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 Datenübertragung über Standardfaser mit einer einzelnen Chipquelle".
Naturgemäß war ein solcher Titel nicht für ein breites Publikum geeignet, daher berichteten alle Nachrichten über 44,2 Tbit/s – 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 worüber die Forscher tatsächlich berichteten.
Lassen Sie uns beginnen!
Inhaltsverzeichnis
Ich werde versuchen, die Schlüsselpunkte der Studie zu erklären, einschließlich der Begriffe, Geräte usw. Darüber hinaus wird am Ende meiner Veröffentlichung eine Liste von Links zur Verfügung stehen, über die Sie mehr lesen können.
Vertrauen Sie meiner Erklärung nicht zu 100 %. Wie alle außer den Journalisten kann ich Fehler machen. Lesen Sie die eigentliche wissenschaftliche Literatur ().
01. Thesen
Originale Thesen der Veröffentlichung (Open Access):
Mikro-Kämme – optische Frequenzkämme, die durch integrierte Mikrohohlraumresonatoren erzeugt werden – bieten das volle Potenzial ihrer massiven Gegenstücke, jedoch in einem integrierten Format. Sie haben Durchbrüche in vielen Bereichen ermöglicht, darunter Spektroskopie, Mikrowellen-Photonik, Frequenzsynthese, optische Distanzmessung, Quellentechnologie, Metrologie und ultrahochkapazitive Datenübertragung. Hier erreichen wir mit einer leistungsstarken Klasse von Mikro-Kämmen, den Solitonenkristallen, eine ultrahochdatenspielübertragung über 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-Kämme-Abstand von 48,9 GHz die Verwendung eines sehr hoch kohärenten Datenmodulationsformats (64 QAM – quadraturamplitudengemoduliert) ermöglichen. Diese Arbeit belegt die Fähigkeit optischer Mikro-Kämme, in anspruchsvollen und praktischen optischen Kommunikationsnetzen zu arbeiten.
Durch die Verwendung einer integrierten optischen Quelle gelang es, Informationen über Glasfaser über eine Distanz von über 75 km zu übertragen. Dabei wurde eine „Geschwindigkeit“ von 44,2 Terabit/s (Tb/s) für 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 Überprüfung über 75 km wurde im Labor mit Glasfaser durchgeführt. Darüber hinaus wurden ähnliche "Feldtests" auf einer echten optischen Strecke (76,6 km) in Melbourne, Australien, durchgeführt.
Wichtige Informationen:
Mikro-Greifer (micro-comb)
Einfach ausgedrückt – 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 Übersicht 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 über große Strecken ausbreiten kann, ohne seine Form zu verändern. 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 Veränderung der Phase und Amplitude des Signals kann die übertragene Informationsmenge erhöht werden. Die Phase wird um verschoben 
— ein Viertelkreis, daher 'Quadratur'. Die Zahl 64 steht für 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 erklären.
02. Experiment
Abb. 1. Das Konzept des Experiments zur Datenübertragung 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 Fläche von dem Gerät und den Wellenleitern eingenommen wird) + 2 AUD-Münze (20,5 mm) zur Größenordnung. Die Einfügung zeigt den ringförmigen Resonator. Die Verzerrung, die im Bild sichtbar ist, hängt mit dem Kleber zusammen, der die Glasfaser fixiert.
c. Schema des Experiments. Ein kontinuierlich strahlender (CW ) Laser (1,8 W nach dem Verstärker) 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. Anschließend wird das Signal erneut komprimiert, über Glasfaser mit EDFA (siehe unten) Verstärkern übertragen und jeder Kanal wird erneut demultiplexiert (dies ist das Gegenteil der Signalverdichtung).
Auf Abkürzungen:
- ECL – edge-coupled laser – ein Laser, der mit einer Glasfaser verbunden ist;
- WSS – wavelength-selective switch – ein Gerät, das selektives Wellenlängenwechseln ermöglicht. ;
- Rx – Empfänger;
- EDFA – Erbium Doped Fiber Amplifier – ein mit Erbium-Ionen dotierter Glasfaserverstärker. .
Bei der Laseremission (1550 nm, kontinuierlich) erzeugt der Mikroresonator einen Solitonkristall mit einer spektralen Breite von über 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 Resonanzverhältnis mit dem Ring steht.
b. Spektrum des Solitonenkristalls, der im Experiment verwendet wurde. Dieses "verkürzte" Spektrum des Mikro-Resonators entspricht einem einzelnen zeitlichen Defekt, der in den Ring eingeführt 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 über das gesamte C-Band der optischen Datenübertragung erzielt.
c. Der Unterschied in der Intensität der Resonatorlinien 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 ursprünglichen Spektrum liegt, kann angenommen werden, dass die Generierung des erforderlichen Solitonen-Kristalls zuverlässig ist.
Solitonenkristalle 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.
Von dem gesamten Mikro-Gitter wurden 80 Linien im C-Bereich ausgewählt (ein spektrales Fenster von 32 nm von 1.536 bis 1.567 nm, 3,95 THz). Diese Linien wurden spektral ausgerichtet und anschließend effektiv auf 160 verdoppelt (entspricht einem Gitter von 24,5 GHz). Die Verdopplung ist notwendig, um die spektrale Effizienz (spektrale Nützlichkeit) zu optimieren.
Dem untersuchten Signal wurde ein Testband (6 Kanäle) hinzugefügt. Das gesamte Gitter wurde im 64 QAM-Format moduliert, was eine symbolische Geschwindigkeit ergibt von 23 Gigabod , was die Nutzung von 94 % des verfügbaren Spektrums ermöglichte.
Es wurden insgesamt 2 Experimente zur Datenübertragung über 75 km durchgeführt. In beiden Fällen wurde optisches Einmodenfaserkabel verwendet. .
- Laborexperiment.
- Feldversuche unter Verwendung des städtischen 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 für 75 km Glasfaser. Auflösung 50 GHz. Die Abbildung zeigt den Testkanal (Auflösung 150 MHz) und veranschaulicht die geraden und ungeraden Subbänder, die für jede Linie vorhanden sind (Ergebnis der Verdopplung, die zuvor beschrieben wurde).
c. Feldversuche für 76,6 km Glasfaser. Auflösung 50 GHz.
d. Signal-Konstellation für die Linie 193,4 THz (1550,1 nm) für zwei Polarisationen (X und Y). "Back-to-back" (B2B) entspricht direkt verbundenem Sender und Empfänger, "75 km Laborfaser" – Labortest (b) und "76,6 km Feldfaser" – Feldtest (c).
Auf Abkürzungen:
- BER – Bitfehlerrate – Kennzahl für die Bitfehlerrate ;
(von der Größe des Fehlervektors ) – kennzeichnet die Signalqualität.
(von der Größe des Fehlervektors ) – kennzeichnet die Signalqualität.
03. Ergebnisse
Abb. 4. Bitfehlerrate (BER), spektrale Effizienz und verallgemeinerte gegenseitige Information (GMI) im Experiment .
a. BER für jede Linie des Wellenzugs. Blau markiert die B2B-Konfiguration, Rot – Laborexperiment, Grün – Feldeexperiment. Die gepunktete Linie zeigt 20% SD FEC, basierend auf LDPC-Codes. Die FEC-Schwelle wurde auf 
festgelegt. Nach der Übertragung wird angenommen, dass in allen Kanälen keine Fehler vorhanden sind.
b. Der GMI und die spektrale Intensität für jede Linienstruktur werden separat berechnet, nachdem sie normalisiert wurden, um das Signal-Rausch-Verhältnis der empfangenen Nachricht zu berücksichtigen. Die Linien zeigen 10 % und 20 % redundante Daten (OH). Die spektrale Effizienz (SE) wird aus dem GMI und dem Verhältnis der Symbolrate zur Distanz zwischen den Wellenzügen berechnet. Da GMI ein ideales Signal annimmt, zeigt es eine höhere Gesamtkapazität an Informationen im Vergleich zum 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). Unter Laborbedingungen betrugen die Werte für die optische Übertragung (für den Kanal) von 11,0 b/Symbol (10,4 b/Symbol/Hz) bis 10,7 b/Symbol (10,1 b/Symbol/Hz). Ähnliche Ergebnisse wurden in Feldversuchen erzielt.
Auf Abkürzungen:
- FEC — Forward Error Correction — direkte Fehlerkorrektur ;
- SD FEC — Soft Decision FEC;
- LDPC — Low-Density Parity-Check-Code — Code mit geringer Dichte an Paritätsprüfungen .
Die in den Experimenten erreichte Netto-Bitrate wurde mit 44,2 Tb/s bewertet. Bei der Umrechnung in die kodierte Bitrate (einschließlich 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 entspricht einer spektralen Effizienz von 10,4, 10,2 und 10,1 b/s/Hz.
Dieses Ergebnis übertrifft die Resultate, die mit einem einzelnen Integrationsgerät 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
Übertragung
Quelle
30,1 Tb/s
28,0 Tb/s
16 QAM
2,8 b/s/Hz
75 km SMF im Labor
4,8 Tb/s
4,4 Tb/s
64 QAM
1,1 b/s/Hz
80 km SMF im Labor
25,6 Tb/s
22,0 Tb/s
16 QAM
3,2 b/s/Hz
9,6 km, 30-Fasern-Glasfaser
44,2 Tb/s
40,1 Tb/s
64 QAM
10,4 b/s/Hz
B2B (0 km)
Diese Publikation
44,2 Tb/s
39,2 Tb/s
64 QAM
10,2 b/s/Hz
75 km SMF im Labor
Diese Publikation
44,2 Tb/s
39,0 Tb/s
64 QAM
10,1 b/s/Hz
76,6 km SMF auf einer aktiven kommunalen Linie
Diese Publikation
Tabelle 1. Vergleich der Ergebnisse mit anderen Publikationen.
05. Nützliche Links
Wissenschaftliche Publikationen
l-1. (OpenAccess)
l-2. (OpenAccess)
l-3
l-4. (OpenAccess)
l-5. (OpenAccess)
Kann nützlich 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 überprüfen. .
06. Nachwort
Eine Datenübertragungsrate von 44,2 Tb/s zu erreichen (obwohl es in der Praxis 39,0 Tb/s beträgt) 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 übertragen, eines der wenigen Wissenschaftsgebiete, das bei normalen Menschen keine Fragen aufwirft wie "Warum machen Sie das?" oder "Wie lässt sich das in unserem Leben anwenden?".
Ich hoffe, es war interessant für Sie. Vielen Dank für 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 / ⌘ + Enter", wenn Sie Ctrl / ⌘ drücken oder über . Wenn beide Optionen nicht verfügbar sind, schreiben Sie bitte über die Fehler in den Kommentaren. Vielen Dank!
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Quelle: habr.com
