🥇44.2 Tbps μέσω οπτικών ινών - πώς λειτουργεί;

Στις 22 Μαΐου 2020, το Nature Communications δημοσίευσε ένα άρθρο επιστημόνων που εκπροσωπούν ερευνητικά και επιστημονικά ιδρύματα στην Αυστραλία, την Κίνα και τον Καναδά, με τίτλο «Υπερπυκνή οπτική μετάδοση δεδομένων μέσω τυπικής ίνας με μία μόνο πηγή τσιπ».

Φυσικά, ένας τέτοιος τίτλος δεν ήταν κατάλληλος για ένα ευρύ κοινό, οπότε όλοι στις ειδήσεις έγραψαν για 44.2 Tb/s — το αποτέλεσμα που επιτεύχθηκε (μερικοί δεν διάβασαν μέχρι το τέλος και το TB/s εμφανίστηκε στους τίτλους, αλλά η σωστή τιμή είναι terabits/s). Ας καταλάβουμε μαζί πώς το έκαναν και τι έγραψαν στην πραγματικότητα οι ερευνητές.

Ας ξεκινήσουμε!

πίνακας περιεχομένων

01. Διατριβές
02. Πειραματιστείτε
03. Αποτελέσματα
04. Σύγκριση με άλλα αποτελέσματα
05. Χρήσιμοι σύνδεσμοι
06. Επίλογος

Θα προσπαθήσω να εξηγήσω τα βασικά σημεία της μελέτης, συμπεριλαμβανομένων όρων, συσκευών κ.λπ. Επιπλέον, στο τέλος της ανάρτησής μου θα υπάρχει μια λίστα με συνδέσμους όπου μπορείτε να διαβάσετε περισσότερα.

Μην εμπιστεύεστε την εξήγησή μου 100%. Όπως όλοι εκτός από τους δημοσιογράφους, μπορεί να κάνω λάθος. Διαβάστε πραγματική επιστημονική βιβλιογραφία (Τμήμα 05).

01. Διατριβές

Πρωτότυπη περίληψη της δημοσίευσης [l-1] (ελεύθερη πρόσβαση):

Οι μικρο-χτενίδες – οπτικές χτένες συχνότητας που παράγονται από ενσωματωμένους συντονιστές μικροκοιλοτήτων – προσφέρουν το πλήρες δυναμικό των αντίστοιχων χύδην, αλλά σε ένα ολοκληρωμένο αποτύπωμα. Έχουν επιτρέψει σημαντικές ανακαλύψεις σε πολλούς τομείς, όπως η φασματοσκοπία, η φωτονική μικροκυμάτων, η σύνθεση συχνότητας, η οπτική μέτρηση εύρους, οι κβαντικές πηγές, η μετρολογία και η μετάδοση δεδομένων εξαιρετικά υψηλής χωρητικότητας. Εδώ, χρησιμοποιώντας μια ισχυρή κατηγορία μικρο-χτενίδων που ονομάζονται κρύσταλλοι σολιτονίου, επιτυγχάνουμε μετάδοση δεδομένων εξαιρετικά υψηλής χωρητικότητας σε απόσταση 75 km τυπικής οπτικής ίνας χρησιμοποιώντας μία μόνο ενσωματωμένη πηγή τσιπ. Δείχνουμε ρυθμό γραμμής 44.2 Terabits s−1 χρησιμοποιώντας τη ζώνη C των τηλεπικοινωνιών στα 1550 nm με φασματική απόδοση 10.4 bits s−1 Hz−1. Οι κρύσταλλοι σολιτονίου παρουσιάζουν ισχυρή και σταθερή παραγωγή και λειτουργία, καθώς και υψηλή εγγενή απόδοση που, μαζί με μια εξαιρετικά χαμηλή απόσταση μικρο-χτενισμάτων σολιτονίου 48.9 GHz, επιτρέπουν τη χρήση μιας πολύ υψηλής συνεκτικής μορφής διαμόρφωσης δεδομένων (64 QAM - διαμορφωμένο πλάτος τετραγωνισμού). Αυτή η εργασία καταδεικνύει την ικανότητα των οπτικών μικρο-χτενών να λειτουργούν σε απαιτητικά και πρακτικά δίκτυα οπτικών επικοινωνιών.

Χρησιμοποιώντας μια ενσωματωμένη οπτική πηγή, ήταν δυνατή η μετάδοση πληροφοριών σε απόσταση μεγαλύτερη των 75 χλμ. μέσω τυπικής οπτικής ίνας. Σε αυτήν την περίπτωση, επιτεύχθηκε «ταχύτητα» 44.2 terabits/s (Tb/s) για τη ζώνη C (1 nm) με φασματική απόδοση 550 (b/s)/Hz. Η απόσταση μεταξύ γειτονικών σολιτονίων μειώθηκε στα 10.4 GHz.

Η δοκιμή των 75 χλμ. πραγματοποιήθηκε με χρήση οπτικών ινών στο εργαστήριο. Επιπλέον, παρόμοιες δοκιμές «πεδίου» διεξήχθησαν σε πραγματική οπτική γραμμή (76.6 χλμ.) στη Μελβούρνη της Αυστραλίας.

Τι πρέπει να γνωρίζετε:

Μικρο-χτένα
Με απλά λόγια, είναι μια οπτική (διαβάστε "λέιζερ") πηγή. Το φάσμα της αποτελείται από μια σειρά διακριτών γραμμών που βρίσκονται στην ίδια απόσταση μεταξύ τους (γι' αυτό και ονομάζεται χτένα). Επιπλέον, ο παλμός μιας τέτοιας πηγής ονομάζεται επίσης έτσι. Αν σας ενδιαφέρει, μπορείτε να διαβάσετε την κριτική [l-2], το οποίο αναφέρεται στα κύρια επιτεύγματα αυτού του τομέα (81 σελίδες, ναι, τα κύρια επιτεύγματα, ελεύθερη πρόσβαση). Μπορείτε να διαβάσετε μια σύντομη περίληψη στη Wikipedia [n-1].

Οπτικό σολίτον
Είναι ένας μοναδικός οπτικός παλμός που μπορεί να διαδοθεί σε ένα μη γραμμικό μέσο σε μεγάλες αποστάσεις χωρίς να αλλάξει το σχήμα του. Γενικές πληροφορίες μπορείτε να βρείτε στο άρθρο της Wikipedia. [n-2].

Κρύσταλλος Σολιτόν
Είναι ένα χρονικά ταξινομημένο σύνολο σολιτονίων, τα οποία «εντοπίζονται» περιοδικά λόγω της διαμόρφωσης του πεδίου που τα παράγει. Είναι κρύσταλλος μόνο χρονικά.

Διαμόρφωση πλάτους τετραγωνισμού (QAM)
Αλλάζοντας τη φάση και το πλάτος του σήματος, είναι δυνατό να αυξηθεί η ποσότητα των πληροφοριών που μεταδίδονται. Η φάση μετατοπίζεται κατά — ένα τέταρτο κύκλου, εξ ου και «τετραγωνισμός». Ο αριθμός 64 υποδηλώνει τον αριθμό των διαφορετικών συνδυασμών με τέτοια διαμόρφωση. Περισσότερες λεπτομέρειες μπορείτε να βρείτε στη Wikipedia. [n-3].

Ίσως αυτό να είναι αρκετό προς το παρόν, και θα εξηγήσω τους υπόλοιπους όρους ή λιγότερο προφανή πράγματα καθώς προχωράμε.

02. Πειραματιστείτε

Σχήμα. 1. Έννοια πειράματος για μετάδοση δεδομένων χρησιμοποιώντας κρυστάλλους σολιτονίου [l-1].

a. Απεικόνιση της κατάστασης του «κρυστάλλου σολιτονίου» που χρησιμοποιήθηκε στο πείραμα.
b. Φωτογραφία του τσιπ που χρησιμοποιήθηκε (5 x 9 mm, μόνο περίπου περιοχή που καταλαμβάνεται από τη συσκευή και τους κυματοδηγούς) + κέρμα 2 AUD (20.5 mm) για κλίμακα. Το ένθετο δείχνει τον δακτυλιοειδή συντονιστή. Η παραμόρφωση που είναι ορατή στην εικόνα οφείλεται στην κόλλα που συγκρατεί τις οπτικές ίνες στη θέση τους.
c. Πειραματική διάταξη. Συνεχής ακτινοβολία (CW) [n-4]) λέιζερ (1.8 W μετά τον ενισχυτή) αντλεί έναν δακτυλιοειδή συντονιστή (48.9 GHz FSR [n-5]), δημιουργώντας μια μικρο-χτένα όταν αλληλεπιδρά με έναν κρύσταλλο σολιτονίου. Η χτένα εξισορροπείται (δηλαδή το πλάτος εξισορροπείται σε διαφορετικές συχνότητες) και αποπολυπλέγεται [n-6], η οποία επιτρέπει περαιτέρω διαμόρφωση. Το σήμα στη συνέχεια συμπιέζεται ξανά, μεταδίδεται μέσω οπτικής ίνας χρησιμοποιώντας ενισχυτές EDFA (βλ. παρακάτω) και κάθε κανάλι αποπολυπλέγεται ξανά (αυτό είναι το αντίθετο της συμπίεσης σήματος).

Επί Σχήμα. 1 συντομογραφίες:

Το ECL — λέιζερ με ακμή σύνδεσης — είναι ένα λέιζερ συνδεδεμένο με οπτική ίνα.
WSS — διακόπτης επιλεκτικού μήκους κύματος — μια συσκευή που επιτρέπει την επιλεκτική εναλλαγή μήκους κύματος [n-7];
Rx — δέκτης;
EDFA — Ενισχυτής οπτικών ινών με πρόσμιξη ερβίου — ενισχυτής οπτικών ινών με πρόσμιξη ιόντων ερβίου [n-8].

Όταν εκπέμπεται ένα λέιζερ (1 nm, συνεχές), ο μικροσυντονιστής παράγει έναν κρύσταλλο σολιτονίου με φασματικό πλάτος μεγαλύτερο από 550 nm (με περίοδο περίπου 80 nm). Η μικρο-χτένα παράγεται ρυθμίζοντας αυτόματα το λέιζερ στην επιθυμητή τιμή.

Σχήμα. 2. Δημιουργία κρυστάλλου σολιτονίου. Για τη δημιουργία, το λέιζερ ρυθμίζεται ομαλά από την άκρη μεγάλου μήκους κύματος του συντονισμού σε μια προκαθορισμένη τιμή [l-1].

a. Κύρια κορυφογραμμή. Δημιουργείται όταν η ακτινοβολία λέιζερ βρίσκεται σε συντονισμό με τον δακτύλιο.
b. Το φάσμα του κρυστάλλου σολιτονίου που χρησιμοποιήθηκε στο πείραμα. Ένα τέτοιο «κομμένο» φάσμα της μικρο-χτένας αντιστοιχεί σε ένα μόνο προσωρινό ελάττωμα που εισάγεται στον δακτύλιο (δηλαδή ένα κενό αντί για μία από τις γραμμές χτένας). Σε μια προκαθορισμένη συχνότητα, παράγεται ένας κρύσταλλος σολιτονίου με φασματικά χαρακτηριστικά γύρω από τις κύριες γραμμές χτένας. Με αυτόν τον τρόπο, επιτεύχθηκαν γραμμές σε ολόκληρη τη ζώνη C της οπτικής μετάδοσης δεδομένων.
c. Η διαφορά στην ένταση των γραμμών χτένας για 10 διαφορετικές παραμέτρους παραγωγής (τα σύμβολα κάθε τύπου στο Σχήμα αντιπροσωπεύουν μία από τις 10 περιπτώσεις). Δεδομένου ότι η ένταση βρίσκεται εντός ±0.9 dB του αρχικού φάσματος, μπορεί να υποτεθεί ότι η παραγωγή του απαιτούμενου κρυστάλλου σολιτονίου είναι αξιόπιστη.

Κρύσταλλοι σολιτονίου δημιουργήθηκαν για 10 διαφορετικά μήκη κύματος από 1 έως 550.300 nm και αποδείχθηκε ότι το απαιτούμενο αποτέλεσμα επιτυγχάνεται και για τις 1 παραλλαγές.

Από ολόκληρο το μικρο-χτενάκι, επιλέχθηκαν 80 γραμμές εντός της ζώνης C (ένα φασματικό παράθυρο πλάτους 32 nm από 1 έως 536 nm, 1 THz). Αυτές οι ζώνες ευθυγραμμίστηκαν φασματικά και στη συνέχεια διπλασιάστηκαν ουσιαστικά σε 567 (ισοδύναμο με ένα χτενάκι 3.95 GHz). Ο διπλασιασμός είναι απαραίτητος για τη βελτιστοποίηση της φασματικής απόδοσης (φασματικές χρήσιμες πληροφορίες).

Μια δοκιμαστική ζώνη (6 κανάλια) προστέθηκε στο υπό μελέτη σήμα. Ολόκληρη η χτένα διαμορφώθηκε σε μορφή 64 QAM, η οποία δίνει ρυθμό συμβόλων [n-9] στα 23 γιγαμπάουντ [n-10], γεγονός που κατέστησε δυνατή τη χρήση του 94% του διαθέσιμου φάσματος.

Συνολικά 2 πειράματα διεξήχθησαν για τη μετάδοση πληροφοριών σε απόσταση 75 χλμ. Και στις δύο περιπτώσεις χρησιμοποιήθηκε μονοτροπική οπτική ίνα. [n-11].

Πειραματιστείτε στο εργαστήριο.
Δοκιμές πεδίου χρησιμοποιώντας ένα δημοτικό δίκτυο που συνδέει την πανεπιστημιούπολη του RMIT στη Μελβούρνη και την πανεπιστημιούπολη Clayton του Πανεπιστημίου Monash.

Σχήμα. 3. Πολυκαναλικά φάσματα και σήματα ενός κρυστάλλου σολιτονίου [l-1].

a. Φάσμα χτένας συχνότητας μετά την εξίσωση, μετρημένο σε ανάλυση 12.5 GHz για την εμφάνιση μεμονωμένων γραμμών.
b. Εργαστηριακά αποτελέσματα για 75 km οπτικής ίνας. Ανάλυση 50 GHz. Το ένθετο απεικονίζει το δοκιμαστικό κανάλι (ανάλυση 150 MHz), δείχνοντας τις μονές και ζυγές υποζώνες που υπάρχουν για κάθε σύνδεσμο (αποτέλεσμα του διπλασιασμού που περιγράφηκε προηγουμένως).
c. Αποτελέσματα πεδίου για 76.6 km οπτικής ίνας. Ανάλυση 50 GHz.
d. Αστερισμός σήματος [n-12] για τη γραμμή 193.4 THz (1550.1 nm) για δύο πολώσεις (X και Y). Η σύνδεση "back-to-back" (B2B) αντιστοιχεί σε απευθείας συνδεδεμένο πομπό και δέκτη, η σύνδεση "75 km οπτικής ίνας εντός εργαστηρίου" σε εργαστηριακές δοκιμές (b) και η σύνδεση "76.6 km οπτικής ίνας πεδίου" σε δοκιμές πεδίου (c).

Επί Σχήμα. 3 συντομογραφίες:

BER — ποσοστό σφάλματος bit — ποσοστό σφάλματος bit [n-13];
(από το μέγεθος του διανύσματος σφάλματος [n-14]) — χαρακτηρίζει την ποιότητα του σήματος.

03. Αποτελέσματα

Σχήμα. 4. Ρυθμός σφάλματος bit (BER), φασματική απόδοση και γενικευμένη αμοιβαία πληροφορία (GMI) [n-15] στο πείραμα [l-1].

a. BER για κάθε γραμμή κορυφογραμμής. Το μπλε αντιπροσωπεύει τη διαμόρφωση B2B, το κόκκινο αντιπροσωπεύει το εργαστηριακό πείραμα και το πράσινο αντιπροσωπεύει το πείραμα πεδίου. Η διακεκομμένη γραμμή αντιπροσωπεύει το 20% SD FEC με βάση τους κωδικούς LDPC. Το όριο FEC επιλέγεται σε Μετά τη μετάδοση, θεωρείται ότι δεν υπάρχουν σφάλματα σε όλα τα κανάλια.
b. GMI και φασματική ένταση για κάθε γραμμή χτένας. Το GMI υπολογίζεται ξεχωριστά για κάθε γραμμή μετά την ομαλοποίησή τους, η οποία λαμβάνει υπόψη τον λόγο σήματος προς θόρυβο του ληφθέντος μηνύματος. Οι γραμμές εμφανίζουν 10% και 20% επιβάρυνση (OH). Η φασματική απόδοση (SE) υπολογίζεται από το GMI και τον λόγο του ρυθμού συμβόλων προς την απόσταση μεταξύ των χτένων. Δεδομένου ότι το GMI υποθέτει ένα ιδανικό σήμα, εμφανίζει υψηλότερη συνολική χωρητικότητα πληροφοριών σε σύγκριση με το BER. Στην ακολουθία GMI (SE) για B2B, οι τιμές κυμαίνονται από 11.3 b/σύμβολο (10.6 b/σύμβολο/Hz) έως 10.9 b/σύμβολο (10.3 b/σύμβολο/Hz). Για μετάδοση οπτικών ινών σε εργαστηριακές συνθήκες, οι τιμές (ανά κανάλι) κυμαίνονταν από 11.0 b/σύμβολο (10.4 b/σύμβολο/Hz) έως 10.7 b/σύμβολο (10.1 b/σύμβολο/Hz). Τα ίδια αποτελέσματα ελήφθησαν σε δοκιμές πεδίου.

Επί Σχήμα. 4 συντομογραφίες:

FEC — διόρθωση σφάλματος προς τα εμπρός [n-16];
SD FEC — FEC με ήπια απόφαση;
LDPC — κώδικας ελέγχου ισοτιμίας χαμηλής πυκνότητας — κώδικας με ελέγχους ισοτιμίας χαμηλής πυκνότητας [n-17].

Ο καθαρός ρυθμός μετάδοσης bit που ελήφθη στα πειράματα εκτιμάται σε 44.2 Tbps. Όταν επανυπολογίζεται στον κωδικοποιημένο ρυθμό μετάδοσης bit (με την προσθήκη πλεοναζουσών πληροφοριών για τη μετάδοση δεδομένων), αυτή η τιμή μειώνεται σε 40.1 Tbps (διαμόρφωση B2B), 39.2 Tbps (στο εργαστήριο) και 39.0 Tbps ("στο πεδίο"). Αυτό σημαίνει φασματική απόδοση 10.4, 10.2 και 10.1 bps/Hz, αντίστοιχα.

Αυτό το αποτέλεσμα είναι σχεδόν 50% καλύτερο από τα αποτελέσματα που επιτεύχθηκαν χρησιμοποιώντας μία μόνο ενσωματωμένη συσκευή. [l-3]Ταυτόχρονα, η φασματική απόδοση είναι 3.7 φορές υψηλότερη.

04. Σύγκριση με άλλα αποτελέσματα

Καθαρός ρυθμός μετάδοσης bit
Κωδικοποιημένος ρυθμός μετάδοσης bit
Διαμόρφωση
Φασματική απόδοση
Μετάδοση
Πηγή

30.1 Tb/s
28.0 Tb/s
16QAM
2.8 bps/Hz
75 χλμ. SMF στο εργαστήριο
[l-3]

4.8 Tb/s
4.4 Tb/s
64QAM
1.1 bps/Hz
80 χλμ. SMF στο εργαστήριο
[l-4]

25.6 Tb/s
22.0 Tb/s
16QAM
3.2 bps/Hz
9.6 χλμ., οπτική ίνα 30 πυρήνων
[l-5]

44.2 Tb/s
40.1 Tb/s
64QAM
10.4 bps/Hz
B2B (0 χλμ.)
Αυτή η δημοσίευση

44.2 Tb/s
39.2 Tb/s
64QAM
10.2 bps/Hz
75 χλμ. SMF στο εργαστήριο
Αυτή η δημοσίευση

44.2 Tb/s
39.0 Tb/s
64QAM
10.1 bps/Hz
76.6 χλμ. SMF στην υφιστάμενη δημοτική γραμμή
Αυτή η δημοσίευση

Πίνακας 1. Σύγκριση αποτελεσμάτων με άλλες δημοσιεύσεις.

05. Χρήσιμοι σύνδεσμοι

Επιστημονικές δημοσιεύσεις

l-1. Εξαιρετικά πυκνή μετάδοση οπτικών δεδομένων μέσω τυπικής ίνας με μία μόνο πηγή τσιπ (Ανοιχτή Πρόσβαση)
l-2. Μικρο-χτένες: Μια νέα γενιά οπτικών πηγών (Ανοιχτή Πρόσβαση)
l-3 Σολιτόνια βασισμένα σε μικροσυντονιστές για μαζικά παράλληλες συνεκτικές οπτικές επικοινωνίες
l-4. Συνεκτικές επικοινωνίες υψηλής τάξης χρησιμοποιώντας χτένες Kerr σκοτεινού παλμού με κλειδωμένη λειτουργία από μικροαντηχεία (Ανοιχτή Πρόσβαση)
l-5. Οπτικό ρολόι χτένας συχνότητας μικροσυντονιστή (Ανοιχτή Πρόσβαση)

Μπορεί να είναι χρήσιμο (Wikipedia)

ν-1. Συχνότητα χτένα
ν-2. Σολίτον (οπτική)
ν-3. Διαμόρφωση πλάτους τετραγώνου (Ποιοτική Ποιότητας)
ν-4. Συνεχές κύμα (Cw)
ν-5. Ελεύθερο φασματικό εύρος (FSR)
ν-6. Πολυπλεξία
ν-7. Επιλεκτική μεταγωγή μήκους κύματος (ΔΥΣ)
ν-8. Ενισχυτές με ενισχυμένες οπτικές ίνες (DFA, EDFA)
ν-9. Ρυθμός συμβόλων
ν-10. Baud
ν-11. Οπτική ίνα μονής λειτουργίας (SMF)
ν-12. Διάγραμμα αστερισμού
ν-13. Ρυθμός σφάλματος bit (BER)
ν-14. Μέγεθος διανύσματος σφάλματος
ν-15. Πολυμεταβλητές αμοιβαίες πληροφορίες (ΜΜΙ, ΓΜΙ)
ν-16. Διόρθωση σφάλματος προς τα εμπρός (FEC)
ν-17. Κωδικός ελέγχου ισοτιμίας χαμηλής πυκνότητας (LDPC)

Σας συνιστώ επίσης να ελέγξετε τους συνδέσμους προς άλλα ρομπότ σε αυτόν τον τομέα που χρησιμοποιούνται στη δημοσίευση. [l-1].

06. Επίλογος

Η επίτευξη ρυθμού μεταφοράς δεδομένων 44.2 Tb/s (ακόμα κι αν στην πράξη είναι 39.0 Tb/s) αποτελεί ένα εντυπωσιακό επίτευγμα της σύγχρονης επιστήμης.

Και παρόλο που είναι απίθανο να μπορέσουμε να το χρησιμοποιήσουμε στην πραγματική ζωή σύντομα, η δυνατότητα μετάδοσης δεδομένων με υψηλή ταχύτητα είναι ένας από τους λίγους τομείς της επιστήμης που δεν κάνει τους απλούς ανθρώπους να θέτουν ερωτήσεις όπως «γιατί το κάνετε αυτό;» ή «πώς μπορούμε να το εφαρμόσουμε αυτό στη ζωή μας;»

Ελπίζω να το βρήκατε ενδιαφέρον. Σας ευχαριστώ για την προσοχή σας!

PS Εάν βρείτε τυπογραφικά λάθη ή λάθη στο κείμενο, ενημερώστε με. Αυτό μπορεί να γίνει επιλέγοντας μέρος του κειμένου και πατώντας το "Ctrl / ⌘ + Enter" εάν έχετε Ctrl / ⌘ ή μέσω Προσωπικά Μηνύματα. Εάν και οι δύο επιλογές δεν είναι διαθέσιμες, γράψτε για τα σφάλματα στα σχόλια. Ευχαριστώ!
ΜΑΔ Θα σας εκτιμούσα αν μπορούσατε να αφιερώσετε άλλα 60 δευτερόλεπτα για να απαντήσετε στις 2 σύντομες έρευνες παρακάτω. Ευχαριστώ!

Μόνο εγγεγραμμένοι χρήστες μπορούν να συμμετάσχουν στην έρευνα. Συνδεθείτε, Σας παρακαλούμε.