🥇44.2 Тб/с по оптоволокну — как работи?

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

Разбира се, такъв заглавие не беше подходящо за широка аудитория, затова в новините всички пишеха за 44.2 Тб/с — резултат, който успяха да постигнат (някои не прочетоха и в заглавията се появиха ТБ/с, но правилната стойност е терабити/с). Нека заедно разберем как го направиха и за какво всъщност писаха изследователите.

Да започнем!

Съдържание

01. Тезиси
02. Експеримент
03. Резултати
04. Сравнение с други резултати
05. Полезни връзки
06. Следсловие

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 връзки, по които можете да прочетете повече.

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

01. Тезиси

Оригиналните тези на публикацията [l-1] (свободен достъп):

Микро-комбовете – оптични честотни комбове, генерирани от интегрирани микрокавитетни резонатори – предлагат пълния потенциал на техните обемни колеги, но в интегриран размер. Те осигуряват пробиви в много области, включително спектроскопия, микровълнова фотоника, честотна синтеза, оптично измерване, квантови източници, метрология и ултрависок капацитет на предаване на данни. Тук, чрез използване на мощен клас микро-комб, наречен солитонни кристали, постигаме ултрависоко предаване на данни на разстояние от 75 км стандартно оптично влакно, като използваме един интегриран чип източник. Демонстрираме линия с честота 44.2 Терабита в секунда, използвайки телекомуникационната C-лента при 1550 nm с спектрална ефективност от 10.4 бита в секунда на Hz. Солитонообразните кристали показват стабилно и надеждно генериране и работа, както и висока вградена ефективност, която, в комбинация с изключително нисък разстояние между солитоните от 48.9 GHz, позволява използването на много висок коерентен формат на модулация на данни (64 QAM — квадратично амплифициран). Тази работа демонстрира способността на оптичните микро-комбове да функционират в изискващи и практични оптични комуникационни мрежи.

Използвайки интегриран оптичен източник, успяхме да предадем информация на разстояние от повече от 75 км през стандартно оптично влакно. При това беше постигната "скорост" от 44.2 терабита в секунда (Тб/с) за C-лента (1550 nm) със спектрална ефективност 10.4 (б/с)/GHz. Разстоянието между съседните солитони беше намалено до 48.9 GHz.

Тестът на 75 км бе проведен с помощта на оптично влакно в лабораторни условия. Освен това бяха проведени аналогични "полеви" изпитания на реална оптична линия (76.6 км) в Мелбърн, Австралия.

Какво трябва да знаете:

Микро-гребен (micro-comb)
Просто казано – оптичен (четете "лазерен") източник. Неговият спектър се състои от серия от дискретни линии, които са на равни разстояния една от друга (поради това се нарича гребен). Освен това, също така се нарича и самият импулс на този източник. Ако ви интересува, можете да прочетете преглед [l-2], който разглежда основните постижения в тази област (81 страница, да, основни постижения, свободен достъп). Няколко думи 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 промяна на своята форма. Общи сведения можете да намерите в статията в Уикипедия [n-2].

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

Квадратурна амплитудна модулация (QAM)
Чрез промяна на фазата и амплитудата на сигнала, можете да увеличите количеството предавана информация. Фазата се изместват на — четвърт оборот, затова "квадратурна". Числото 64 означава количеството различни комбинации при тази модулация. Можете да прочетете малко повече 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 чрез солитонни кристали [l-1].

a. Илюстрация на състоянието на "солитонен кристал", използван в експеримента.
b. Снимка на използвания чип (5 х 9 мм, само около областта е заета от устройството и вълноводите) + монета 2 AUD (20.5 мм) за мащаб. Вмъкването показва пръстенов резонатор. Изкривяването, забелязано на изображението, е свързано с лепилото, което държи оптичните влакна.
c. Схема на експеримента. Непрекъснато излъчващ (CW [n-4]) лазер (1.8 W след усилвателя) накачва пръстенов резонатор (48.9 GHz FSR [n-5]), генерирайки микро-гребен при взаимодействие със солитонния кристал. Гребенът се подравнява (има предвид подравняване на амплитудата на различните честоти) и демултиплексира [n-6], което позволява по-нататъшна модулация. След това сигналът отново се компресира и се предава по оптично влакно, използвайки усилватели EDFA (виж по-долу) и всеки канал отново се демултиплексира (това е антоним на компресията на сигнала).

На Фиг. 1 съкращения:

ECL — лазер с ръбово свързване — лазер, свързан с оптично влакно;
WSS — устройство за селективно превключване на дължини на вълната — устройство, което позволява селективно превключване на дължината на вълната [n-7];
Rx — приемник;
EDFA — оптичен усилвател с иони от ербий — оптичен усилвател, легиран с иони на ербий [n-8].

При излъчване на лазера (1550 нм, непрекъснат), микрорезонаторът генерира солитонен кристал с спектрална ширина над 80 нм (с период около 0.4 нм). Микрогребенът се генерира при автоматична настройка на лазера на необходимото значение.

Рис. 2. Генерация на солитонен кристал. За генериране, лазерът плавно се настройва от дълговълновия край на резонанса към предварително определено значение [l-1].

a. Основен гребен. Генерира се, когато излъчването на лазера е в резонанс с пръстена.
b. Спектър на солитонен кристал, който е използван в експеримента. Този "усечен" спектър на микрогребена съответства на единичен времеви дефект, внесен в пръстена (предвижда се ваканция вместо една от линиите на гребена). На предварително определена честота се генерира солитонен кристал със спектрални характеристики около линиите на основния гребен. По този начин са постигнати линии по цялата C-банда на оптичната преносима система.
c. Разликата в интензитета на линиите на гребена за 10 различни параметъра на генерация (символите на всеки вид на Рис. представят един от 10 случая). Тъй като интензитетът е в диапазона ± 0.9 дБ от началния спектър, може да се считат, че генерацията на необходимия солитонен кристал е надеждна.

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

От целия микрогребен са избрани 80 линии в рамките на C-бандата (спектрално окно с ширина 32 нм от 1536 до 1567 нм, 3.95 THz). Тези линии бяха спектрално подравнени и след това ефективно удвоени до 160 (което е еквивалентно на гребен 24.5 GHz). Удвоението е необходимо за оптимизиране на спектралната ефективност (спектралната полезна информация).

К сигналът, който се изследва, беше добавена тестова лента (6 канала). Цялото гребено модулирано в формат 64 QAM, което дава символна скорост [n-9] при 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 оптоволокно [n-11].

Експеримент в лабораторни условия.
Полеви изпитвания с използване на общинската мрежа, която свързва кампуса в Мелбърн на Кралския технологичен университет в Мелбърн и кампуса на Университета Монаш в Клейтън.

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

a. Спектър на честотното гребено след подравняване, измерен с резолюция 12.5 GHz, за да покаже отделни линии.
b. Лабораторни резултати за 75 км оптоволокно. Резолюция 50 GHz. Вставката илюстрира тестовия канал (резолюция 150 MHz), показвайки четни и нечетни подполоси, присъстващи за всяка линия (резултат от удвояване, което беше описано по-рано).
c. Полеви резултати за 76.6 км оптоволокно. Резолюция 50 GHz.
d. Сигнално 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 изпитване (b) и "76.6 km field fibre" — полево изпитване (c).

На Рис. 3 съкращения:

BER — битова грешка — коэффициент на битови грешки [n-13];
(от величината на векторната грешка [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 гребето. Синьо е обозначена B2B конфигурацията, червено — лабораторния експеримент, зелено — полевия експеримент. Линията с тире обозначава 20% SD FEC, базирани на LDPC кодове. Прагът FEC е избран на . След предаването, се счита, че грешки в всички канали няма.
b. GMI и спектрална интензивност за всяка линия на гребена. GMI се изчислява отделно за всяка линия след нормализация, което позволява да се отчита 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 спрямо разстоянието между гребените. Тъй като 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 оптични влакна в лабораторни условия стойностите (за канала) варират 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 съкращения:

FEC — корекция на грешки напред — директна корекция на грешки [n-16];
SD FEC — FEC с меки решения;
LDPC — код с ниска плътност на проверките за четност [n-17].

Чистият битрейт, получен в експериментите, е оценен на 44.2 Тб/с. При преобразуване в кодирания битрейт (с добавяне на излишна информация за предаване на данни) това значение намалява до 40.1 Тб/с (B2B конфигурация), 39.2 Тб/с (в лабораторията) 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 е почти 50% по-добър от резултатите, получени при използване на единично интегрално устройство [l-3]. При това, спектралната ефективност е по-висока 3.7 пъти.

04. Сравнение с други резултати

Чист битрейт
Кодиран 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 лабораторията
[l-3]

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

25.6 Тб/с
22.0 Тб/с
16 QAM
3.2 б/с/Гц
9.6 км, 30-жилно оптични влакна
[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 лабораторията
Тази публикация

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

Табл. 1. Сравнение на резултатите с други публикации.

05. Полезни връзки

Научни публикации

l-1. Ultra-dense optical data transmission over standard fibre with a single chip source (OpenAccess)
l-2. Micro-combs: A novel generation of optical sources (OpenAccess)
l-3 Microresonator-based solitons for massively parallel coherent optical communications
l-4. High-order coherent communications using mode-locked dark-pulse Kerr combs from microresonators (OpenAccess)
l-5. Microresonator frequency comb optical clock (OpenAccess)

Може да е полезно (Уикипедия)

n-1. Frequency comb
n-2. Солитон (оптика)
n-3. Модулация с квадрантна амплитуда (QAM)
n-4. Непрекъсната вълна (CW)
n-5. Свободен спектралният обхват (FSR)
n-6. Мултиплексиране
n-7. Селективно превключване на дължината на вълната (WSS)
n-8. Допирани оптични усилватели (DFA, EDFA)
n-9. Символна тарифа
n-10. Бод
n-11. Оптични влакна с един мод (SMF)
n-12. Диаграма на констелацията
n-13. Скорост на битовата грешка (BER)
n-14. Вектор на грешката
n-15. Мултивариантна взаимна информация (MMI, GMI)
n-16. Корекция на грешки в напредък (FEC)
n-17. Код за контрол на паритета с ниска плътност (LDPC)

Също така ви препоръчвам да разгледате линковете към други проучвания в тази област, използвани в публикацията. [l-1].

06. Следсловие

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

И дори независимо от това, че вероятно няма да можем да го приложим в живота скоро, възможността за предаване на данни с висока скорост е една от малкото области на науката, която не предизвиква у обикновените хора въпроси като: "защо правите това?" или "как може да се приложи в нашия живот?".

Надявам се, че беше интересно. Благодаря за вниманието!

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

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