44,2 Tb/s over fiber optic — how does it work?

44,2 Tb/s over fiber optic — how does it work?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 pÄ 75 km blev udfÞrt med optisk fiber i laboratoriet. Desuden blev der gennemfÞrt lignende "felt"-tests pÄ en rigtig optisk linje (76,6 km) i Melbourne, Australien.

Hvad du skal vide:

Mikro-greb (micro-comb)
Enkelt sagt er det en optisk (lÊs "laser") kilde. Dens spektrum bestÄr af en serie diskrete linjer, der er placeret med samme afstand imellem (derfor kaldes det et greb). Desuden kaldes selve pulsen fra en sÄdan kilde ogsÄ dette. Hvis du er interesseret, kan du lÊse en oversigt [l-2], der berÞrer de vigtigste prÊstationer pÄ dette omrÄde (side 81, ja, de vigtigste resultater, gratis adgang). Du kan kort lÊse om det pÄ Wikipedia. [n-1].

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

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

Quadratur Amplitudemodulation (QAM)
Ved at ĂŠndre fase og amplitude af signalet kan mĂŠngden af overfĂžrsel af information forĂžges. Fasen forskydes med 44,2 Tb/s over fiber optic — how does it work? — en fjerdedel af en cirkel, deraf "quadratur". Tallet 64 angiver antallet af forskellige kombinationer ved denne modulation. Du kan lĂŠse lidt mere om det pĂ„ Wikipedia. [n-3].

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

02. Experiment


44,2 Tb/s over fiber optic — how does it work?

Fig. 1. Konceptet for et eksperiment til dataoverfĂžrsel ved hjĂŠlp af solitonkrystaller [l-1].

a. Illustration af "solitonkrystallet" anvendt i eksperimentet.
b. Billede af den anvendte chip (5 x 9 mm, kun omkring 44,2 Tb/s over fiber optic — how does it work? arealet optaget af enheden og bĂžlgeledningerne) + mĂžnt 2 AUD (20,5 mm) for skala. IndsĂŠttelsen viser ringresonatoren. ForvrĂŠngning, der ses pĂ„ billedet, skyldes limen, der holder optisk fiber.
c. Diagram over eksperimentet. En kontinuerligt udsendende (CW [n-4]) laser (1,8 W efter forstĂŠrkeren) 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 muliggĂžr yderligere modulering. Derefter komprimeres signalet igen, transmitteres via fiberoptik ved hjĂŠlp af EDFA (se nedenfor) forstĂŠrkere, og hver kanal demultiplexes igen (dette er antonymet til signal komprimering).

PĂ„ Fig. 1 forkortelser:

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

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


44,2 Tb/s over fiber optic — how does it work?

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

a. Hovedkammen. Genereres, nÄr laserens emission er i resonans med ringen.
b. Spektret af soliton-kristallet, der blev brugt i eksperimentet. Et sÄdant "afskÄret" spektre af mikro-kammen svarer til en enkelt tidsfejl indfÞrt i ringen (hensygter til en vacans i stedet for en af kamlinjerne). Ved en forudbestemt frekvens genereres et soliton-kristal med spektrale sÊrtrÊk omkring hovedkammens linjer. Dermed opnÄs linjer over det C-bÄnd, der bruges til optisk datatransmission.
c. Forskellen i intensiteten af kamlinjerne for 10 forskellige genereringsparametre (symbolerne for hver type pÄ figuren reprÊsenterer et af de 10 tilfÊlde). Da intensiteten ligger inden for ± 0,9 dB fra det oprindelige spektre, kan det anses for, at genereringen af det Þnskede soliton-kristal er pÄlidelig.

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

Fra hele mikro-grebspektrumet blev 80 linjer valgt inden for C-bÄndet (et spektralt vindue pÄ 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 pÄ 24,5 GHz). Fordoblingen er nÞdvendig for at optimere den spektrale effektivitet (spektral nyttig information).

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

Der blev gennemfĂžrt 2 eksperimenter for informationsoverfĂžrsel over 75 km. I begge tilfĂŠlde blev der anvendt en enkeltmode fiberoptik [n-11].

  1. Laboratorieeksperiment.
  2. FeltforsĂžg ved hjĂŠlp af det kommunale netvĂŠrk, der forbinder Melbourne campus ved Royal Melbourne Institute of Technology med Clayton campus ved Monash University.


44,2 Tb/s over fiber optic — how does it work?

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

a. Spektrum af frekvensgreben efter justering, mÄlt med en oplÞsning pÄ 12,5 GHz for at vise de enkelte linjer.
b. Laboratorieresultater for 75 km fiberoptik. OplÞsning 50 GHz. Indsatser illustrerer testkanalen (oplÞsning pÄ 150 MHz), som viser lige og ulige subbÄnd, der er til stede for hver linje (resultatet af fordoblingen, som tidligere blev beskrevet).
c. Feltresultater for 76,6 km fiberoptik. OplĂžsning 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" — laboratorieforsþg (b) og "76,6 km field fiber" — feltforsþg (c).

PĂ„ Fig. 3 forkortelser:

  • BER — bitfejlraten — karakteriserer kvaliteten af signalet. [n-13];
  • 44,2 Tb/s over fiber optic — how does it work? (af stĂžrrelsen af fejlvinderen [n-14]) — karakteriserer kvaliteten af signalet.

03. Results


44,2 Tb/s over fiber optic — how does it work?

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 blĂ„t, laboratorieeksperimentet med rĂždt, felteksperimentet med grĂžnt. Den stiplede linje angiver 20% SD FEC baseret pĂ„ LDPC koder. FEC-tĂŠrsklen er valgt til 44,2 Tb/s over fiber optic — how does it work?. Efter transmissionen betragtes fejl i alle kanaler som fravĂŠrende.
b. GMI og det spektre af intensitet for hver kamlinje. GMI beregnes separat for hver linje efter normalisering, hvilket tager hÞjde for signal-stÞj-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 stÞrre samlet informationskapacitet sammenlignet med BER. I rÊkkefÞlgen af GMI (SE) for B2B varierer vÊrdierne 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 laboratorieforsÞg var vÊrdierne (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 opnÄet i feltforsÞg.

PĂ„ 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, opnÄet i eksperimenterne, er vurderet til 44.2 Tb/s. NÄr dette omregnes til kodet bitrate (med tilfÞjelse af overskydende information til dataoverfÞrsel), falder vÊrdien 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 pÄ 10.4, 10.2 og 10.1 b/s/Hz hhv.

Dette resultat overgÄr nÊsten med 50% de resultater, der blev opnÄet ved brug af en enkelt integreret enhed [l-3]. Her er den spektrede effektivitet 3.7 gange hÞjere.

04. Comparison with other results

Ren bitrate
Kodet bitrate
Modulation
Spektral effektivitet
OverfĂžrsel
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 pĂ„ en aktiv kommunal linje
Denne publikation

Tabel 1. Sammenligning af resultaterne med andre publikationer.

05. Useful links


Videnskabelige publikationer

l-1. Ultra-tĂŠt 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. HÞjordens koherent kommunikation ved hjÊlp af tilstandslÄste mÞrke-puls Kerr-kampe fra mikrorresonatorer (OpenAccess)
l-5. Microresonator frekvenskam optisk ur (OpenAccess)

Kan vĂŠre nyttigt (Wikipedia)

n-1. Frekvenskam
n-2. Soliton (optik)
n-3. Kvadratur amplitudemodulation (QAM)
n-4. Kontinuerlig bĂžlge (CW)
n-5. Gratis spektral rĂŠkkevidde (FSR)
n-6. Multiplexing
n-7. BĂžlgelĂŠngde selektiv switching (WSS)
n-8. Dopede fiberforstĂŠrkere (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. LavtĂŠthed paritetskontrol kode (LDPC)

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

06. Afterword

At opnÄ en dataoverfÞringshastighed pÄ 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 overfÞre data med hÞj hastighed et af de fÄ omrÄder inden for videnskab, der ikke fÄr almindelige mennesker til at stille spÞrgsmÄl som "hvorfor gÞr I det?" eller "hvordan kan det anvendes i vores liv?".

Jeg hÄber, du har haft interesse. Tak for din opmÊrksomhed!

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

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

Er du interesseret i indlĂŠg om fremskridt inden for videnskab og / eller teknologi?

  • 97,5%Interesseret79

  • 1,2%Ikke interesseret1

  • 1,2%Jeg vil ikke trykke "tilbageholde", men jeg vil gerne vide resultaterne1

81 brugere har stemt. 8 brugere har tilbageholdt sig.

Vil du gerne se sÄdanne nye indlÊg pÄ Habr?

  • 92,3%Ja, det er prĂŠcis til Habr72

  • 1,3%Nej, Habr er ikke til dette1

  • 6,4%Ligegyldigt5

78 brugere har stemt. 5 brugere har tilbageholdt sig.

Kilde: habr.com

KĂžb pĂ„lidelig webhosting med DDoS-beskyttelse, VPS VDS-servere đŸ”„ KĂžb pĂ„lidelig webhosting med DDoS-beskyttelse, VPS VDS-servere | ProHoster