bidirectionnelles, transparentes au type de modulation ou au protocole et à la longueur d’onde. Le lien ainsi proposé offre un débit de 1 Gbit/s à 1 Tbit/s (jusqu’à un maximum théorique actuellement évalué à 44,2 Tbit/s) sans modifier le point d’accès (AP) ni le terminal utilisateur (UT). La transmission de données est hautement sécurisée car le pinceau lumineux optique est très directif et la consommation électrique est faible avec une connectivité à débit garanti pour chaque utilisateur car c’est une communication point-à-point.

Les premières applications actuelles sont les services immersifs reposant sur l’utilisation de technique de réalité virtuelle (Virtual Reality – VR) ou de réalité augmentée (Augmented Reality –AR) nécessitant des débits importants, de l’ordre d’une centaine de Gbit/s par terminal avec une compression vidéo et des temps de latence très faible. Les applications du Fi-Wi sont multiples : c’est par exemple la conduite d’opérations chirurgicales à distance sans conversion électrique/radio ou encore les salles de jeu virtuel (Virtual Reality Arcade). A moyen terme, un usage serait les communications holographiques mobiles qui nécessitent des débits de plusieurs Tbit/s avec des temps de latence inférieurs à la microseconde.

Fig.1: Lien Fi-Wi

Fig.2: Prototype Fi-Wi

La figure 1 présente le principe de fonctionnement, Le système se compose d’un Point d’Accès (AP) et d’un Terminal Utilisateur (UT), avec un dispositif de détection et de guidage précis qui permet à chaque terminal (1 et 2) de pointer l’un vers l’autre. Chaque terminal envoie à l’autre terminal un faisceau lumineux étroit provenant d’une fibre optique. Les deux terminaux se suivent et adaptent automatiquement les mouvements de l’utilisateur afin de maintenir la communication bidirectionnelle pendant le déplacement. La figure 2 présente la première version du prototype.

RÉUSSITE

La solution Fi-Wi offre l’opportunité d’un réseau tout optique fibré et sans fil de bout en bout et la recherche dans ce domaine a suscité un intérêt croissant [4] – [6]. Généralement, les terminaux Fi-Wi intègrent un concentrateur de lumière et une unité de localisation et de guidage du faisceau pour permettre de suivre le mouvement de l’utilisateur. Plusieurs dispositifs ont déjà été présentés [7] – [9] et reposent sur des liaisons point-à-point, à l’instar des FSO. Mais pour supporter la mobilité des utilisateurs sans aucune interruption de service, les différents prototypes proposés utilisent des miroirs à orientation rapide (Fast Steering Mirror – FSM) [10] – [15], des modulateurs spatiaux de lumière (Spatial Light Modulator – SLM) [16] ou des réseaux de diffraction passifs (passive diffraction grating) [17] et [18].

La proposition du projet WORTECS utilise des miroirs FSM standard et des caméras commerciales permettant une intégration compacte des fonctions de détection de présence et de guidage dans un simple boîtier [19] et [20] (figure 2). Les expérimentations en laboratoire ont démontré une capacité de transmission de 1 Tbit/s sur une couverture actuellement de 4,9 m2. Récemment, en collaboration avec l’institut de recherche technologique B-COM (France), une liaison optique sans fil de 10 Gbps a été testée avec des modules optiques SFP (Small Form-factor Pluggable) commercialement disponibles. Le lien optique sans fil fut entre un serveur de contenu de Réalité Virtuelle (VR) et un casque VR pour une communication en temps réel.

ÉTAPE SUIVANTE

Cette nouvelle approche est une véritable rupture technologique, associant directement le réseau de fibre optique et les terminaux via une solution Fi-Wi. La deuxième version de ce démonstrateur sera visible sur https://www.wortecs.com à partir du 15 Octobre 2020

Les prochaines étapes consisteront à approfondir l’espace des solutions innovantes, notamment en mode multi-utilisateurs. Une contribution à l’effort de standardisation sera également soumise afin de proposer une solution interopérable, reposant sur un protocole d’appairage novateur et sécurisé. Enfin, à une échéance de trois ans, des prototypes seront également développés dans un contexte de pré industrialisation pour réduire la taille, la latence et les coûts.


“La transmission de données est hautement sécurisée car le pinceau lumineux optique est très directif et la consommation électrique est faible avec une connectivité à débit garanti pour chaque utilisateur car c’est une communication point-à-point.”


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Cet article vient du Blog de la Recherche

Auteurs :

  • Olivier Bouchet
  • Christian Gallard
  • Marie-Hélène Hamon

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REFERENCES

[1] E. Agrell, M. Karlsson, A. Chraplyvy, D. J. Richardson, P. M. Krummrich, P. Winzer, K. Roberts, J. K. Fischer et al., “Roadmap of optical communications,” Journal of Optics, vol. 18, no. 6, p. 063002, 2016.

[2] F. J. Effenberger, “Industrial trends and roadmap of access,” Journal of Lightwave Technology, vol. 35, no. 5, pp. 1142–1146, 2016.

[3] Olivier Bouchet, « Wireless Optical Communication », Wiley, 2012.

[4] A. Gomez, K. Shi, C. Quintana, M. Sato, G. Faulkner, B. C. Thomsen, and D. O’Brien, “Beyond 100-gb/s indoor wide field-of-view optical wireless communications,” IEEE Photonics Technology Letters, vol. 27, no. 4, pp. 367–370, 2014.

[5] C. Oh, E. Tangdiongga, and A. Koonen, “Steerable pencil beams for multi-gbps indoor optical wireless communication,” Optics letters, vol. 39, no. 18, pp. 5427–5430, 2014.

[6] T. Koonen, F. Gomez-Agis, F. Huijskens, K. A. Mekonnen, Z. Cao, and E. Tangdiongga, “High-capacity optical wireless communication using two-dimensional ir beam steering,” Journal of Lightwave Technology, vol. 36, no. 19, pp. 4486–4493, 2018.

[7] J. Wang, J.-Y. Yang, I. M. Fazal, N. Ahmed, Y. Yan, H. Huang, Y. Ren, Y. Yue, S. Dolinar, M. Tur et al., “Terabit free-space data transmission employing orbital angular momentum multiplexing,” Nature photonics,

vol. 6, no. 7, p. 488, 2012.

[8] H. Huang, G. Xie, Y. Yan, N. Ahmed, Y. Ren, Y. Yue, D. Rogawski, M. J. Willner, B. I. Erkmen, K. M. Birnbaum et al., “100 tbit/s free-space data link enabled by three-dimensional multiplexing of orbital angular momentum, polarization, and wavelength,” Optics letters, vol. 39, no. 2, pp. 197–200, 2014.

[9] E. Ciaramella, Y. Arimoto, G. Contestabile, M. Presi, A. D’Errico, V. Guarino, and M. Matsumoto, “1.28 terabit/s (32×40 gbit/s) wdm transmission system for free space optical communications,” IEEE Journal on selected areas in communications, vol. 27, no. 9, pp. 1639– 1645, 2009.

[10] P. Brandl, S. Schidl, A. Polzer, W. Gaberl, and H. Zimmermann, “Optical wireless communication with adaptive focus and mems-based beam steering,” IEEE Photonics Technology Letters, vol. 25, no. 15, pp. 1428– 1431, 2013.

[11] P. Brandl, A. Weiss, and H. Zimmermann, “Automated alignment system for optical wireless communication systems using image recognition,” Optics letters, vol. 39, no. 13, pp. 4045–4048, 2014.

[12] S.-R. Cho, K. Lee, M. Kye, and C.-H. Lee, “Cost-effective autoalignment method for indoor optical wireless communication,” in Asia Communications and Photonics Conference. Optical Society of America, 2017, pp. M3F–6.

[13] B. Glushko, A. Shar, M. Medina, D. Kin, and S. Krylov, “Mems-based tracking for an indoor optical wireless communication bidirectional link,” IEEE Photonics Technology Letters, vol. 28, no. 5, pp. 550–553, 2016.

[14] M. Kavehrad, “Mems-based reconfigurable optical wireless networking in data centers,” in 2017 IEEE Photonics Conference (IPC). IEEE, 2017, pp. 127–128.

[15] K. Wang, A. Nirmalathas, C. Lim, and E. Skafidas, “4 x 12.5 gb/s wdm optical wireless communication system for indoor applications,” Journal of Lightwave Technology, vol. 29, no. 13, pp. 1988–1996, 2011.

[16] A. Gomez, K. Shi, C. Quintana, G. Faulkner, B. C. Thomsen, and D. O’Brien, “A 50 gb/s transparent indoor optical wireless communications link with an integrated localization and tracking system,” Journal of Lightwave Technology, vol. 34, no. 10, pp. 2510–2517, 2016.

[17] C. Oh, E. Tangdiongga, and A. Koonen, “Steerable pencil beams for multi-gbps indoor optical wireless communication,” Optics letters, vol. 39, no. 18, pp. 5427–5430, 2014.

[18] T. Koonen, F. Gomez-Agis, F. Huijskens, K. A. Mekonnen, Z. Cao, and E. Tangdiongga, “High-capacity optical wireless communication using two-dimensional ir beam steering,” Journal of Lightwave Technology, vol. 36, no. 19, pp. 4486–4493, 2018.

[19] Feng Feng, Yang Hong, Ravinder Singh, Grahame Faulkner, Kyle R. H. Bottrill, Natsupa Taengnoi, Periklis Petropoulos, and Dominic O’Brien, “A Terabit/s Indoor Wide Field-of-View Optical Wireless Communication Link with Tracking”, IEEE Photonics Technology Letters, Vol. 14, N° 8, August 2019.

[20] Y. Hong, F. Feng, K. R. H. Bottrill, N. Taengnoi, R. Singh, G. Faulkner, D. O’Brien, and P. P., “Beyond terabit/s wdm optical wireless transmission using wavelength-transparent beam tracking and steering,” in OSA Conference on Optical Fiber Communication (OFC), OSA, 2020.

 

Projet WORTECS: https://wortecs.eurestools.eu/ 

Open Event WORTECS: https://www.wortecs.com/ 

B-COM: https://b-com.com/fr 

Free Space Optic: https://fr.wikipedia.org/wiki/Communications_optiques_en_espace_libre 

Light Fidelity: https://fr.wikipedia.org/wiki/Li-Fi