🥇44,2 Tb/s optickým vláknem — jak to funguje?

22. května 2020 byla v časopise Nature Communications zveřejněna studie vědců z výzkumných a vědeckých institucí v Austrálii, Číně a Kanadě s názvem "Ultra-dense optical data transmission over standard fibre with a single chip source".

Přirozeně, takový nadpis se nehodil pro širokou veřejnost, takže v novinách všichni psali o 44,2 Tb/s — výsledku, který bylo možné dosáhnout (někteří to ani nedočetli a v nadpisech se objevily TB/s, ale správná hodnota je terabity/s). Pojďme společně prozkoumat, jak k tomu došlo a o čem ve skutečnosti vědci psali.

Začněme!

Obsah

01. Témata
02. Experiment
03. Výsledky
04. Srovnání s jinými výsledky
05. Užitečné odkazy
06. Závěr

PokAttempt to provide descriptive explanations for the key points of the study, including terminology, devices, and so on. Additionally, at the end of my publication, there will be a list of links you can follow to read more.

Nedůvěřujte mému vysvětlení na 100 %. Stejně jako všichni kromě novinářů se mohu mýlit. Čtěte skutečnou vědeckou literaturu (Oddíl 05).

01. Témata

Původní shrnutí publikace [l-1] (volný přístup):

Micro-combs – optické frekvenční hřebeny generované integrovanými mikro-kavitními rezonančními systémy – nabízejí plný potenciál svých objemových protějšků, ale v integrované podobě. Umožnily průlomy v mnoha oblastech včetně spektroskopie, mikrovlnné fotoniky, syntézy frekvencí, optického měření, kvantových zdrojů, metrologie a ultrahladkého přenosu dat. Zde, pomocí mocné třídy mikro-hřebene nazývané solitónové krystaly, dosahujeme ultra-vysokého přenosu dat přes 75 km standardního optického vlákna pomocí jediného integrovaného optického zdroje. Demonstrujeme rychlost linky 44,2 Terabity s−1 pomocí telekomunikačního C-pásma při 1550 nm s optickou efektivitou 10,4 b/s/Hz. Solitónové krystaly vykazují robustní a stabilní generaci a provoz, stejně jako vysokou vnitřní účinnost, která, spolu s extrémně nízkým rozestupem solitónového mikro-hřebene 48,9 GHz, umožňuje použití vysoce koherentního formátu modulace dat (64 QAM — kvadrátová amplitudová modulace). Tato práce demonstruje schopnost optických mikro-hřebenech fungovat v náročných a praktických optických komunikačních sítích.

Pomocí integrovaného optického zdroje se podařilo přenášet informace přes standardní optické vlákno na vzdálenost více než 75 km. Přičemž byla dosažena rychlost 44,2 terabitu/s (Tb/s) pro C-pásmo (1 550 nm) s optickou efektivitou 10,4 (b/s)/Hz. Vzdálenost mezi sousedními solitóny se podařilo zkrátit na 48,9 GHz.

Testování na 75 km bylo prováděno pomocí optického vlákna v laboratoři. Kromě toho proběhly podobné "terénní" testy na skutečné optické lince (76,6 km) v Melbourne, Austrálie.

Co potřebujete vědět:

Mikro-hřeben (micro-comb)
Jednoduše řečeno — optický (čti "laserový") zdroj. Jeho spektrum se skládá z řady diskrétních čar, které jsou od sebe v rovnoměrných vzdálenostech (proto je nazýván hřeben). Také se nazývá samotný impuls tohoto zdroje. Pokud vás to zajímá, můžete si přečíst přehled [l-2], který se zabývá hlavními úspěchy v této oblasti (81 strana, ano, hlavní úspěchy, volný přístup). Stručně lze číst na Wikipedii [n-1].

Optický soliton
To je jednotlivý optický impuls, který se může šířit v nelineárním médiu na velké vzdálenosti, aniž by měnil svůj tvar. Obecné informace lze nalézt v článku na Wikipedii [n-2].

Solitonový krystal (soliton crystal)
To je časově uspořádaný soubor solitonů, které jsou "umístěny" periodicky díky modulaci pole, které je generuje. Je krystalem pouze v čase.

Kvadraturní amplitudová modulace (QAM)
Pomocí změny fáze a amplitudy signálu lze zvýšit množství přenášených informací. Fáze se posune o — čtvrtinu kruhu, proto "kvadraturní". Číslo 64 značí počet různých kombinací při této modulaci. O něco podrobněji si můžete přečíst na Wikipedii [n-3].

Možná, zatím to stačí, a ostatní termíny nebo méně zřejmé věci budu vysvětlovat průběžně.

02. Experiment

Obr. 1. Koncept experimentu přenosu dat pomocí solitonových krystalů [l-1].

a. Ilustrace stavu "solitonového krystalu", který byl použit v experimentu.
b. Foto použitého čipu (5 x 9 mm, pouze kolem oblastí zabranou zařízením a vlnovody) + mince 2 AUD (20,5 mm) pro měřítko. Vložka ukazuje kroužkový rezonátor. Distortion, viditelná na obrázku, je způsobena lepidlem, které upevňuje optické vlákno.
c. Schéma experimentu. Neustále vyzařující (CW [n-4]) laser (1,8 W po zesilovači) pumpuje kroužkový rezonátor (48,9 GHz FSR [n-5]), generující mikro-hřeben při interakci se solitonovým krystalem. Hřeben se vyrovnává (myslí se tím vyrovnání amplitudy na různých frekvencích) a demultiplexuje [n-6], což umožňuje jeho další modulaci. Poté je signál opět komprimován, přenášen optickým vláknem pomocí EDFA (viz níže) zesilovačů a každý kanál je znovu demultiplexován (to je opak komprese signálu).

Na Obr. 1 zkratky:

ECL — laser s okrajovým spojením — je laser, který je spojen s optickým vláknem;
WSS — přepínač selektivity vlnové délky — zařízení, které umožňuje selektivní přepínání vlnové délky [n-7];
Rx — přijímač;
EDFA — zesilovač optického vlákna s dopováním erbium — optický zesilovač, který je dopován ionty erbia [n-8].

Při emisi laseru (1550 nm, kontinuální) mikrorezonátor generuje solitonový krystal se spektrální šířkou více než 80 nm (s periodou kolem 0,4 nm). Mikrohrbát se generuje při automatickém ladění laseru na požadovanou hodnotu.

Obr. 2. Generace solitonového krystalu. Pro generaci se laser plynule ladí z dlouhovlnné hrany rezonance na předem určenou hodnotu. [l-1].

a. Hlavní hrbát. Generuje se, když je emise laseru v rezonanci s kroužkem.
b. Spektrum solitonového krystalu, které bylo použito v experimentu. Takové "zkrácené" spektrum mikrohrbátu odpovídá jednotnému časovému defektu vloženému do kroužku (myslí se tím vakance místo jedné z linií hrbátu). Na předem stanovené frekvenci se generuje solitonový krystal se spektrálními zvláštnostmi kolem linií hlavního hrbátu. Tím se dosáhne linií po celé C-pásmu optického přenosu dat.
c. Rozdíl v intenzitě linií hrbátu pro 10 různých parametrů generace (symboly jednotlivých typů na Obr. představují jeden z 10 případů). Vzhledem k tomu, že intenzita se pohybuje v rozmezí ± 0,9 dB od počátečního spektra, lze považovat, že generace požadovaného solitonového krystalu je spolehlivá.

Solitonové krystaly byly generovány pro 10 různých vlnových délek od 1550.300 do 1550.527 nm a bylo prokázáno, že požadovaný výsledek je dosažen pro všech 10 variací.

Ze všech mikrohrbátů bylo vybráno 80 linií v rámci C-pásma (spektrální okno široké 32 nm od 1536 do 1567 nm, 3,95 THz). Tyto pásma byly spektrálně zarovnány a poté efektivně zdvojeny na 160 (což odpovídá hrbátu 24,5 GHz). Zdvojení je nezbytné pro optimalizaci spektrální efektivity (spektrální užitečné informace).

Ke zkoumanému signálu byla přidána testovací páska (6 kanálů). Celý hřeb moduloval v formátu 64 QAM, což dává symbolovou rychlost [n-9] 23 gigabodů [n-10], což umožnilo využít 94% dostupného spektra.

Celkem byly provedeny 2 experimenty pro přenos informací na 75 km. V obou případech bylo použito jednovidové optické vlákno [n-11].

Experiment v laboratoři.
Terénní testy s využitím městské sítě, která spojuje melbournský kampus Královského technologického institutu Melbourne a kampus Monash University v Claytonu.

Obr. 3. Vícekanálové spektry a signály solitónového krystalu [l-1].

a. Spektrum frekvenčního hřebene po vyrovnání, měřené s rozlišením 12.5 GHz, aby ukázalo jednotlivé linie.
b. Laboratorní výsledky pro 75 km optického vlákna. Rozlišení 50 GHz. Vložení ilustruje testovací kanál (rozlišení 150 MHz), ukazující sudé a liché sub-pásma přítomné pro každou linku (výsledkem zdvojnásobení, které bylo popsáno dříve).
c. Terénní výsledky pro 76.6 km optického vlákna. Rozlišení 50 GHz.
d. Signální souhvězdí [n-12] pro linii 193.4 THz (1550.1 nm) pro dvě polarizace (X a Y). "Back-to-back" (B2B) odpovídá přímo připojeným vysílači a přijímači, "75 km in-lab fibre" - laboratorní zkoušení (b) a "76.6 km field fibre" - terénní test (c).

Na Obr. 3 zkratky:

BER — bitová chyba — koeficient bitových chyb [n-13];
(od velikosti vektoru chyby [n-14]) — charakterizuje kvalitu signálu.

03. Výsledky

Obr. 4. Koeficient bitových chyb (BER), spektrální efektivita a zobecněná vzájemná informace (GMI) [n-15] v experimentu [l-1].

a. BER pro každou linii hřebene. Modře je označena B2B konfigurace, červeně - laboratorní experiment, zeleně - terénní experiment. Tečkovaná čára označuje 20% SD FEC, vycházející z kódů LDPC. Práh FEC byl určen v . Po přenosu se předpokládá, že chyby ve všech kanálech neexistují.
b. GMI a spektrální intenzita pro každou linii hřebene. GMI se počítá zvlášť pro každou linii po jejich normalizaci, což umožňuje zohlednit poměr signál-šíření obdržené zprávy. Linije ukazují 10 % a 20 % nadbytečných dat (OH). Spektrální efektivita (SE) se počítá z GMI a poměru symbolové rychlosti k vzdálenosti mezi hřebeny. Vzhledem k tomu, že GMI předpokládá ideální signál, ukazuje větší celkovou kapacitu informací ve srovnání s BER. V posloupnosti GMI (SE) pro B2B se hodnoty pohybují od 11,3 b/symbol (10,6 b/symbol/Hz) do 10,9 b/symbol (10,3 b/symbol/Hz). Pro přenos po optickém vláknu za laboratorních podmínek byly hodnoty (pro kanál) od 11,0 b/symbol (10,4 b/symbol/Hz) do 10,7 b/symbol (10,1 b/symbol/Hz). Stejné výsledky byly získány v terénních testech.

Na Obr. 4 zkratky:

FEC — oprava chyb s předstihem [n-16];
SD FEC — FEC s měkkým rozhodováním;
LDPC — kód s nízkou hustotou parity [n-17].

Čistá přenosová rychlost získaná v experimentech byla oceněna na 44,2 Tb/s. Po přečtení na kódovanou přenosovou rychlost (přidáním nadbytečných informací pro přenos dat) klesá tato hodnota na 40,1 Tb/s (B2B konfigurace), 39,2 Tb/s (v laboratoři) a 39,0 Tb/s ("v terénu"). To znamená spektrální efektivitu 10,4, 10,2 a 10,1 b/s/Hz odpovídajícím způsobem.

Tento výsledek překračuje výsledky získané použitím jednoho integrovaného zařízení o téměř 50 % [l-3]. Přitom, spektrální efektivita je vyšší 3,7krát.

04. Srovnání s jinými výsledky

Čistá přenosová rychlost
Kódovaná přenosová rychlost
Modulace
Spektrální efektivita
Přenášení
Zdroj

30,1 Tb/s
28,0 Tb/s
16 QAM
2,8 b/s/Hz
75 km SMF v laboratoři
[l-3]

4,8 Tb/s
4,4 Tb/s
64 QAM
1,1 b/s/Hz
80 km SMF v laboratoři
[l-4]

25,6 Tb/s
22,0 Tb/s
16 QAM
3,2 b/s/Hz
9,6 km, 30-jaderné optické vlákno
[l-5]

44,2 Tb/s
40,1 Tb/s
64 QAM
10,4 b/s/Hz
B2B (0 km)
Tato publikace

44,2 Tb/s
39,2 Tb/s
64 QAM
10,2 b/s/Hz
75 km SMF v laboratoři
Tato publikace

44,2 Tb/s
39,0 Tb/s
64 QAM
10,1 b/s/Hz
76,6 km SMF na fungující městské lince
Tato publikace

Tab. 1. Srovnání výsledků s jinými publikacemi.

05. Užitečné odkazy

Vědecké publikace

l-1. Ultra-husté optické přenosové údaje přes standardní vlákno s jedním čipem (OpenAccess)
l-2. Mikro-hřebeny: Nová generace optických zdrojů (OpenAccess)
l-3 Solitony založené na mikrorezonátorech pro masivně paralelní koherentní optickou komunikaci
l-4. Vysokého řádu koherentní komunikace pomocí módově uzamčených temně-pulzních Kerr hřebenech z mikrorezonátorů (OpenAccess)
l-5. Optický hodinový zdroj frekvenčního hřebene z mikrorezonátorů (OpenAccess)

Může být užitečné (Wikipedia)

n-1. Frekvenční hřeben
n-2. Soliton (optika)
n-3. Kvadruple amplitudová modulace (QAM)
n-4. Kontinuální vlna (CW)
n-5. Volný spektrální rozsah (FSR)
n-6. Multiplexování
n-7. Vlnově selektivní přepínání (WSS)
n-8. Dopované optické zesilovače (DFA, EDFA)
n-9. Symbolová rychlost
n-10. Baud
n-11. Jednovláknová optická vlákna (SMF)
n-12. Konstelační diagram
n-13. Bitová chybovost (BER)
n-14. Míra chybového vektoru
n-15. Vícevrstvá vzájemná informace (MMI, GMI)
n-16. Oprava chyb vpřed (FEC)
n-17. Kód s nízkou mírou paritní kontroly (LDPC)

Doporučuji se také podívat na odkazy na další práce v této oblasti, které byly použity v publikaci. [l-1].

06. Závěr

Dosáhnout rychlosti přenosu dat 44,2 Tb/s (i když v praxi je to 39,0 Tb/s) je ohromující úspěch moderní vědy.

A navzdory tomu, že jeho praktické využití může být ještě daleko, schopnost přenášet data vysokou rychlostí je jednou z mála oblastí vědy, která nevyvolává u obyčejných lidí otázky ‚proč to děláte?‘ nebo ‚jak to můžeme využít v našem životě?‘.

Doufám, že vás to zajímalo. Děkuji za pozornost!

P.S. Pokud jste našli překlepy nebo chyby v textu, prosím, dejte mi vědět. Můžete to udělat tak, že vyberete část textu a stisknete "Ctrl / ⌘ + Enter", pokud máte Ctrl / ⌘, nebo prostřednictvím osobních zpráv. Pokud nejsou dostupné ani jedny z těchto možností, napište o chybách do komentářů. Děkuji!
P.P.S. Byl bych vděčný, kdybyste strávili ještě 60 sekund a odpověděli na 2 malé ankety níže. Děkuji!

Pouze registrovaní uživatelé se mohou účastnit ankety. Přihlaste se, prosím.