🥇44,2 Tb/s über Glasfaser – wie funktioniert das?

Am 22. Mai 2020 wurde in Nature Communications ein Artikel von Wissenschaftlern veröffentlicht, die Forschungs- und Bildungseinrichtungen aus Australien, China und Kanada vertreten. Der Titel lautet "Ultra-dichte optische Datenübertragung über Standardfaser mit einer einzigen Chipquelle".

Natürlich war ein solcher Titel nicht für ein breites Publikum geeignet, weshalb in den Nachrichten alle über 44,2 Tbit/s berichteten – das Ergebnis, das erreicht werden konnte (einige lasen nicht ganz und in den Überschriften tauchten TByte/s auf, aber der richtige Wert ist Terabits/s). Lassen Sie uns gemeinsam überlegen, wie sie das geschafft haben und worüber die Forscher tatsächlich geschrieben haben.

Lass uns anfangen!

Inhaltsverzeichnis

01. Thesen
02. Experiment
03. Ergebnisse
04. Vergleich mit anderen Ergebnissen
05. Nützliche Links
06. Nachwort

Ich werde versuchen, die wichtigsten Punkte der Forschung zu erklären, einschließlich der Begriffe, Geräte und so weiter. Darüber hinaus wird am Ende meiner Veröffentlichung eine Liste von Links stehen, durch die Sie mehr lesen können.

Man sollte meinem Erklärungen nicht zu 100 % vertrauen. Wie alle außer den Journalisten kann ich Fehler machen. Lesen Sie die tatsächliche wissenschaftliche Literatur (Abschnitt 05).

01. Thesen

Originalthesen der Veröffentlichung [l-1] (freier Zugang):

Micro-Kämme – optische Frequenzkämme, die von integrierten Mikrokavitätsresonatoren erzeugt werden – bieten das volle Potenzial ihrer voluminösen Gegenstücke, jedoch in einem integrierten Format. Sie haben Durchbrüche in vielen Bereichen ermöglicht, darunter Spektroskopie, Mikrowellenphotonik, Frequenzsynthese, optische Entfernungsmesstechnik, Quantensources, Metrologie und ultrahochkapazitive Datenübertragung. Hier erreichen wir mit einer leistungsstarken Klasse von Mikro-Kämmen, die Solitonenkristalle genannt werden, eine ultrahohe Datenübertragung über 75 km standardmäßiger optischer Faser mit einer einzigen integrierten Chipquelle. Wir demonstrieren eine Übertragungsrate von 44,2 Terabits s−1 unter Verwendung des Telekommunikations-C-Bandes bei 1550 nm mit einer spektralen Effizienz von 10,4 bits s−1 Hz−1. Solitonen-Kristalle zeigen eine robuste und stabile Erzeugung und Betrieb sowie eine hohe intrinsische Effizienz, die zusammen mit einem extrem geringen Abstand zwischen den Solitonen von 48,9 GHz die Verwendung eines sehr hohen kohärenten Datenmodulationsformats (64 QAM – quadraturamplitudengemoduliert) ermöglichen. Diese Arbeit demonstriert die Fähigkeit optischer Mikro-Kämme, in anspruchsvollen und praktischen optischen Kommunikationsnetzwerken zu arbeiten.

Durch die Nutzung einer integrierten optischen Quelle gelang es, Informationen über Standard-Glasfaser über Distanz von mehr als 75 km zu übertragen. Dabei wurde eine „Geschwindigkeit“ von 44,2 Terabit/s (Tbit/s) für das C-Band (1550 nm) mit einer spektralen Effizienz von 10,4 (b/s)/Hz erreicht. Der Abstand zwischen den benachbarten Solitonen konnte auf 48,9 GHz verkürzt werden.

Die Überprüfung über 75 km erfolgte mithilfe von optischen Fasern im Labor. Darüber hinaus wurden ähnliche "Feld"-Tests auf einer echten optischen Leitung (76,6 km) in Melbourne, Australien, durchgeführt.

Was Sie wissen müssen:

Mikro-Kamm (micro-comb)
Einfach ausgedrückt – eine optische (sagen wir "laser”) Quelle. Ihr Spektrum besteht aus einer Reihe diskreter Linien, die gleichmäßig voneinander entfernt sind (deshalb heißt es Kamm). Auch der Impuls solcher Quellen wird so genannt. Wenn Sie interessiert sind, können Sie eine Übersicht lesen [l-2], die die Hauptergebnisse dieses Gebiets behandelt (Seite 81, ja, Hauptergebnisse, freier Zugang). Kurz gesagt, kann man in der Wikipedia nachlesen [n-1].

Optischer Soliton
Das ist ein einzelner optischer Impuls, der sich in nichtlinearen Medien über große Entfernungen ohne Formveränderung ausbreiten kann. Allgemeine Informationen dazu finden Sie in einem Artikel in der Wikipedia [n-2].

Soliton-Kristall (soliton crystal)
Das ist ein zeitlich geordnetes Ensemble von Solitonen, die periodisch "angeordnet" sind, dank der Modulierung des sie erzeugenden Feldes. Er ist nur zeitlich ein Kristall.

Quadratur-Amplitudenmodulation (QAM)
Durch die Veränderung der Phase und Amplitude des Signals kann die übertragene Informationsmenge erhöht werden. Die Phase wird um — ein Viertel Kreis verschoben, daher "Quadratur". Die Zahl 64 bedeutet die Anzahl der verschiedenen Kombinationen bei dieser Modulation. Etwas ausführlicher kann man in der Wikipedia nachlesen [n-3].

Vielleicht reicht das vorerst, und die anderen Begriffe oder weniger offensichtlichen Dinge werde ich im Laufe der Erklärung behandeln.

02. Experiment

Abb. 1. Konzept des Datenübertragungsexperiments mit Soliton-Kristallen [l-1].

a. Illustration des Zustands des "Soliton-Kristalls", der im Experiment verwendet wird.
b. Foto des verwendeten Chips (5 x 9 mm, nur etwa Fläche wird vom Gerät und den Wellenleitern eingenommen) + Münze 2 AUD (20,5 mm) für den Maßstab. Der Einschnitt zeigt einen Ringresonator. Die Verzerrung, die im Bild sichtbar ist, hängt mit dem Kleber zusammen, der die Glasfaser fixiert.
c. Schema des Experiments. Ein kontinuierlich strahlender (CW [n-4]) Laser (1,8 W nach dem Verstärker) pumpt den Ringresonator (48,9 GHz FSR [n-5]), der bei der Wechselwirkung mit dem Soliton-Kristall den Mikro-Kamm erzeugt. Der Kamm wird ausgerichtet (d.h. die Amplitude an verschiedenen Frequenzen wird ausgerichtet) und demultiplexiert [n-6], was eine weitere Modulation erlaubt. Danach wird das Signal erneut komprimiert, über Glasfaser mit EDFA (siehe unten) Verstärkern übertragen und jeder Kanal wird erneut demultiplexiert (das ist das Gegenteil der Signalverdichtung).

Auf Abb. 1 Abkürzungen:

ECL — edge-coupled laser — ist ein Laser, der mit einer Glasfaser verbunden ist;
WSS — wavelength-selective switch — ein Gerät, das eine selektive Wellenlängenumschaltung ermöglicht [n-7];
Rx — Empfänger;
EDFA — Erbium Doped Fiber Amplifier — ein Glasfaserverstärker, der mit Erbium-Ionen dotiert ist [n-8].

Beim Laserstrahlung (1 550 nm, kontinuierlich) erzeugt der Mikrok resonanceur einen solitonischen Kristall mit einer spektralen Breite von über 80 nm (mit einem Intervall von etwa 0,4 nm). Der Mikrokamm wird erzeugt, wenn der Laser automatisch auf den gewünschten Wert eingestellt wird.

Abb. 2. Erzeugung des solitonischen Kristalls. Um die Erzeugung zu ermöglichen, wird der Laser sanft von der langwelligen Grenze der Resonanz auf einen vordefinierten Wert eingestellt. [l-1].

a. Hauptkamm. Er wird erzeugt, wenn die Laserstrahlung mit dem Ring in Resonanz steht.
b. Spektrum des solitonischen Kristalls, der im Experiment verwendet wurde. Ein solches "verkürztes" Spektrum des Mikrokamms entspricht einem einzelnen zeitlichen Defekt, der im Ring eingeführt wurde (es ist eine Vakanz anstelle einer der Linien des Kamms gemeint). Bei einer vordefinierten Frequenz wird ein solitonischer Kristall mit spektralen Merkmalen um die Linien des Hauptkamms erzeugt. So wurden Linien über das gesamte C-Band der optischen Datenübertragung erreicht.
c. Der Unterschied in der Intensität der Kammlinien für 10 verschiedene Generierungsparameter (die Symbole jeder Art in der Abbildung repräsentieren einen der 10 Fälle). Da die Intensität innerhalb von ± 0,9 dB vom Ausgangsspektrum liegt, kann man sagen, dass die Erzeugung des gewünschten solitonischen Kristalls zuverlässig ist.

Solitonische Kristalle wurden für 10 verschiedene Wellenlängen von 1 550,300 bis 1 550,527 nm erzeugt und es wurde gezeigt, dass das gewünschte Ergebnis für alle 10 Variationen erreicht wird.

Aus dem gesamten Mikrokamm wurden 80 Linien im C-Band ausgewählt (spektrales Fenster von 32 nm von 1 536 bis 1 567 nm, 3,95 THz). Diese Bänder wurden spektral ausgerichtet und danach effektiv auf 160 verdoppelt (entspricht einem Kamm von 24,5 GHz). Die Verdopplung ist notwendig, um die spektrale Effizienz (spektrale nützliche Information) zu optimieren.

Ein Testband (6 Kanäle) wurde dem untersuchten Signal hinzugefügt. Der gesamte Grat wurde im Format 64 QAM moduliert, was eine symbolische Geschwindigkeit [n-9] von 23 Gigabod ergibt [n-10], was die Nutzung von 94 % des verfügbaren Spektrums ermöglichte.

Insgesamt wurden 2 Experimente zur Informationsübertragung über 75 km durchgeführt. In beiden Fällen wurde Einkern-Glasfaser verwendet [n-11].

Experiment im Labor.
Feldversuche unter Verwendung des städtischen Netzwerks, das den Campus der Royal Melbourne Institute of Technology mit dem Campus der Monash University in Clayton verbindet.

Abbildung 3. Mehrkanalspektren und Solitonsignal [l-1].

a. Das Spektrum des Frequenzgrats nach der Anpassung, gemessen mit einer Auflösung von 12,5 GHz, um einzelne Linien zu zeigen.
b. Laborergebnisse für 75 km Glasfaser. Auflösung 50 GHz. Die Einfügung veranschaulicht den Testkanal (Auflösung 150 MHz), der gerade und ungerade Unterbänder zeigt, die für jede Linie vorhanden sind (das Ergebnis der zuvor beschriebenen Verdopplung).
c. Feldversuche für 76,6 km Glasfaser. Auflösung 50 GHz.
d. Signal-Konstellation [n-12] für die Linie 193,4 THz (1550,1 nm) für zwei Polarisationen (X und Y). "Back-to-back" (B2B) entspricht einem direkt verbundenen Sender und Empfänger, "75 km Labordaten" — Laborversuch (b) und "76,6 km Feldfaser" — Feldversuch (c).

Auf Abbildung 3 Abkürzungen:

BER — Bitfehlerrate — Maß für die Bitfehler [n-13];
(aus der Größe des Fehlervektors [n-14]) — charakterisiert die Signalqualität.

03. Ergebnisse

Abbildung 4. Bitfehlerrate (BER), spektrale Effizienz und verallgemeinerte gegenseitige Information (GMI) [n-15] im Experiment [l-1].

a. BER für jede Linie des Grats. Die B2B-Konfiguration ist blau gekennzeichnet, das Laborexperiment rot, das Feldexperiment grün. Die gestrichelte Linie kennzeichnet 20 % SD FEC, basierend auf LDPC-Codes. Der FEC-Schwellenwert wird auf . Nach der Übertragung wird angenommen, dass in allen Kanälen keine Fehler vorhanden sind.
b. GMI und spektrale Intensität für jede Linie des Grats. GMI wird separat für jede Linie nach ihrer Normalisierung berechnet, die es ermöglicht, das Signal-Rausch-Verhältnis der erhaltenen Nachricht zu berücksichtigen. Die Linien zeigen 10 % und 20 % überflüssige Daten (OH). Die spektrale Effizienz (SE) wird aus GMI und dem Verhältnis von Zeichengeschwindigkeit zu Abstand zwischen den Gräten berechnet. Da GMI ein ideales Signal annimmt, zeigt es eine höhere Gesamtkapazität für Informationen im Vergleich zu BER. In der GMI-Sequenz (SE) für B2B variieren die Werte von 11.3 b/symbol (10.6 b/symbol/Hz) bis 10.9 b/symbol (10.3 b/symbol/Hz). Für die Übertragung über Glasfaser unter Laborbedingungen lagen die Werte (für den Kanal) zwischen 11.0 b/symbol (10.4 b/symbol/Hz) und 10.7 b/symbol (10.1 b/symbol/Hz). Ähnliche Ergebnisse wurden in Feldversuchen erzielt.

Auf Abbildung 4 Abkürzungen:

FEC – Forward Error Correction – direkte Fehlerkorrektur [n-16];
SD FEC – Soft Decision FEC;
LDPC – Low-Density Parity-Check Code – Code mit niedriger Dichte an Paritätsprüfungen [n-17].

Die netto Bitrate, die in den Experimenten ermittelt wurde, beträgt 44.2 Tb/s. Bei der Umrechnung in die kodierte Bitrate (mit Hinzufügung redundanter Informationen zur Datenübertragung) sinkt dieser Wert auf 40.1 Tb/s (B2B-Konfiguration), 39.2 Tb/s (im Labor) und 39.0 Tb/s ("im Feld"). Dies bedeutet eine spektrale Effizienz von 10.4, 10.2 und 10.1 b/s/Hz.

Dieses Ergebnis übertrifft die mit einem einzelnen Integrationsgerät erzielten Resultate um fast 50 %. [l-3]. In diesem Fall ist die spektrale Effizienz um das 3.7-fache höher.

04. Vergleich mit anderen Ergebnissen

Reine Bitrate
Kodierte Bitrate
Modulation
Spektrale Effizienz
Übertragung
Quelle

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

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

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

44.2 Tb/s
40.1 Tb/s
64 QAM
10.4 b/s/Hz
B2B (0 km)
Diese Veröffentlichung

44.2 Tb/s
39.2 Tb/s
64 QAM
10.2 b/s/Hz
75 km SMF im Labor
Diese Veröffentlichung

44.2 Tb/s
39.0 Tb/s
64 QAM
10.1 b/s/Hz
76.6 km SMF auf einer aktiven kommunalen Leitung
Diese Veröffentlichung

Tab. 1. Vergleich der Ergebnisse mit anderen Veröffentlichungen.

05. Nützliche Links

Wissenschaftliche Veröffentlichungen

l-1. Ultra-dichte optische Datenübertragung über Standardfaser mit einer einzigen Chipquelle (OpenAccess)
l-2. Mikro-Kämme: Eine neuartige Generation optischer Quellen (OpenAccess)
l-3 Mikroresonator-basierte Solitonen für massiv parallele koherent optische Kommunikation
l-4. Hochordentliche koherente Kommunikation mit mode-gesperrten Dunkel-Puls-Kerr-Kämmen aus Mikroresonatoren (OpenAccess)
l-5. Optische Uhr mit Mikroresonatorfrequenzkämmen (OpenAccess)

Kann nützlich sein (Wikipedia)

n-1. Frequenzkamm
n-2. Soliton (Optik)
n-3. Quadraturamplitudenmodulation (QAM)
n-4. Kontinuierliche Welle (CW)
n-5. Freier spektraler Bereich (FSR)
n-6. Multiplexing
n-7. Wellenlängenspezifisches Schalten (WSS)
n-8. Dotierte Glasfaserverstärker (DFA, EDFA)
n-9. Symbolrate
n-10. Baud
n-11. Einmoden-Glasfaser (SMF)
n-12. Konstellationsdiagramm
n-13. Bitfehlerrate (BER)
n-14. Fehlervektormagnitude
n-15. Multivariate wechselseitige Information (MMI, GMI)
n-16. Vorwärtsfehlerkorrektur (FEC)
n-17. Low-Density-Parity-Check-Code (LDPC)

Ich empfehle auch, die Links zu anderen Arbeiten in diesem Bereich, die in der Veröffentlichung verwendet wurden, anzusehen. [l-1].

06. Nachwort

Eine Datenübertragungsrate von 44,2 Tb/s (auch wenn es in der Praxis 39,0 Tb/s sind) ist ein beeindruckender Erfolg der modernen Wissenschaft.

Und selbst wenn wir das bald nicht im Alltag nutzen können, ist die Möglichkeit der Datenübertragung mit hoher Geschwindigkeit eines der wenigen Gebiete der Wissenschaft, die keine Fragen von normalen Menschen aufwirft wie "Warum macht ihr das?" oder "Wie kann man das in unserem Leben anwenden?".

Ich hoffe, Sie fanden es interessant. Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!

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