🥇44.2 Tbps per fibro optiko - kiel ĝi funkcias?

La 22-an de majo 2020, Nature Communications publikigis artikolon de sciencistoj reprezentantaj esplor- kaj sciencajn instituciojn en Aŭstralio, Ĉinio kaj Kanado, titolitan "Ultra-densa optika datumtranssendo per norma fibro kun ununura peceta fonto."

Kompreneble tia titolo ne taŭgas por vasta publiko, do ĉiuj skribis en la novaĵoj pri 44.2 Tb/s - la rezulto atingita (kelkaj ne finlegis kaj aperis TB/s en la titoloj, sed la ĝusta valoro estas. terabit/s). Ni eltrovu kune kiel ili faris ĝin kaj pri kio la esploristoj fakte skribis.

Ni komencu!

Enhavtabelo

01. Tezoj
02. Eksperimento
03. Rezultoj
04. Komparo kun aliaj rezultoj
05. Utilaj ligiloj
06. Postparolo

Mi provos klarigi la ĉefajn punktojn de la studo, inkluzive de terminoj, aparatoj, ktp. Krome, ĉe la fino de mia publikigo estos listo de ligiloj klakante sur kiuj vi povas legi pli.

Ne fidu al mia klarigo 100%. Kiel ĉiuj krom ĵurnalistoj, mi povas erari. Legu realan sciencan literaturon (Sekcio 05).

01. Tezoj

Originalaj eldonaj resumoj [l-1] (Senpaga aliro):

Mikro-kombiloj - optikaj frekvenckombiloj generitaj per integraj mikro-kavaj resonatoroj - ofertas la plenan potencialon de siaj grocaj ekvivalentoj, sed en integra piedsigno. Ili ebligis sukcesojn en multaj kampoj inkluzive de spektroskopio, mikroondfotoniko, frekvencsintezo, optika intervalo, kvantumaj fontoj, metrologio kaj ultraalta kapacito datumtranssendo. Ĉi tie, uzante potencan klason de mikrokombiloj nomataj solitonkristaloj, ni atingas ultra-altan transdonon de datumoj pli ol 75 km da norma optika fibro uzante ununuran integran pecetfonton. Ni montras liniorapidecon de 44.2 Terabitoj s−1 uzante la telekomunikan C-bendon je 1550 nm kun spektra efikeco de 10.4 bitoj s−1 Hz−1. Soliton-kristaloj elmontras fortikan kaj stabilan generacion kaj operacion same kiel altan internan efikecon kiuj, kune kun ekstreme malalta solitona mikro-kobilinterspacigo de 48.9 GHz ebligas la uzon de tre alta kohera datenmoduladformato (64 QAM - kvadratura amplitudo modulita) . Ĉi tiu laboro montras la kapablon de optikaj mikrokombiloj por plenumi en postulemaj kaj praktikaj optikaj komunikaj retoj.

Uzante integran optikan fonton, estis eble elsendi informojn super distanco de pli ol 75 km per norma optika fibro. En la sama tempo, "rapideco" de 44.2 terabits/s (Tb/s) estis atingita por la C-grupo (1 nm) kun spektra efikeco de 550 (b/s)/Hz. La distanco inter najbaraj solitonoj estis reduktita al 10.4 GHz.

La 75 km-testo estis farita uzante optikan fibron en la laboratorio. Krome, similaj "kampaj" testoj estis faritaj sur reala optika ligo (76.6 km) en Melburno, Aŭstralio.

Kion vi bezonas scii:

Mikro-kombilo
Per simplaj vortoj - optika (legu "lasero") fonto. Ĝia spektro konsistas el serio de diskretaj linioj kiuj estas egale interspacigitaj unu de la alia (tial la nomo kresto). Krome oni nomas ankaŭ la pulson de tia fonto mem. Se vi interesiĝas, vi povas legi la recenzon [l-2], kiu tuŝas la ĉefajn atingojn de tiu ĉi kampo (81 paĝoj, jes, ĉefaj atingoj, libera aliro). Vi povas legi ĝin mallonge en Vikipedio [n-1].

Optika solitono
Tio estas ununura optika pulso kiu povas disvastigi tra longdistancoj en nelinia medio sen ŝanĝado de sia formo. Ĝeneralaj informoj troveblas en la Vikipedio-artikolo [n-2].

Soliton-kristalo
Tio estas temp-ordigita ensemblo de solitonoj kiuj estas "poziciigitaj" periode pro la modulado de la kampo kiu generas ilin. Ĝi estas kristalo nur en tempo.

Kvadratura amplitudmodulado (QAM)
Ŝanĝante la fazon kaj amplitudon de la signalo, vi povas pliigi la kvanton de transdonitaj informoj. La fazo estas ŝanĝita de - kvarono de cirklo, do "kvadraturo". La numero 64 signifas la nombron da malsamaj kombinaĵoj kun ĉi tiu modulado. Vi povas legi iom pli en Vikipedio [n-3].

Eble ĉi tio sufiĉos nuntempe, kaj mi klarigos la ceterajn terminojn aŭ ne la plej evidentajn aferojn survoje.

02. Eksperimento

Fig. 1. Koncepto de datumtranssendo eksperimento uzanta solitonkristalojn [l-1].

a. Ilustraĵo de la stato de la "solitonkristalo" uzita en la eksperimento.
b. Foto de la blato uzata (5 x 9 mm, nur ĉ. areo okupita de la aparato kaj ondgvidiloj) + 2 AUD-monero (20.5 mm) por skalo. La enmetaĵo montras ringresonatoron. La misprezento videbla en la bildo estas pro la gluo, kiu tenas la optikan fibron en loko.
c. Eksperimenta dezajno. Kontinua Ondo (CW) [n-4]) lasero (1.8 W post amplifilo) pumpas ringresonatoron (48.9 GHz FSR [n-5]), generante mikro-kreston sur interagado kun solitonkristalo. La kresto estas egaligita (signifante ke la amplitudo estas egaligita ĉe malsamaj frekvencoj) kaj demultiplexed [n-6], kiu permesas ĝian plian moduladon. Poste, la signalo denove estas multipleksita, elsendita super optika fibro uzante EDFA (vidu malsupre) amplifilojn kaj ĉiu kanalo denove estas demultiplexed (tio estas la antonimo de signalmultiplexado).

En Fig. Xnumx mallongigoj:

ECL - edge-coupled laser - estas lasero ligita al optika fibro;
WSS - ondolongo-selektiva ŝaltilo - aparato kiu permesas selekteman ŝanĝadon de ondolongo [n-7];
Rx - ricevilo;
EDFA - Erbium Doped Fiber Amplifier - optika fibro-amplifilo dopita kun erbiojonoj [n-8].

Se surradiite per lasero (1 Nm, kontinua ondo), la mikro-kavaĵo generas solitonkristalon kun spektra larĝo de pli ol 550 Nm (kun periodo de proksimume 80 Nm). La mikro-kresto estas generita kiam la lasero estas aŭtomate alĝustigita al la dezirata valoro.

Fig. 2. Generacio de solitonkristalo. Por laserado, la lasero glate ĝustigas de la long-ondolonga rando de la resonanco al antaŭfiksita valoro [l-1].

a. Ĉefa kresto. Generite kiam lasera radiado estas en resonanco kun la ringo.
b. Spektro de la solitonkristalo uzita en la eksperimento. Tia "tranĉita" mikro-kresta spektro egalrilatas al ununura provizora difekto enkondukita en la ringon (kun la signifo vakantaĵo anstataŭe de unu el la krestlinioj). Ĉe antaŭdestinita frekvenco, solitonkristalo estas generita kun spektraj ecoj ĉirkaŭ la ĉefkrestlinioj. Tiamaniere, linioj estis atingitaj tra la tuta C-grupo de optika datumtranssendo.
c. Diferenco en intenseco de krestlinioj por 10 malsamaj generaciaj parametroj (simboloj de ĉiu tipo en Fig. reprezentas unu el 10 kazoj). Ĉar la intenseco kuŝas ene de ±0.9 dB de la komenca spektro, ni povas supozi ke la generacio de la bezonata solitonkristalo estas fidinda.

Soliton-kristaloj estis generitaj por 10 malsamaj ondolongoj de 1 ĝis 550.300 nm kaj estis montrite ke la postulata rezulto estis atingita por ĉiuj 1 varioj.

El la tuta mikro-kresto, 80 linioj estis elektitaj ene de la C-grupo (spektra fenestro 32 nm larĝa de 1 ĝis 536 nm, 1 THz). Tiuj grupoj estis spektre vicigitaj kaj tiam efike duobligitaj al 567 (ekvivalenta al la 3.95 GHz kresto). Duobligo estas necesa por optimumigi spektran efikecon (spektra utila ŝarĝo).

Teststrio (6 kanaloj) estis aldonita al la studata signalo. La tuta kresto estis modulita en 64 QAM-formato, kiu donas simboloftecon [n-9] je 23 gigabodoj [n-10], kiu permesis la uzon de 94% de la disponebla spektro.

Entute 2 eksperimentoj estis faritaj por transdoni informojn pli ol 75 km. En ambaŭ kazoj, unureĝima fibro estis uzita [n-11].

Eksperimento en la laboratorio.
Kampa testo uzante municipan reton kiu ligas la Melburnan kampuson de la Royal Melbourne University of Technology (Reĝa Melburna Universitato de Teknologio) kaj la Monash University Clayton-kampuson.

Fig. 3. Plurkanalaj spektroj kaj signaloj de solitonkristalo [l-1].

a. Frekvenca kresta spektro post egaligo, mezurita je 12.5 GHz-rezolucio por montri individuajn liniojn.
b. Laboratoriaj rezultoj por 75 km da fibro. Rezolucio 50 GHz. La enmetaĵo ilustras la testkanalon (150 MHz-rezolucio), montrante la parajn kaj neparajn sub-grupojn ĉeestantajn por ĉiu linio (la rezulto de la duobligo priskribita pli frue).
c. Kamporezultoj por 76.6 km da fibro. Rezolucio 50 GHz.
d. Signala konstelacio [n-12] por la 193.4 THz linio (1550.1 Nm) por du polarigoj (X kaj Y). "Dorsa-al-dorsa" (B2B) egalrilatas al rekte ligita dissendilo kaj ricevilo, "75 km en-laboratorio fibro" al laboratoriotesto (b) kaj "76.6 km kampfibro" al kampotesto (c).

En Fig. Xnumx mallongigoj:

BER - bit-erara indico - bita erara indico [n-13];
(de la grandeco de la erarvektoro [n-14]) — karakterizas la kvaliton de la signalo.

03. Rezultoj

Fig. 4. Bita erarofteco (BER), spektra efikeco kaj ĝeneraligitaj reciprokaj informoj (GMI) [n-15] en eksperimento [l-1].

a. BER por ĉiu krestlinio. Blua indikas la B2B-agordon, ruĝa indikas la laboratorian eksperimenton, kaj verda indikas la kampan eksperimenton. La strekita linio reprezentas 20% SD FEC bazitan sur LDPC-kodoj. La FEC-sojlo estas elektita en . Post transdono, oni supozas, ke ne estas eraroj en ĉiuj kanaloj.
b. GMI kaj spektra intenseco por ĉiu krestlinio. GMI estas kalkulita aparte por ĉiu linio post kiam ili estas normaligitaj, kiu enkalkulas la signal-al-bruo-proporcion de la ricevita mesaĝo. La linioj indikas 10% kaj 20% troajn datumojn (OH). Spektra efikeco (SE) estas kalkulita de GMI kaj la rilatumo de simbolofteco al krestinterspaco. Ĉar GMI supozas idealan signalon, ĝi montras pli grandan totalan informan kapablon kompare kun BER. En la sekvenco GMI (SE) por B2B, valoroj varias de 11.3 bps/simbolo (10.6 bps/simbolo/Hz) ĝis 10.9 bps/simbolo (10.3 bps/simbolo/Hz). Por fibro-transsendo en laboratoriokondiĉoj, la valoroj (po kanalo) variis de 11.0 bps/simbolo (10.4 bps/simbolo/Hz) ĝis 10.7 bps/simbolo (10.1 bps/simbolo/Hz). La samaj rezultoj estis akiritaj en kampaj provoj.

En Fig. Xnumx mallongigoj:

FEC - antaŭen eraro korekto - antaŭen eraro korekto [n-16];
SD FEC - mola decido FEC;
LDPC - malalt-denseca parity-check code - kodo kun malalt-densecaj egaleckontroloj [n-17].

La neta bitrapideco akirita en la eksperimentoj estas taksita je 44.2 Tb/s. Se konvertite al kodita bitrapideco (kun la aldono de redunda informo por transdono de datumoj), ĉi tiu valoro falas al 40.1 Tb/s (B2B agordo), 39.2 Tb/s (en la laboratorio) kaj 39.0 Tb/s (en la kampo) . Ĉi tio signifas spektrajn efikecojn de 10.4, 10.2 kaj 10.1 bps/Hz respektive.

Ĉi tiu rezulto estas preskaŭ 50% pli alta ol la rezultoj akiritaj per ununura integra aparato [l-3]. Samtempe, la spektra efikeco estas 3.7 fojojn pli alta.

04. Komparo kun aliaj rezultoj

Reta bitrateco
Kodita bitrapideco
Modulado
Spektra efikeco
Elsendo
Fonto

30.1 Tb/s
28.0 Tb/s
16QAM
2.8 b/s/Hz
75 km SMF en la laboratorio
[l-3]

4.8 Tb/s
4.4 Tb/s
64QAM
1.1 b/s/Hz
80 km SMF en la laboratorio
[l-4]

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

44.2 Tb/s
40.1 Tb/s
64QAM
10.4 b/s/Hz
B2B (0 km)
Ĉi tiu eldonaĵo

44.2 Tb/s
39.2 Tb/s
64QAM
10.2 b/s/Hz
75 km SMF en la laboratorio
Ĉi tiu eldonaĵo

44.2 Tb/s
39.0 Tb/s
64QAM
10.1 b/s/Hz
76.6 km SMF sur la ekzistanta municipa linio
Ĉi tiu eldonaĵo

Tablo 1. Komparo de rezultoj kun aliaj publikaĵoj.

05. Utilaj ligiloj

Sciencaj publikaĵoj

l-1. Ultra-densa optika datumtranssendo super norma fibro kun ununura peceta fonto (Malferma Aliro)
l-2. Mikro-kombiloj: nova generacio de optikaj fontoj (Malferma Aliro)
l-3 Mikroresonator-bazitaj solitonoj por masive paralelaj koheraj optikaj komunikadoj
l-4. Altnivelaj koheraj komunikadoj uzante reĝim-ŝlositajn malhel-pulsajn Kerr-kombilojn de mikroresonatoroj (Malferma Aliro)
l-5. Mikroresonator-frekvenca kombilo optika horloĝo (Malferma Aliro)

Povas esti utila (Vikipedio)

n-1. Frekvenca kombilo
n-2. Soliton (optiko)
n-3. Kvadratura amplitudmodulado (QAM)
n-4. Kontinua ondo (Cw)
n-5. Libera spektra intervalo (FSR)
n-6. Multiplexación
n-7. Ondolonga selektema ŝanĝado (WSS)
n-8. Dopitaj fibro-amplifiloj (DFA, EDFA)
n-9. Simbolo indico
n-10. baud
n-11. Unudirekta optika fibro (SMF)
n-12. Konstelacia diagramo
n-13. Bita erarofteco (BER)
n-14. Erara vektora grando
n-15. Multvaria reciproka informo (MMI, GMI)
n-16. Antaŭen korekton de eraro (FEC)
n-17. Malalt-denseca egaleckontrola kodo (LDPC)

Mi ankaŭ rekomendas vidi ligilojn al aliaj robotoj en ĉi tiu areo uzataj en la publikigo [l-1].

06. Postparolo

Atingi transdonon de datumoj de 44.2 Tb/s (eĉ se praktike ĝi estas 39.0 Tb/s) estas impona atingo de moderna scienco.

Kaj kvankam ni verŝajne ne povos uzi ĝin en la vivo baldaŭ, la kapablo transdoni datumojn altrapide estas unu el la malmultaj fakoj de scienco, kiu ne levas demandojn inter ordinaraj homoj: "kial vi faras ĉi tion?" aŭ "kiel ni povas apliki ĉi tion en niaj vivoj?"

Mi esperas, ke vi trovis ĝin interesa. Dankon pro via atento!

PS Se vi trovas erarojn aŭ erarojn en la teksto, bonvolu sciigi min. Ĉi tio povas esti farita elektante parton de la teksto kaj premante "Ctrl / ⌘ + Enigu" se vi havas Ctrl / ⌘, aŭ per privataj mesaĝoj. Se ambaŭ opcioj ne disponeblas, skribu pri la eraroj en la komentoj. Dankon!
PPS Mi dankus, se vi prenus pliajn 60 sekundojn por respondi la 2 mallongajn enketojn sube. Dankon!

Nur registritaj uzantoj povas partopreni la enketon. Ensaluti, bonvolu.