Am 22. Mai 2020 wurde in Nature Communications ein Artikel von Wissenschaftlern aus Forschungseinrichtungen in Australien, China und Kanada veröffentlicht, mit dem Titel "Ultra-dichte optische DatenĂŒbertragung ĂŒber Standardfaser mit einer einzelnen Chipquelle".
NaturgemÀà war ein solcher Titel nicht fĂŒr ein breites Publikum geeignet, daher berichteten alle Nachrichten ĂŒber 44,2 Tbit/s â das Ergebnis, das erzielt werden konnte (einige lasen nicht bis zum Ende und es tauchten Titel mit TB/s auf, aber der korrekte Wert ist Tera bits/s). Lassen Sie uns gemeinsam herausfinden, wie dies erreicht wurde und worĂŒber die Forscher tatsĂ€chlich berichteten.
Lassen Sie uns beginnen!
Inhaltsverzeichnis
Ich werde versuchen, die SchlĂŒsselpunkte der Studie zu erklĂ€ren, einschlieĂlich der Begriffe, GerĂ€te usw. DarĂŒber hinaus wird am Ende meiner Veröffentlichung eine Liste von Links zur VerfĂŒgung stehen, ĂŒber die Sie mehr lesen können.
Vertrauen Sie meiner ErklĂ€rung nicht zu 100 %. Wie alle auĂer den Journalisten kann ich Fehler machen. Lesen Sie die eigentliche wissenschaftliche Literatur ().
01. Thesen
Originale Thesen der Veröffentlichung (Open Access):
Mikro-KĂ€mme â optische FrequenzkĂ€mme, die durch integrierte Mikrohohlraumresonatoren erzeugt werden â bieten das volle Potenzial ihrer massiven GegenstĂŒcke, jedoch in einem integrierten Format. Sie haben DurchbrĂŒche in vielen Bereichen ermöglicht, darunter Spektroskopie, Mikrowellen-Photonik, Frequenzsynthese, optische Distanzmessung, Quellentechnologie, Metrologie und ultrahochkapazitive DatenĂŒbertragung. Hier erreichen wir mit einer leistungsstarken Klasse von Mikro-KĂ€mmen, den Solitonenkristallen, eine ultrahochdatenspielĂŒbertragung ĂŒber 75 km standardglasfaser unter Verwendung einer einzigen integrierten Chipquelle. Wir demonstrieren eine Zeilenrate von 44,2 Terabit/s im Telekommunikations-C-Band bei 1550 nm mit einer spektralen Effizienz von 10,4 Bits/s/Hz. Solitonenkristalle zeigen eine robuste und stabile Erzeugung und Betrieb sowie eine hohe intrinsische Effizienz, die zusammen mit einem extrem niedrigen Soliton-Mikro-KĂ€mme-Abstand von 48,9 GHz die Verwendung eines sehr hoch kohĂ€renten Datenmodulationsformats (64 QAM â quadraturamplitudengemoduliert) ermöglichen. Diese Arbeit belegt die FĂ€higkeit optischer Mikro-KĂ€mme, in anspruchsvollen und praktischen optischen Kommunikationsnetzen zu arbeiten.
Durch die Verwendung einer integrierten optischen Quelle gelang es, Informationen ĂŒber Glasfaser ĂŒber eine Distanz von ĂŒber 75 km zu ĂŒbertragen. Dabei wurde eine âGeschwindigkeitâ von 44,2 Terabit/s (Tb/s) fĂŒr das C-Band (1.550 nm) mit einer spektralen Effizienz von 10,4 (b/s)/Hz erreicht. Der Abstand zwischen benachbarten Solitonen konnte auf 48,9 GHz reduziert werden.
Die ĂberprĂŒfung ĂŒber 75 km wurde im Labor mit Glasfaser durchgefĂŒhrt. DarĂŒber hinaus wurden Ă€hnliche "Feldtests" auf einer echten optischen Strecke (76,6 km) in Melbourne, Australien, durchgefĂŒhrt.
Wichtige Informationen:
Mikro-Greifer (micro-comb)
Einfach ausgedrĂŒckt â eine optische (auch "Laser") Quelle. Ihr Spektrum besteht aus einer Serie diskreter Linien, die im gleichen Abstand zueinander stehen (daher der Name Greifer). Ebenso wird der Impuls dieser Quelle ebenfalls Greifer genannt. Wenn Sie interessiert sind, können Sie eine Ăbersicht lesen , die die wichtigsten Errungenschaften in diesem Bereich behandelt (Seite 81, ja, die wichtigsten Errungenschaften, freier Zugang). Eine kurze Zusammenfassung finden Sie auf Wikipedia .
Optischer Soliton
Das ist ein einzelner optischer Impuls, der sich in einem nichtlinearen Medium ĂŒber groĂe Strecken ausbreiten kann, ohne seine Form zu verĂ€ndern. Allgemeine Informationen finden Sie in einem Artikel auf Wikipedia .
Solitonkristall (soliton crystal)
Das ist ein zeitlich geordneter Satz von Solitonen, die aufgrund der Modulation des sie erzeugenden Feldes periodisch "angeordnet" sind. Er ist nur zeitlich als Kristall.
Quadraturamplitudenmodulation (QAM)
Durch die VerĂ€nderung der Phase und Amplitude des Signals kann die ĂŒbertragene Informationsmenge erhöht werden. Die Phase wird um verschoben 
â ein Viertelkreis, daher 'Quadratur'. Die Zahl 64 steht fĂŒr die Anzahl der verschiedenen Kombinationen bei dieser Modulation. Weitere Details finden Sie auf Wikipedia. .
Vielleicht ist das vorerst genug. Ich werde die anderen Begriffe oder weniger offensichtlichen Aspekte nach und nach erklÀren.
02. Experiment
Abb. 1. Das Konzept des Experiments zur DatenĂŒbertragung mit solitonischen Kristallen .
a. Illustration des Zustands eines 'Solitonenkristalls', der im Experiment verwendet wird.
b. Foto des verwendeten Chips (5 x 9 mm, wobei nur etwa 
der FlĂ€che von dem GerĂ€t und den Wellenleitern eingenommen wird) + 2 AUD-MĂŒnze (20,5 mm) zur GröĂenordnung. Die EinfĂŒgung zeigt den ringförmigen Resonator. Die Verzerrung, die im Bild sichtbar ist, hĂ€ngt mit dem Kleber zusammen, der die Glasfaser fixiert.
c. Schema des Experiments. Ein kontinuierlich strahlender (CW ) Laser (1,8 W nach dem VerstĂ€rker) pumpt den ringförmigen Resonator (48,9 GHz FSR ), indem ein Mikro-Grat erzeugt wird, wenn er mit einem Solitonkristall interagiert. Der Grat wird ausgerichtet (gemeint ist die Ausrichtung der Amplitude bei verschiedenen Frequenzen) und demultiplexiert. , was eine weitere Modulation ermöglicht. AnschlieĂend wird das Signal erneut komprimiert, ĂŒber Glasfaser mit EDFA (siehe unten) VerstĂ€rkern ĂŒbertragen und jeder Kanal wird erneut demultiplexiert (dies ist das Gegenteil der Signalverdichtung).
Auf AbkĂŒrzungen:
- ECL â edge-coupled laser â ein Laser, der mit einer Glasfaser verbunden ist;
- WSS â wavelength-selective switch â ein GerĂ€t, das selektives WellenlĂ€ngenwechseln ermöglicht. ;
- Rx â EmpfĂ€nger;
- EDFA â Erbium Doped Fiber Amplifier â ein mit Erbium-Ionen dotierter GlasfaserverstĂ€rker. .
Bei der Laseremission (1550 nm, kontinuierlich) erzeugt der Mikroresonator einen Solitonkristall mit einer spektralen Breite von ĂŒber 80 nm (mit einem Intervall von etwa 0,4 nm). Der Mikro-Grat wird durch automatische Anpassung des Lasers auf den erforderlichen Wert erzeugt.
Abb. 2. Erzeugung des Solitonkristalls. Zur Erzeugung wird der Laser von der langwelligen Kante der Resonanz auf einen vordefinierten Wert sanft eingestellt. .
a. Haupt-Resonator. Er wird erzeugt, wenn die Laserstrahlung im ResonanzverhÀltnis mit dem Ring steht.
b. Spektrum des Solitonenkristalls, der im Experiment verwendet wurde. Dieses "verkĂŒrzte" Spektrum des Mikro-Resonators entspricht einem einzelnen zeitlichen Defekt, der in den Ring eingefĂŒhrt wurde (gemeint ist eine Vakanz anstelle einer der Resonatorlinien). Bei einer vordefinierten Frequenz wird ein Solitonenkristall mit spektralen Merkmalen um die Linien des Haupt-Resonators erzeugt. Dadurch wurden Linien ĂŒber das gesamte C-Band der optischen DatenĂŒbertragung erzielt.
c. Der Unterschied in der IntensitĂ€t der Resonatorlinien fĂŒr 10 verschiedene Generierungsparameter (die Symbole jeder Art in der Abbildung reprĂ€sentieren einen der 10 FĂ€lle). Da die IntensitĂ€t innerhalb von ± 0,9 dB vom ursprĂŒnglichen Spektrum liegt, kann angenommen werden, dass die Generierung des erforderlichen Solitonen-Kristalls zuverlĂ€ssig ist.
Solitonenkristalle wurden fĂŒr 10 verschiedene WellenlĂ€ngen von 1.550,300 bis 1.550,527 nm erzeugt, und es wurde gezeigt, dass das gewĂŒnschte Ergebnis fĂŒr alle 10 Variationen erreicht wird.
Von dem gesamten Mikro-Gitter wurden 80 Linien im C-Bereich ausgewĂ€hlt (ein spektrales Fenster von 32 nm von 1.536 bis 1.567 nm, 3,95 THz). Diese Linien wurden spektral ausgerichtet und anschlieĂend effektiv auf 160 verdoppelt (entspricht einem Gitter von 24,5 GHz). Die Verdopplung ist notwendig, um die spektrale Effizienz (spektrale NĂŒtzlichkeit) zu optimieren.
Dem untersuchten Signal wurde ein Testband (6 KanĂ€le) hinzugefĂŒgt. Das gesamte Gitter wurde im 64 QAM-Format moduliert, was eine symbolische Geschwindigkeit ergibt von 23 Gigabod , was die Nutzung von 94 % des verfĂŒgbaren Spektrums ermöglichte.
Es wurden insgesamt 2 Experimente zur DatenĂŒbertragung ĂŒber 75 km durchgefĂŒhrt. In beiden FĂ€llen wurde optisches Einmodenfaserkabel verwendet. .
- Laborexperiment.
- Feldversuche unter Verwendung des stÀdtischen Netzwerks, das den Melbourne-Campus der Royal Melbourne Institute of Technology mit dem Campus der Monash University in Clayton verbindet.
Abb. 3. Multikanalspektren und Soliton-Kristallsignale .
a. Das Spektrum des Frequenzgitters nach der Ausrichtung, gemessen mit einer Auflösung von 12,5 GHz, um die einzelnen Linien zu zeigen.
b. Laborergebnisse fĂŒr 75 km Glasfaser. Auflösung 50 GHz. Die Abbildung zeigt den Testkanal (Auflösung 150 MHz) und veranschaulicht die geraden und ungeraden SubbĂ€nder, die fĂŒr jede Linie vorhanden sind (Ergebnis der Verdopplung, die zuvor beschrieben wurde).
c. Feldversuche fĂŒr 76,6 km Glasfaser. Auflösung 50 GHz.
d. Signal-Konstellation fĂŒr die Linie 193,4 THz (1550,1 nm) fĂŒr zwei Polarisationen (X und Y). "Back-to-back" (B2B) entspricht direkt verbundenem Sender und EmpfĂ€nger, "75 km Laborfaser" â Labortest (b) und "76,6 km Feldfaser" â Feldtest (c).
Auf AbkĂŒrzungen:
- BER â Bitfehlerrate â Kennzahl fĂŒr die Bitfehlerrate ;
(von der GröĂe des Fehlervektors ) â kennzeichnet die SignalqualitĂ€t.
(von der GröĂe des Fehlervektors ) â kennzeichnet die SignalqualitĂ€t.
03. Ergebnisse
Abb. 4. Bitfehlerrate (BER), spektrale Effizienz und verallgemeinerte gegenseitige Information (GMI) im Experiment .
a. BER fĂŒr jede Linie des Wellenzugs. Blau markiert die B2B-Konfiguration, Rot â Laborexperiment, GrĂŒn â Feldeexperiment. Die gepunktete Linie zeigt 20% SD FEC, basierend auf LDPC-Codes. Die FEC-Schwelle wurde auf 
festgelegt. Nach der Ăbertragung wird angenommen, dass in allen KanĂ€len keine Fehler vorhanden sind.
b. Der GMI und die spektrale IntensitĂ€t fĂŒr jede Linienstruktur werden separat berechnet, nachdem sie normalisiert wurden, um das Signal-Rausch-VerhĂ€ltnis der empfangenen Nachricht zu berĂŒcksichtigen. Die Linien zeigen 10 % und 20 % redundante Daten (OH). Die spektrale Effizienz (SE) wird aus dem GMI und dem VerhĂ€ltnis der Symbolrate zur Distanz zwischen den WellenzĂŒgen berechnet. Da GMI ein ideales Signal annimmt, zeigt es eine höhere GesamtkapazitĂ€t an Informationen im Vergleich zum BER. In der GMI-Sequenz (SE) fĂŒr B2B variieren die Werte von 11,3 b/Symbol (10,6 b/Symbol/Hz) bis 10,9 b/Symbol (10,3 b/Symbol/Hz). Unter Laborbedingungen betrugen die Werte fĂŒr die optische Ăbertragung (fĂŒr den Kanal) von 11,0 b/Symbol (10,4 b/Symbol/Hz) bis 10,7 b/Symbol (10,1 b/Symbol/Hz). Ăhnliche Ergebnisse wurden in Feldversuchen erzielt.
Auf AbkĂŒrzungen:
- FEC â Forward Error Correction â direkte Fehlerkorrektur ;
- SD FEC â Soft Decision FEC;
- LDPC â Low-Density Parity-Check-Code â Code mit geringer Dichte an ParitĂ€tsprĂŒfungen .
Die in den Experimenten erreichte Netto-Bitrate wurde mit 44,2 Tb/s bewertet. Bei der Umrechnung in die kodierte Bitrate (einschlieĂlich redundanter Informationen zur DatenĂŒbertragung) sinkt dieser Wert auf 40,1 Tb/s (B2B-Konfiguration), 39,2 Tb/s (im Labor) und 39,0 Tb/s ("im Feld"). Dies entspricht einer spektralen Effizienz von 10,4, 10,2 und 10,1 b/s/Hz.
Dieses Ergebnis ĂŒbertrifft die Resultate, die mit einem einzelnen IntegrationsgerĂ€t erzielt wurden, um fast 50%. . Dabei ist die spektrale Effizienz um das 3,7-Fache höher.
04. Vergleich mit anderen Ergebnissen
Netto-Bitrate
Kodierte Bitrate
Modulation
Spektrale Effizienz
Ăbertragung
Quelle
30,1âTb/s
28,0âTb/s
16 QAM
2,8âb/s/Hz
75âkm SMF im Labor
4,8âTb/s
4,4âTb/s
64 QAM
1,1âb/s/Hz
80âkm SMF im Labor
25,6âTb/s
22,0âTb/s
16 QAM
3,2âb/s/Hz
9,6âkm, 30-Fasern-Glasfaser
44,2âTb/s
40,1âTb/s
64 QAM
10,4âb/s/Hz
B2B (0âkm)
Diese Publikation
44,2âTb/s
39,2âTb/s
64 QAM
10,2âb/s/Hz
75âkm SMF im Labor
Diese Publikation
44,2âTb/s
39,0âTb/s
64 QAM
10,1âb/s/Hz
76,6âkm SMF auf einer aktiven kommunalen Linie
Diese Publikation
Tabelle 1. Vergleich der Ergebnisse mit anderen Publikationen.
05. NĂŒtzliche Links
Wissenschaftliche Publikationen
l-1. (OpenAccess)
l-2. (OpenAccess)
l-3
l-4. (OpenAccess)
l-5. (OpenAccess)
Kann nĂŒtzlich sein (Wikipedia)
n-1.
n-2.
n-3. (QAM)
n-4. (CW)
n-5. (FSR)
n-6.
n-7. (WSS)
n-8. (DFA, EDFA)
n-9.
n-10.
n-11. (SMF)
n-12.
n-13. (BER)
n-14.
n-15. (MMI, GMI)
n-16. (FEC)
n-17. (LDPC)
Ich empfehle auch, die Links zu anderen Arbeiten in diesem Bereich, die in der Veröffentlichung verwendet wurden, zu ĂŒberprĂŒfen. .
06. Nachwort
Eine DatenĂŒbertragungsrate von 44,2 Tb/s zu erreichen (obwohl es in der Praxis 39,0 Tb/s betrĂ€gt) ist ein beeindruckender Erfolg der modernen Wissenschaft.
Und selbst wenn wir es bald nicht im Alltag einsetzen können, ist die Möglichkeit, Daten mit hoher Geschwindigkeit zu ĂŒbertragen, eines der wenigen Wissenschaftsgebiete, das bei normalen Menschen keine Fragen aufwirft wie "Warum machen Sie das?" oder "Wie lĂ€sst sich das in unserem Leben anwenden?".
Ich hoffe, es war interessant fĂŒr Sie. Vielen Dank fĂŒr Ihre Aufmerksamkeit!
P.S. Wenn Sie Tippfehler oder Fehler im Text gefunden haben, lassen Sie es mich bitte wissen. Sie können dies tun, indem Sie einen Teil des Textes markieren und auf "Strg / â + Enter", wenn Sie Ctrl / â drĂŒcken oder ĂŒber . Wenn beide Optionen nicht verfĂŒgbar sind, schreiben Sie bitte ĂŒber die Fehler in den Kommentaren. Vielen Dank!
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