🥇44.2 Tb/s gennem fiberoptik — hvordan fungerer det?

On May 22, 2020, an article by scientists from research and educational institutions in Australia, China, and Canada titled "Ultra-dense optical data transmission over standard fibre with a single chip source" was published in Nature Communications.

Naturally, such a title was not suited for a wide audience, so news outlets reported on the 44.2 Tb/s — the result achieved (some didn’t read further and the headlines featured TB/s, but the correct value is terabits/s). Let’s figure out together how this was accomplished and what the researchers actually wrote about.

Let’s get started!

Indholdsfortegnelse

01. Theses
02. Experiment
03. Results
04. Comparison with other results
05. Useful links
06. Afterword

I will try to explain the key points of the research, including terms, devices, and so on. Additionally, at the end of my publication, there will be a list of links where you can read more.

You should not fully trust my explanation. Like everyone except journalists, I can make mistakes. Read the actual scientific literature (Section 05).

01. Theses

Original theses of the publication [l-1] (open access):

Micro-combs – optical frequency combs generated by integrated micro-cavity resonators – offer the full potential of their bulk counterparts, but in an integrated footprint. They have enabled breakthroughs in many fields including spectroscopy, microwave photonics, frequency synthesis, optical ranging, quantum sources, metrology, and ultrahigh capacity data transmission. Here, by using a powerful class of micro-comb called soliton crystals, we achieve ultra-high data transmission over 75 km of standard optical fibre using a single integrated chip source. We demonstrate a line rate of 44.2 Terabits s−1 using the telecommunications C-band at 1550 nm with a spectral efficiency of 10.4 bits s−1 Hz−1. Soliton crystals exhibit robust and stable generation and operation as well as a high intrinsic efficiency that, together with an extremely low soliton micro-comb spacing of 48.9 GHz enable the use of a very high coherent data modulation format (64 QAM — quadrature amplitude modulated). This work demonstrates the capability of optical micro-combs to perform in demanding and practical optical communications networks.

By using an integrated optical source, information was transmitted over standard optical fiber for a distance of more than 75 km. A speed of 44.2 terabits/s (Tb/s) for the C-band (1,550 nm) was achieved with a spectral efficiency of 10.4 (b/s)/Hz. The distance between adjacent solitons was reduced to 48.9 GHz.

Testen på 75 km blev udført med optisk fiber i laboratoriet. Desuden blev der gennemført lignende "felt"-tests på en rigtig optisk linje (76,6 km) i Melbourne, Australien.

Hvad du skal vide:

Mikro-greb (micro-comb)
Enkelt sagt er det en optisk (læs "laser") kilde. Dens spektrum består af en serie diskrete linjer, der er placeret med samme afstand imellem (derfor kaldes det et greb). Desuden kaldes selve pulsen fra en sådan kilde også dette. Hvis du er interesseret, kan du læse en oversigt [l-2], der berører de vigtigste præstationer på dette område (side 81, ja, de vigtigste resultater, gratis adgang). Du kan kort læse om det på Wikipedia. [n-1].

Optisk soliton
Det er en enkelt optisk puls, der kan sprede sig i en ikke-lineær medium over lange afstande uden at ændre form. Generel information kan findes i en artikel på Wikipedia. [n-2].

Solitonkrystal (soliton crystal)
Det er et tidsordnet ensemble af solitoner, som er "placeret" periodisk takket være moduleringen af det felt, der genererer dem. Det er et krystal kun i tid.

Quadratur Amplitudemodulation (QAM)
Ved at ændre fase og amplitude af signalet kan mængden af overførsel af information forøges. Fasen forskydes med — en fjerdedel af en cirkel, deraf "quadratur". Tallet 64 angiver antallet af forskellige kombinationer ved denne modulation. Du kan læse lidt mere om det på Wikipedia. [n-3].

Måske er dette nok for nu, og jeg vil forklare de andre termer eller mindre åbenlyse ting undervejs.

02. Experiment

Fig. 1. Konceptet for et eksperiment til dataoverførsel ved hjælp af solitonkrystaller [l-1].

a. Illustration af "solitonkrystallet" anvendt i eksperimentet.
b. Billede af den anvendte chip (5 x 9 mm, kun omkring arealet optaget af enheden og bølgeledningerne) + mønt 2 AUD (20,5 mm) for skala. Indsættelsen viser ringresonatoren. Forvrængning, der ses på billedet, skyldes limen, der holder optisk fiber.
c. Diagram over eksperimentet. En kontinuerligt udsendende (CW [n-4]) laser (1,8 W efter forstærkeren) pumper ringresonatoren (48,9 GHz FSR [n-5]), hvilket genererer en mikro-kam ved interaktion med soliton-kristallet. Kammen justeres (hensygter til justering af amplituden ved forskellige frekvenser) og demultiplexes [n-6], hvilket muliggør yderligere modulering. Derefter komprimeres signalet igen, transmitteres via fiberoptik ved hjælp af EDFA (se nedenfor) forstærkere, og hver kanal demultiplexes igen (dette er antonymet til signal komprimering).

På Fig. 1 forkortelser:

ECL — edge-coupled laser — er en laser, der er forbundet til fiberoptik;
WSS — wavelength-selective switch — en enhed, der muliggør selektiv omkobling af bølgelængder [n-7];
Rx — modtager;
EDFA — Erbium Doped Fiber Amplifier — en optisk forstærker, der er doping med erbium-ioner [n-8].

Ved laseremission (1 550 nm, kontinuert) genererer mikro-resonatoren et soliton-kristal med en spektret bredde på over 80 nm (med en periode på cirka 0,4 nm). Mikro-kammen genereres ved automatisk justering af laseren til den ønskede værdi.

Fig. 2. Generering af soliton-kristallet. For at generere justeres laseren glat fra den lange bølgelængde kant af resonansen til en forudbestemt værdi [l-1].

a. Hovedkammen. Genereres, når laserens emission er i resonans med ringen.
b. Spektret af soliton-kristallet, der blev brugt i eksperimentet. Et sådant "afskåret" spektre af mikro-kammen svarer til en enkelt tidsfejl indført i ringen (hensygter til en vacans i stedet for en af kamlinjerne). Ved en forudbestemt frekvens genereres et soliton-kristal med spektrale særtræk omkring hovedkammens linjer. Dermed opnås linjer over det C-bånd, der bruges til optisk datatransmission.
c. Forskellen i intensiteten af kamlinjerne for 10 forskellige genereringsparametre (symbolerne for hver type på figuren repræsenterer et af de 10 tilfælde). Da intensiteten ligger inden for ± 0,9 dB fra det oprindelige spektre, kan det anses for, at genereringen af det ønskede soliton-kristal er pålidelig.

Soliton-kristaller blev genereret for 10 forskellige bølgelængder fra 1 550.300 til 1 550.527 nm, og det viste sig, at det ønskede resultat blev opnået for alle 10 variationer.

Fra hele mikro-grebspektrumet blev 80 linjer valgt inden for C-båndet (et spektralt vindue på 32 nm fra 1 536 til 1 567 nm, 3,95 THz). Disse linjer blev spektralt justeret og derefter effektivt fordoblet til 160 (hvilket svarer til et greb på 24,5 GHz). Fordoblingen er nødvendig for at optimere den spektrale effektivitet (spektral nyttig information).

En testlinje (6 kanaler) blev tilføjet til det undersøgte signal. Hele grebet blev moduleret i 64 QAM-format, hvilket giver en symbolhastighed [n-9] på 23 gigabod [n-10], hvilket gjorde det muligt at udnytte 94% af den tilgængelige spektrum.

Der blev gennemført 2 eksperimenter for informationsoverførsel over 75 km. I begge tilfælde blev der anvendt en enkeltmode fiberoptik [n-11].

Laboratorieeksperiment.
Feltforsøg ved hjælp af det kommunale netværk, der forbinder Melbourne campus ved Royal Melbourne Institute of Technology med Clayton campus ved Monash University.

Fig. 3. Multikanal spektra og solitonkrystaller signale [l-1].

a. Spektrum af frekvensgreben efter justering, målt med en opløsning på 12,5 GHz for at vise de enkelte linjer.
b. Laboratorieresultater for 75 km fiberoptik. Opløsning 50 GHz. Indsatser illustrerer testkanalen (opløsning på 150 MHz), som viser lige og ulige subbånd, der er til stede for hver linje (resultatet af fordoblingen, som tidligere blev beskrevet).
c. Feltresultater for 76,6 km fiberoptik. Opløsning 50 GHz.
d. Signal konstellation [n-12] for linje 193,4 THz (1550,1 nm) for to polarisationer (X og Y). "Back-to-back" (B2B) svarer til direkte tilsluttede sender og modtager, "75 km in-lab fiber" — laboratorieforsøg (b) og "76,6 km field fiber" — feltforsøg (c).

På Fig. 3 forkortelser:

BER — bitfejlraten — karakteriserer kvaliteten af signalet. [n-13];
(af størrelsen af fejlvinderen [n-14]) — karakteriserer kvaliteten af signalet.

03. Results

Fig. 4. Bitfejlrate (BER), spektral effektivitet og generaliseret gensidig information (GMI) [n-15] i eksperimentet [l-1].

a. BER for hver linje af greben. B2B-konfiguration er markeret med blåt, laboratorieeksperimentet med rødt, felteksperimentet med grønt. Den stiplede linje angiver 20% SD FEC baseret på LDPC koder. FEC-tærsklen er valgt til . Efter transmissionen betragtes fejl i alle kanaler som fraværende.
b. GMI og det spektre af intensitet for hver kamlinje. GMI beregnes separat for hver linje efter normalisering, hvilket tager højde for signal-støj-forholdet for den modtagne besked. Linjerne viser 10% og 20% overskydende data (OH). Spektral effektivitet (SE) beregnes ud fra GMI og forholdet mellem symboldannelseshastighed og afstanden mellem kamme. Da GMI antager et ideelt signal, viser det en større samlet informationskapacitet sammenlignet med BER. I rækkefølgen af GMI (SE) for B2B varierer værdierne fra 11.3 b/symbol (10.6 b/symbol/Hz) til 10.9 b/symbol (10.3 b/symbol/Hz). For transmission over fiber i laboratorieforsøg var værdierne (for kanalen) fra 11.0 b/symbol (10.4 b/symbol/Hz) til 10.7 b/symbol (10.1 b/symbol/Hz). De samme resultater blev opnået i feltforsøg.

På Fig. 4 forkortelser:

FEC – forward error correction – fremadrettet fejlkorrektion [n-16];
SD FEC – soft decision FEC;
LDPC – low-density parity-check code – kode med lav densitet af paritetskontrol [n-17].

Den rene bitrate, opnået i eksperimenterne, er vurderet til 44.2 Tb/s. Når dette omregnes til kodet bitrate (med tilføjelse af overskydende information til dataoverførsel), falder værdien til 40.1 Tb/s (B2B konfiguration), 39.2 Tb/s (i laboratoriet) og 39.0 Tb/s ("i marken"). Dette betyder en spektre effektivitet på 10.4, 10.2 og 10.1 b/s/Hz hhv.

Dette resultat overgår næsten med 50% de resultater, der blev opnået ved brug af en enkelt integreret enhed [l-3]. Her er den spektrede effektivitet 3.7 gange højere.

04. Comparison with other results

Ren bitrate
Kodet bitrate
Modulation
Spektral effektivitet
Overførsel
Kilde

30.1 Tb/s
28.0 Tb/s
16 QAM
2.8 b/s/Hz
75 km SMF i laboratoriet
[l-3]

4.8 Tb/s
4.4 Tb/s
64 QAM
1.1 b/s/Hz
80 km SMF i laboratoriet
[l-4]

25.6 Tb/s
22.0 Tb/s
16 QAM
3.2 b/s/Hz
9.6 km, 30-fiber optisk fiber
[l-5]

44.2 Tb/s
40.1 Tb/s
64 QAM
10.4 b/s/Hz
B2B (0 km)
Denne publikation

44.2 Tb/s
39.2 Tb/s
64 QAM
10.2 b/s/Hz
75 km SMF i laboratoriet
Denne publikation

44.2 Tb/s
39.0 Tb/s
64 QAM
10.1 b/s/Hz
76.6 km SMF på en aktiv kommunal linje
Denne publikation

Tabel 1. Sammenligning af resultaterne med andre publikationer.

05. Useful links

Videnskabelige publikationer

l-1. Ultra-tæt optisk datatransmission over standardfiber med en enkelt chipkilde (OpenAccess)
l-2. Micro-combs: En ny generation af optiske kilder (OpenAccess)
l-3 Microresonator-baserede solitoner til massiv parallelt koherent optisk kommunikation
l-4. Højordens koherent kommunikation ved hjælp af tilstandslåste mørke-puls Kerr-kampe fra mikrorresonatorer (OpenAccess)
l-5. Microresonator frekvenskam optisk ur (OpenAccess)

Kan være nyttigt (Wikipedia)

n-1. Frekvenskam
n-2. Soliton (optik)
n-3. Kvadratur amplitudemodulation (QAM)
n-4. Kontinuerlig bølge (CW)
n-5. Gratis spektral rækkevidde (FSR)
n-6. Multiplexing
n-7. Bølgelængde selektiv switching (WSS)
n-8. Dopede fiberforstærkere (DFA, EDFA)
n-9. Symbolrate
n-10. Baud
n-11. Enkeltmode optisk fiber (SMF)
n-12. Konstellationsdiagram
n-13. Bitfejlrate (BER)
n-14. Fejlvektor magnitude
n-15. Multivariat gensidig information (MMI, GMI)
n-16. Fremadfejlkorrektion (FEC)
n-17. Lavtæthed paritetskontrol kode (LDPC)

Jeg anbefaler også at se links til andre projekter indenfor dette område, brugt i publikationen [l-1].

06. Afterword

At opnå en dataoverføringshastighed på 44,2 Tb/s (selvom det i praksis er 39,0 Tb/s) er en imponerende bedrift inden for moderne videnskab.

Og selvom vi sandsynligvis ikke snart vil kunne anvende det i praksis, er muligheden for at overføre data med høj hastighed et af de få områder inden for videnskab, der ikke får almindelige mennesker til at stille spørgsmål som "hvorfor gør I det?" eller "hvordan kan det anvendes i vores liv?".

Jeg håber, du har haft interesse. Tak for din opmærksomhed!

P.S. Hvis du har fundet stavefejl eller fejl i teksten, bedes du give mig besked. Dette kan gøres ved at markere tekststykker og trykke "Ctrl / ⌘ + Enter", hvis du har Ctrl / ⌘, eller via private beskeder. Hvis begge muligheder ikke er tilgængelige, kan du skrive om fejlene i kommentarerne. Tak!
P.P.S. Jeg vil sætte pris på, hvis du bruger endnu 60 sekunder på at svare på 2 små undersøgelser nedenfor. Tak!

Kun registrerede brugere kan deltage i undersøgelsen. Log ind, please.