🥇44.2 Тб/с по оптоволокну — как работи това?

На 22 май 2020 г. в Nature Communications беше публикувана статия от учени, представляващи изследователски и научни институции от Австралия, Китай и Канада, озаглавена "Ултратънка оптична предаване на данни през стандартно влакно с един чипов източник".

Разбира се, такъв заглавие не беше подходящо за широка аудитория, затова в новините всички писаха за 44.2 Тб/с — резултатът, който успяха да постигнат (некои не прочетоха до края и в заглавията се появиха ТБ/с, но правилното значение е терабити/с). Нека да разберем как го направиха и за какво наистина писаха изследователите.

Да започнем!

Съдържание

01. Тезиси
02. Експеримент
03. Резултати
04. Сравнение с други резултати
05. Полезни линкове
06. Заключение

Ще се опитам да обясня ключовите точки на изследването, включително термините, устройствата и т.н. Освен това, в края на публикацията ми ще има списък с линкове, през които можете да прочетете повече.

Не трябва да се доверявате на 100% на моето обяснение. Както всички освен журналистите, и аз мога да греша. Четете истинската научна литература (Раздел 05).

01. Тезиси

Оригиналните тези на публикацията [l-1] (публикация с отворен достъп):

Микро-комбове – оптични честотни комбинации, генерирани от интегрирани резонатори в микро-каверни – предлагат целия потенциал на техните обемни съответствия, но в интегриран формат. Те позволяват пробиви в много области, включително спектроскопия, микровълнова фотоника, честотно синтезиране, оптични измервания, квантови източници, метрология и ултрависок капацитет на предаване на данни. Тук, чрез използването на мощен клас микро-комб, наречен солитонни кристали, постигаме ултрависоко предаване на данни на разстояние 75 km на стандартно оптично влакно, използвайки един интегриран чипов източник. Демонстрираме скорост на линия от 44.2 терабита в секунда, използвайки телекомуникационния C-диапазон при 1550 nm с спектрална ефективност от 10.4 бита на секунда на херц. Солитонните кристали показват стабилно и устойчиво генериране и работа, както и висока вътрешна ефективност, която заедно с изключително малкото разстояние между съседните солитони от 48.9 GHz позволява използването на много висок формат на когерентно модулиране на данни (64 QAM — квадратично амплифицирано модулиране). Тази работа демонстрира способността на оптичните микро-комбове да функционират в изискващи и практични оптични комуникационни мрежи.

Използвайки интегрирания оптичен източник, успяхме да предаваме информация през стандартно оптично влакно на разстояние над 75 км. При това беше постигната "скорост" от 44.2 терабита в секунда (Тб/с) за C-диапазона (1 550 nm) със спектрална ефективност 10.4 (бита/с)/Hz. Разстоянието между съседните солитони беше успешно намалено до 48.9 GHz.

Тестовете на 75 km бяха проведени с помощта на оптично влакно в лабораторни условия. Освен това бяха проведени аналоги "полеви" изпитания на реална оптична линия (76.6 km) в Мелбърн, Австралия.

Какво трябва да знаете:

Микро-гребен (micro-comb)
С прости думи – оптичен (чети "лазерен") източник. Неговият спектър се състои от серия дискретни линии, които са на равни разстояния помежду си (затова се нарича гребен). Освен това, импулсът на такъв източник също се нарича гребен. Ако ви интересува, можете да прочетете преглед [l-2], който засяга основните постижения в тази област (81 страница, да, основни постижения, свободен достъп). Накратко можете да прочетете в Уикипедия [n-1].

Оптичен солитон
Това е единичен оптичен импулс, който може да се разпространява в нелинейна среда на големи разстояния без да променя формата си. Общи сведения можете да намерите в статия в Уикипедия [n-2].

Солитонен кристал (soliton crystal)
Това е подреден във времето ансамбъл от солитони, които са "разположени" периодично благодарение на модулацията на генериращото ги поле. Кристалът е само във времето.

Квадратурна амплитудна модулация (QAM)
Чрез промяна на фазата и амплитудата на сигнала, можем да увеличим количеството предавана информация. Фазата се измества с — четвърт от кръга, затова е "квадратурна". Числото 64 обозначава броя на различните комбинации при такава модулация. Малко по-подробно можете да прочетете в Уикипедия [n-3].

Може би, засега това ще е достатъчно, а останалите термини или не най-очевидните неща ще обясня по хода.

02. Експеримент

Рис. 1. Концепция на експеримента за предаване на данни с помощта на солитонни кристали [l-1].

a. Илюстрация на състоянието на "солитонния кристал", използван в експеримента.
b. Снимка на използвания чип (5 х 9 мм, само около площта е заета от устройството и вълноводите) + монета 2 AUD (20.5 мм) за мащаб. Вставката показва кольцевия резонатор. Изкривяването, забележимо на изображението, е свързано с лепилото, фиксиращо оптичните влакна.
c. Схема на експеримента. Непрекъснато излъчващ (CW [n-4]) лазер (1.8 W след усилвателя) накачва кольцевия резонатор (48.9 GHz FSR [n-5]), генерирайки микро-гребен при взаимодействие с солитонния кристал. Гребенът се подравнява (става дума за подравняване на амплитудата на различни честоти) и демултиплексира [n-6], което позволява неговата по-нататъшна модулация. След това сигналът отново се компактира, предава се по оптоволокно с използването на EDFA (вж. по-долу) усилватели и всеки канал отново се демултиплексира (това е антоним на компактиране на сигнала).

На Фиг. 1 абревиатури:

ECL — лазер с ръбово свързване — това е лазер, свързан с оптоволокно;
WSS — оптичният превключвател, селективен по дължина на вълната — устройство, позволяващо селективно превключване на дължина на вълната [n-7];
Rx — приемник;
EDFA — усилвател с оптоволокно, легиран с йони на ербий; [n-8].

При излъчване на лазера (1550 нм, непрекъснат), микро-резонаторът генерира солитонен кристал със спектрална ширина повече от 80 нм (с период около 0.4 нм). Микро-гребенът се генерира при автоматична настройка на лазера на необходимата стойност.

Фиг. 2. Генериране на солитонен кристал. За генериране, лазерът плавно се настройва от дълговълновия край на резонанса към предварително зададена стойност [l-1].

a. Основен гребен. Генерира се, когато излъчването на лазера е в резонанс с пръстена.
b. Спектър на солитонния кристал, който е използван в експеримента. Този "усечен" спектър на микро-гребена отговаря на единичен времеви дефект, внесен в пръстена (става дума за ваканция вместо една от линиите на гребена). На предварително зададена честота се генерира солитонен кристал със спектрални характеристики около линиите на основния гребен. По този начин се постигат линии в цялата C-лента за оптична предаване на данни.
c. Разликата в интензивността на линиите на гребена за 10 различни параметри на генериране (символите на всеки вид на фигурата представят един от 10 случая). Тъй като интензивността е в пределите на ± 0.9 дБ от началния спектър, може да се счита, че генерирането на необходимия солитонен кристал е надеждно.

Солитонни кристали са генерирани за 10 различни дължини на вълната от 1550.300 до 1550.527 нм и е показано, че необходимият резултат е постигнат за всички 10 вариации.

От целия микро-гребен са избрани 80 линии в пределите на C-лента (спектрално прозорец с широчина 32 нм от 1536 до 1567 нм, 3.95 ТГц). Тези ленти бяха спектрално подравнени и след това ефективно удвоени до 160 (което се равнява на гребен от 24.5 ГГц). Удвоението е необходимо за оптимизация на спектралната ефективност (спектрална полезна информация).

Към изследвания сигнал беше добавена тестова лента (6 канала). Целият гребен беше модулиран в формат 64 QAM, което дава символна скорост [n-9] в 23 гигабода [n-10], което позволи да се използва 94% от наличния спектър.

Общо бяха проведени 2 експеримента за предаване на информация на 75 км. В двата случая беше използвано одномодно оптично влакно [n-11].

Експеримент в лабораторията.
Полеви изпитания с използване на общинската мрежа, свързваща кампуса на Мелбърн от Кралския технологичен университет на Мелбърн и кампуса на Университета Монаш в Клейтън.

Рис. 3. Многоканални спектри и сигнали от солитонен кристал [l-1].

a. Спектър на честотния гребен след подравняване, измерен с резолюция 12.5 GHz, за показване на отделни линии.
b. Лабораторни резултати за 75 км оптично влакно. Разрешение 50 GHz. Вмъкването илюстрира тестовия канал (разрешение 150 MHz), показвайки четни и нечетни субполоси, присъстващи за всяка линия (резултат от удвояване, което беше описано по-рано).
c. Полеви резултати за 76.6 км оптично влакно. Разрешение 50 GHz.
d. Сигнална съзвездие [n-12] за линия 193.4 THz (1550.1 nm) за две поляризации (X и Y). "Back-to-back" (B2B) отговаря на директно свързан предавател и приемник, "75 km in-lab fibre" — лабораторно изпитание (b) и "76.6 km field fibre" — полево изпитание (c).

На Рис. 3 абревиатури:

BER — коефициент на битови грешки [n-13];
(от величината на вектора на грешката [n-14]) — характеризира качеството на сигнала.

03. Резултати

Рис. 4. Коефициент на битови грешки (BER), спектрална ефективност и обобщена взаимна информация (GMI) [n-15] в експеримента [l-1].

a. BER за всяка линия на гребена. Синьото обозначава B2B конфигурация, червеното — лабораторен експеримент, зеленото — полеви експеримент. Проектната линия обозначава 20% SD FEC, основана на LDPC кодове. Прагът FEC е избран в . След предаването, се счита, че грешките във всички канали отсъстват.
b. GMI и спектралната интензивност за всяка линия на гребена. GMI се изчислява отделно за всяка линия след нормализиране, което позволява да се отчете съотношението сигнал-шум на полученото съобщение. Линиите показват 10% и 20% излишни данни (OH). Спектралната ефективност (SE) се изчислява от GMI и съотношението на символната скорост към разстоянието между гребените. Понеже GMI предполага идеален сигнал, тя показва по-голяма обща капацитет на информация в сравнение с BER. В последователността GMI (SE) за B2B стойностите варират от 11.3 б/символ (10.6 б/символ/Гц) до 10.9 б/символ (10.3 б/символ/Гц). За предаване през оптично влакно в лабораторни условия стойностите (за канала) бяха от 11.0 б/символ (10.4 б/символ/Гц) до 10.7 б/символ (10.1 б/символ/Гц). Подобни резултати бяха получени в полеви тестове.

На Рис. 4 абревиатури:

FEC — корекция на грешки напред — пряка корекция на грешки [n-16];
SD FEC — FEC с меко решение;
LDPC — код с ниска плътност на проверка на четност [n-17].

Чистият битрейт, получен в експериментите, е оценен на 44.2 Тб/с. При преобразуване в кодирано битрейт (с добавяне на излишна информация за предаване на данни) тази стойност пада до 40.1 Тб/с (конфигурация B2B), 39.2 Тб/с (в лаборатория) и 39.0 Тб/с ("в полето"). Това означава спектрална ефективност от 10.4, 10.2 и 10.1 б/с/Гц съответно.

Такъв резултат надвишава резултатите, получени при използване на единичен интегрален устройството с почти 50% [l-3]. Въпреки това, спектралната ефективност е по-висока с 3.7 пъти.

04. Сравнение с други резултати

Чист битрейт
Кодирано битрейт
Модулация
Спектрална ефективност
Предаване
Източник

30.1 Тб/с
28.0 Тб/с
16 QAM
2.8 б/с/Гц
75 км SMF в лаборатория
[l-3]

4.8 Тб/с
4.4 Тб/с
64 QAM
1.1 б/с/Гц
80 км SMF в лаборатория
[l-4]

25.6 Тб/с
22.0 Тб/с
16 QAM
3.2 б/с/Гц
9.6 км, 30-жилно оптично влакно
[l-5]

44.2 Тб/с
40.1 Тб/с
64 QAM
10.4 б/с/Гц
B2B (0 км)
Тази публикация

44.2 Тб/с
39.2 Тб/с
64 QAM
10.2 б/с/Гц
75 км SMF в лаборатория
Тази публикация

44.2 Тб/с
39.0 Тб/с
64 QAM
10.1 б/с/Гц
76.6 км SMF на активна общинска линия
Тази публикация

Табл. 1. Сравнение на резултатите с други публикации.

05. Полезни линкове

Научни публикации

l-1. Ултратънка оптична пренос над стандартно влакно с един чип източник (OpenAccess)
l-2. Микро-комбове: Нова генерация оптични източници (OpenAccess)
l-3 Солитони на базата на микро-резонатори за масово паралелно когерентно оптично комуникация
l-4. Когерентна комуникация с високи редове, използваща режим-прекъснати тъмни пулсни гребени от микро-резонатори (OpenAccess)
l-5. Оптичен часовник с гребен честота от микро-резонатори (OpenAccess)

Може да бъде полезно (Уикипедия)

n-1. Гребен честота
n-2. Солитон (оптика)
n-3. Квадратурна амплитудна модулация (QAM)
n-4. Непрекъсната вълна (CW)
n-5. Свободен спектрален обхват (FSR)
n-6. Мултиплексиране
n-7. Превключване с избиране на дължина на вълната (WSS)
n-8. Допирани оптични усилватели (DFA, EDFA)
n-9. Символна скорост
n-10. Бод
n-11. Оптични влакна с едномодови (SMF)
n-12. Диаграма на констелацията
n-13. Степен на битови грешки (BER)
n-14. Величина на грешковия вектор
n-15. Многоизмерна взаимна информация (MMI, GMI)
n-16. Корекция на грешки напред (FEC)
n-17. Код с ниска плътност на паритетни проверки (LDPC)

Също така препоръчвам да прегледате линковете към други работи в тази област, използвани в публикацията. [l-1].

06. Заключение

Постигането на скорост на предаване от 44.2 Тб/с (дори и в практиката да е 39.0 Тб/с) е впечатляващо постижение на съвременната наука.

И дори да не можем скоро да го използваме в живота, възможността за предаване на данни с висока скорост е една от малкото области на науката, която не предизвиква у обикновените хора въпроси "защо правите това?" или "как да го приложим в живота си?"

Надявам се, че ви беше интересно. Благодаря за вниманието!

P.S. Ако сте открили печатни грешки или неточности в текста, моля, уведомете ме. Можете да го направите, като изберете част от текста и натиснете "Ctrl / ⌘ + Enter", ако имате Ctrl / ⌘, или чрез лични съобщения. Ако и двата варианта не са налични, пишете за грешките в коментарите. Благодаря!
P.P.S. Ще бъда благодарен, ако отделите още 60 секунди и отговорите на 2 малки анкети по-долу. Благодаря!

Само регистрирани потребители могат да участват в анкетата. Влезте, моля.