🥇44.2 Tbps over fiberoptik - hvordan fungerer det?

Den 22. maj 2020 offentliggjorde Nature Communications en artikel af forskere, der repræsenterer forsknings- og videnskabelige institutioner i Australien, Kina og Canada, med titlen "Ultra-dense optical data transmission over standard fiber with a single chip source".

Naturligvis var sådan en overskrift ikke egnet til et bredt publikum, så alle i nyhederne skrev om 44.2 Tb/s - det resultat, der blev opnået (nogle læste ikke til ende, og TB/s optrådte i overskrifterne, men den korrekte værdi er terabit/s). Lad os sammen finde ud af, hvordan de gjorde det, og hvad forskerne rent faktisk skrev om.

Lad os begynde!

indholdsfortegnelse

01. Afhandlinger
02. Eksperiment
03. Resultater
04. Sammenligning med andre resultater
05. Nyttige links
06. Efterord

Jeg vil forsøge at forklare hovedpunkterne i forskningen, herunder termer, enheder osv. I slutningen af mit indlæg vil der også være en liste over links, du kan følge for at læse mere.

Du skal ikke stole 100% på min forklaring. Ligesom alle andre undtagen journalister, kan jeg tage fejl. Læs rigtig videnskabelig litteratur (Afsnit 05).

01. Afhandlinger

Originalt resumé af publikationen [l-1] (fri adgang):

Mikrokamme – optiske frekvenskamme genereret af integrerede mikrohulrumsresonatorer – tilbyder det fulde potentiale af deres bulk-modstykker, men i et integreret fodaftryk. De har muliggjort gennembrud inden for mange områder, herunder spektroskopi, mikrobølgefotonik, frekvenssyntese, optisk afstandsmåling, kvantekilder, metrologi og datatransmission med ultrahøj kapacitet. Her opnår vi, ved at bruge en kraftfuld klasse af mikrokamme kaldet solitonkrystaller, ultrahøj datatransmission over 75 km standard optisk fiber ved hjælp af en enkelt integreret chipkilde. Vi demonstrerer en linjehastighed på 44.2 terabit s−1 ved brug af telekommunikations-C-båndet ved 1550 nm med en spektral effektivitet på 10.4 bit s−1 Hz−1. Soliton-krystaller udviser robust og stabil generering og drift samt en høj iboende effektivitet, der sammen med en ekstremt lav soliton-mikrokamafstand på 48.9 GHz muliggør brugen af et meget højkohærent datamodulationsformat (64 QAM - kvadraturamplitudemoduleret). Dette arbejde demonstrerer optiske mikrokammes evne til at fungere i krævende og praktiske optiske kommunikationsnetværk.

Ved hjælp af en integreret optisk kilde var det muligt at overføre information over en afstand på mere end 75 km via standard optisk fiber. I dette tilfælde blev der opnået en "hastighed" på 44.2 terabit/s (Tb/s) for C-båndet (1 nm) med en spektral effektivitet på 550 (b/s)/Hz. Afstanden mellem nabo-solitoner blev reduceret til 10.4 GHz.

75 km-testen blev udført med optisk fiber i laboratoriet. Derudover blev lignende "felt"-tests udført på en rigtig optisk forbindelse (76.6 km) i Melbourne, Australien.

Hvad du har brug for at vide:

Mikrokam
Enkelt sagt er det en optisk (læs "laser") kilde. Dens spektrum består af en række diskrete linjer, der er lige langt fra hinanden (deraf navnet kam). Derudover kaldes impulsen fra en sådan kilde også. Hvis du er interesseret, kan du læse anmeldelsen [l-2], som dækker de vigtigste resultater inden for dette felt (81 sider, ja, de vigtigste resultater, fri adgang). Du kan læse et kort resumé på Wikipedia [n-1].

Optisk soliton
Det er en enkelt optisk puls, der kan udbrede sig i et ikke-lineært medium over lange afstande uden at ændre sin form. Generel information kan findes i Wikipedia-artiklen [n-2].

Soliton-krystal
Dette er et tidsordnet ensemble af solitoner, der "arrangeres" periodisk på grund af moduleringen af det felt, der genererer dem. Krystallen er kun i tiden.

Kvadraturamplitudemodulation (QAM)
Ved at ændre signalets fase og amplitude er det muligt at øge mængden af transmitteret information. Fasen forskydes med - en kvart cirkel, derfor "kvadratur". Tallet 64 angiver antallet af forskellige kombinationer med denne modulation. Du kan læse lidt mere om det på Wikipedia [n-3].

Måske er dette nok for nu, og jeg vil forklare resten af begreberne eller mindre indlysende ting undervejs.

02. Eksperiment

Fig. 1. Koncept for et eksperiment til datatransmission ved hjælp af solitonkrystaller [l-1].

a. Illustration af tilstanden af den "solitonkrystal", der blev brugt i eksperimentet.
b. Foto af den anvendte chip (5 x 9 mm, kun ca. område optaget af enheden og bølgeledere) + 2 AUD-mønter (20.5 mm) for skala. Indsættet viser en ringresonator. Den forvrængning, der er synlig på billedet, skyldes klæbemidlet, der holder fiberoptikken på plads.
c. Eksperimentelt design. Kontinuerlig bølge (CW) [n-4]) laser (1.8 W efter forstærker) pumper en ringresonator (48.9 GHz FSR) [n-5]), hvilket genererer en mikrokam ved interaktion med en solitonkrystal. Kammen udlignes (hvilket betyder, at amplituden udlignes ved forskellige frekvenser) og demultiplekses. [n-6], hvilket muliggør yderligere modulering. Signalet komprimeres derefter igen, transmitteres via fiberoptik ved hjælp af EDFA-forstærkere (se nedenfor), og hver kanal demultiplekses igen (dette er det modsatte af signalkomprimering).

On Fig. 1 forkortelser:

ECL — kantkoblet laser — er en laser koblet med optisk fiber;
WSS — bølgelængdeselektiv omskifter — en enhed, der tillader selektiv omskiftning af bølgelængde [n-7];
Rx — modtager;
EDFA — Erbiumdoteret fiberforstærker — fiberoptisk forstærker doteret med erbiumioner [n-8].

Når mikroresonatoren bestråles med en laser (1 nm, kontinuerlig), genererer den en solitonkrystal med en spektralbredde på mere end 550 nm (med en periode på ca. 80 nm). Mikrokammen genereres ved automatisk at justere laseren til den ønskede værdi.

Fig. 2. Dannelse af en solitonkrystal. For at generere justeres laseren jævnt fra resonansens lange bølgelængdekant til en forudbestemt værdi. [l-1].

a. Hovedryggen. Dannes når laserlys er i resonans med ringen.
b. Spektrum af den solitonkrystal, der blev brugt i eksperimentet. Et sådant "afkortet" spektrum af mikrokammen svarer til en enkelt midlertidig defekt introduceret i ringen (hvilket betyder en ledig plads i stedet for en af kamlinjerne). Ved en forudbestemt frekvens genereres en solitonkrystal med spektrale træk omkring de vigtigste højderyglinjer. På denne måde blev der opnået linjer på tværs af hele C-båndet for optisk datatransmission.
c. Forskel i højderygsintensitet for 10 forskellige generationsparametre (symboler for hver type i figur repræsenterer et af 10 tilfælde). Da intensiteten er inden for ±0.9 dB af det oprindelige spektrum, kan det anses for, at genereringen af den nødvendige solitonkrystal er pålidelig.

Solitonkrystaller blev genereret for 10 forskellige bølgelængder fra 1 til 550.300 nm, og det blev vist, at det ønskede resultat opnås for alle 1 variationer.

Fra hele mikrokammen blev 80 linjer inden for C-båndet (32 nm bredt spektralvindue fra 1 til 536 nm, 1 THz) udvalgt. Disse bånd blev spektralt justeret og derefter effektivt fordoblet til 567 (svarende til toppen af 3.95 GHz). Fordobling er nødvendig for at optimere spektral effektivitet (spektral nyttig information).

En teststrimmel (6 kanaler) blev tilføjet til det undersøgte signal. Hele kammen blev moduleret i 64 QAM-format, hvilket giver en symbolhastighed på [n-9] ved 23 gigabaud [n-10], hvilket gjorde det muligt at bruge 94% af det tilgængelige spektrum.

I alt blev der udført 2 eksperimenter for at overføre information over 75 km. I begge tilfælde blev der anvendt single-mode fiber. [n-11].

Eksperiment i laboratoriet.
Feltforsøg ved hjælp af et kommunalt netværk, der forbinder RMITs Melbourne-campus og Monash Universitys Clayton-campus.

Fig. 3. Multikanalspektre og signaler fra en solitonkrystal [l-1].

a. Frekvenskamspektrum efter udligning, målt ved 12.5 GHz opløsning for at vise individuelle linjer.
b. Laboratorieresultater for 75 km fiberoptik. Opløsning 50 GHz. Indsættet illustrerer en testkanal (150 MHz opløsning), der viser de lige og ulige underbånd, der er til stede for hver linje (resultatet af den tidligere beskrevne fordobling).
c. Feltresultater for 76.6 km fiber. Opløsning 50 GHz.
d. Signalkonstellation [n-12] for 193.4 THz-linjen (1550.1 nm) for to polarisationer (X og Y). "Back-to-back" (B2B) svarer til direkte forbundet sender og modtager, "75 km fiber i laboratoriet" svarer til laboratorietestning (b), og "76.6 km feltfiber" svarer til felttestning (c).

On Fig. 3 forkortelser:

BER — bitfejlrate — bitfejlrate [n-13];
(fra størrelsen af fejlvektoren [n-14]) — karakteriserer signalets kvalitet.

03. Resultater

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

a. BER for hver højderyglinje. Blå angiver B2B-konfigurationen, rød angiver laboratorieeksperimentet, og grøn angiver felteksperimentet. Den stiplede linje repræsenterer 20 % SD FEC baseret på LDPC-koder. FEC-tærsklen er valgt i . Efter transmissionen anses det for, at der ikke er fejl i nogen kanaler.
b. GMI og spektralintensitet for hver højderyglinje. GMI beregnes separat for hver linje efter deres normalisering, hvilket tager højde for signal-støj-forholdet for den modtagne besked. Linjerne viser 10% og 20% overdata (OH). Spektral effektivitet (SE) beregnes ud fra GMI og forholdet mellem symbolhastighed og højderygafstand. Da GMI antager et ideelt signal, viser det en større samlet informationskapacitet end BER. I GMI (SE)-sekvensen for B2B ligger værdierne fra 11.3 bps (10.6 bps/Hz) til 10.9 bps (10.3 bps/Hz). For fiberoptisk transmission under laboratorieforhold varierede værdierne (pr. kanal) 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.

On Fig. 4 forkortelser:

FEC — fremadrettet fejlkorrektion [n-16];
SD FEC — blød beslutnings-FEC;
LDPC — paritetskontrolkode med lav tæthed — kode med lav tæthed af paritetskontroller [n-17].

Den netto bitrate, der blev opnået i eksperimenterne, blev estimeret til 44.2 Tb/s. Når den konverteres til kodet bitrate (med tilføjelse af redundant information til datatransmission), falder denne værdi til 40.1 Tb/s (B2B-konfiguration), 39.2 Tb/s (i laboratoriet) og 39.0 Tb/s (i felten). Dette svarer til spektraleffektiviteter på henholdsvis 10.4, 10.2 og 10.1 bps/Hz.

Dette resultat er næsten 50 % bedre end de resultater, der opnås ved hjælp af en enkelt integreret enhed. [l-3]. Desuden er den spektrale effektivitet 3.7 gange højere.

04. Sammenligning med andre resultater

Ren bitrate
Kodet bitrate
Modulation
Spektral effektivitet
Udsende
Kilde

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

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

25.6 Tb/s
22.0 Tb/s
16 QAM
3.2 bps/Hz
9.6 km, 30-kernet fiberoptik
[l-5]

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

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

44.2 Tb/s
39.0 Tb/s
64 QAM
10.1 bps/Hz
76.6 km SMF på den eksisterende kommunale linje
Denne publikation

Tabel. 1. Sammenligning af resultater med andre publikationer.

05. Nyttige links

Научные публикации

l-1. Ultratæt optisk dataoverførsel over standardfiber med en enkelt chipkilde (Åben adgang)
l-2. Mikrokamme: En ny generation af optiske kilder (Åben adgang)
l-3 Mikroresonatorbaserede solitoner til massivt parallel kohærent optisk kommunikation
l-4. Højordens kohærent kommunikation ved hjælp af mode-låste mørkepuls Kerr-kamme fra mikroresonatorer (Åben adgang)
l-5. Mikroresonatorfrekvenskam optisk ur (Åben adgang)

Kan være nyttigt (Wikipedia)

n-1. Frekvenskam
n-2. Soliton (optik)
n-3. Kvadraturamplitude-modulation (QAM)
n-4. Kontinuerlig bølge (Cw)
n-5. Frit spektralområde (FSR)
n-6. multiplexing
n-7. Bølgelængdeselektiv omskiftning (WSS)
n-8. Dopede fiberforstærkere (DFA, EDFA)
n-9. Symbol rate
n-10. Baud
n-11. Single-mode optisk fiber (SMF)
n-12. Konstellationsdiagram
n-13. Bitfejlrate (BER)
n-14. Fejlvektorstørrelse
n-15. Multivariat gensidig information (MMI, GMI)
n-16. Fremadrettet fejlkorrektion (FEC)
n-17. Kode for paritetskontrol med lav tæthed (LDPC)

Jeg anbefaler også, at du gennemgår linkene til andre robotter i dette område, der bruges i publikationen. [l-1].

06. Efterord

At opnå en dataoverførselshastighed på 44.2 Tb/s (selvom den i praksis er 39.0 Tb/s) er en imponerende præstation for moderne videnskab.

Og selvom det er usandsynligt, at vi vil være i stand til at bruge det i det virkelige liv lige foreløbig, er evnen til at overføre data med høj hastighed et af de få områder inden for videnskaben, der ikke får almindelige mennesker til at spørge: "Hvorfor gør I det her?" eller “hvordan kan vi anvende dette i vores liv?”

Jeg håber, du fandt det interessant. Tak for din opmærksomhed!

PS Hvis du finder stavefejl eller fejl i teksten, så lad mig det vide. Dette kan gøres ved at vælge en del af teksten og trykke på "Ctrl / ⌘ + Enter" hvis du har Ctrl / ⌘ eller via private beskeder. Hvis begge muligheder ikke er tilgængelige, så skriv om fejl i kommentarerne. Tak skal du have!
PPS Jeg ville sætte pris på, hvis du ville bruge yderligere 60 sekunder på at besvare de 2 korte spørgeskemaer nedenfor. Tak!

Kun registrerede brugere kan deltage i undersøgelsen. Log ind, Vær venlig.