🥇¿Cómo funciona 44.2 Tb/s a través de fibra óptica?

El 22 de mayo de 2020, se publicó un artículo en Nature Communications por parte de científicos de instituciones de investigación y académicas de Australia, China y Canadá, titulado "Transmisión de datos ópticos ultra-densa sobre fibra estándar con una fuente de chip único".

Por supuesto, un título así no era adecuado para una audiencia amplia, por lo que en las noticias se informó sobre 44.2 Tb/s, el resultado que se logró (algunos no leyeron hasta el final y en los titulares aparecieron Tb/s, aunque el valor correcto es terabits/s). Vamos a desglosar cómo lo hicieron realmente y de qué trataron los investigadores.

¡Empecemos!

Tabla de contenido

01. Resúmenes
02. Experimento
03. Resultados
04. Comparación con otros resultados
05. Enlaces útiles
06. Epílogo

Intentaré explicar los puntos clave del estudio, incluidos los términos, dispositivos, etc. Además, al final de mi publicación habrá una lista de enlaces donde puedes leer más.

No confíes al 100% en mi explicación. Al igual que todos, salvo los periodistas, puedo cometer errores. Lee la literatura científica real (Sección 05).

01. Resúmenes

Resúmenes originales de la publicación [l-1] (acceso abierto):

Los micro-combs, que son peines de frecuencia óptica generados por resonadores de micro-cavidad integrados, ofrecen el mismo potencial que sus homólogos voluminosos, pero en un formato integrado. Han permitido avances en muchos campos, incluida la espectroscopía, la fotónica de microondas, la síntesis de frecuencias, la medición óptica, las fuentes cuánticas, la metrología y la transmisión de datos de ultracapacidad. Aquí, utilizando una potente clase de micro-comb llamada cristales de solitón, logramos una transmisión de datos ultra-alta a más de 75 km de fibra óptica estándar mediante una única fuente de chip integrada. Demostramos una tasa de línea de 44.2 Terabits s−1 utilizando la banda C de telecomunicaciones a 1550 nm con una eficiencia espectral de 10.4 bits s−1 Hz−1. Los cristales de solitón exhiben generación y operación robustas y estables, así como una alta eficiencia intrínseca que, junto con un espaciamiento de micro-comb de solitón extremadamente bajo de 48.9 GHz, permite el uso de un formato de modulación de datos coherente muy alta (64 QAM — modulación de amplitud en cuadratura). Este trabajo demuestra la capacidad de los micro-combs ópticos para funcionar en redes de comunicaciones ópticas exigentes y prácticas.

Utilizando una fuente óptica integrada, se logró transmitir información a través de fibra óptica estándar a una distancia de más de 75 km. Se alcanzó una "velocidad" de 44.2 terabits/s (Tb/s) para la banda C (1550 nm) con una eficiencia espectral de 10.4 (b/s)/Hz. La distancia entre solitones adyacentes se redujo a 48.9 GHz.

La prueba a 75 km se realizó utilizando fibra óptica en un laboratorio. Además, se llevaron a cabo pruebas "de campo" similares en una línea óptica real (76.6 km) en Melbourne, Australia.

Lo que necesitas saber:

Micro-peina (micro-comb)
En términos simples, es una fuente óptica (léase "láser") cuyo espectro consiste en una serie de líneas discretas que están equidistantes entre sí (de ahí su nombre de peina). Además, también se denomina así al propio impulso de dicha fuente. Si tienes curiosidad, puedes leer la revisión [l-2], que toca los logros principales en este campo (página 81, sí, logros principales, acceso gratuito). Puedes leer un resumen en Wikipedia [n-1].

Solitón óptico
Es un impulso óptico singular que puede propagarse en un medio no lineal a grandes distancias sin cambiar su forma. Puedes obtener información general de un artículo en Wikipedia [n-2].

Cristal solitón (soliton crystal)
Es un conjunto ordenado en el tiempo de solitones que están "dispuestos" periódicamente gracias a la modulación del campo que los genera. Solo es un cristal en el tiempo.

Modulación de amplitud en cuadratura (QAM)
Al cambiar la fase y la amplitud de la señal, se puede aumentar la cantidad de información transmitida. La fase se desplaza — un cuarto de círculo, de ahí el término "cuadratura". El número 64 indica la cantidad de combinaciones diferentes en dicha modulación. Puedes leer un poco más en Wikipedia [n-3].

Probablemente, esto será suficiente por ahora, y explicaré los otros términos o conceptos menos obvios a medida que avanzamos.

02. Experimento

el proyecto fue renombrado a CRI-O. Concepto del experimento de transmisión de datos usando cristales solitón [l-1].

a. Ilustración del estado del "cristal solitón" usado en el experimento.
b. Foto del chip utilizado (5 x 9 mm, solo alrededor de área ocupada por el dispositivo y los guías de onda) + moneda de 2 AUD (20.5 mm) para escala. La inserción muestra el resonador anular. La distorsión visible en la imagen se debe al pegamento que fija la fibra óptica.
c. Diagrama del experimento. Un láser emisor continuo (CW [n-4]) (1.8 W después del amplificador) bombea un resonador de anillo (48.9 GHz FSR [n-5]), generando la micro-peina al interactuar con el cristal solitón. La peina se alinea (se refiere a la alineación de la amplitud a diferentes frecuencias) y se demultiplexa [n-6], lo que permite su posterior modulación. Luego, la señal se vuelve a compactar, se transmite a través de fibra óptica utilizando amplificadores EDFA (véase más abajo) y cada canal se desmultiplexa nuevamente (esto es un antónimo de la compactación de la señal).

En Fig. 1 abreviaturas:

ECL — láser acoplado por bordes — es un láser conectado a fibra óptica;
WSS — conmutador selectivo de longitud de onda — dispositivo que permite la conmutación selectiva de longitud de onda [n-7];
Rx — receptor;
EDFA — Amplificador de fibra dopada con erbio — amplificador de fibra óptica dopado con iones de erbio [n-8].

Al emitir el láser (1 550 nm, continuo), el micro-resonador genera un cristal solitónico con un ancho espectral superior a 80 nm (con un período de aproximadamente 0.4 nm). El micro-cresta se genera al ajustar automáticamente el láser a su valor deseado.

Fig. 2. Generación del cristal solitónico. Para la generación, el láser se ajusta suavemente desde el borde de longitud de onda larga de la resonancia a un valor predeterminado [l-1].

a. Cresta principal. Se genera cuando la emisión del láser está en resonancia con el anillo.
b. Espectro del cristal solitónico utilizado en el experimento. Este espectro "recortado" de la micro-cresta corresponde a un defecto temporal único, introducido en el anillo (se refiere a una vacante en lugar de una de las líneas de la cresta). A una frecuencia predeterminada, se genera un cristal solitónico con características espectrales alrededor de las líneas de la cresta principal. Así se lograron líneas a lo largo de la banda C de transmisión óptica de datos.
c. Diferencia en la intensidad de las líneas de cresta para 10 diferentes parámetros de generación (los símbolos de cada tipo en la Fig. representan uno de los 10 casos). Dado que la intensidad se encuentra dentro de ± 0.9 dB del espectro inicial, se puede considerar que la generación del cristal solitónico requerido es confiable.

Se generaron cristales solitónicos para 10 longitudes de onda diferentes de 1 550.300 a 1 550.527 nm y se mostró que se alcanza el resultado requerido para todas las 10 variaciones.

De toda la micro-cresta se seleccionaron 80 líneas dentro de la banda C (ventana espectral de 32 nm de 1 536 a 1 567 nm, 3.95 THz). Estas bandas se alinearon espectralmente y se doblaron de manera efectiva a 160 (lo que equivale a una cresta de 24.5 GHz). El doblado es necesario para optimizar la eficiencia espectral (información útil espectral).

Se añadió una banda de prueba (6 canales) a la señal estudiada. Todo el pico se moduló en formato 64 QAM, lo que da una velocidad simbólica [n-9] de 23 gigabits [n-10], lo que permitió utilizar el 94% del espectro disponible.

Se realizaron un total de 2 experimentos de transmisión de información a 75 km. En ambos casos se utilizó fibra óptica monomodo [n-11].

Experimento en laboratorio.
Pruebas de campo utilizando la red municipal que conecta el campus de Melbourne del Real Instituto de Tecnología de Melbourne y el campus de la Universidad Monash en Clayton.

Fig. 3. Espectros multicanal y señales del cristal solitón [l-1].

a. Espectro del pico de frecuencia después de la alineación, medido con una resolución de 12.5 GHz, para mostrar líneas individuales.
b. Resultados de laboratorio para 75 km de fibra óptica. Resolución de 50 GHz. La inserción ilustra el canal de prueba (resolución de 150 MHz), mostrando sub-bandas pares e impares presentes para cada línea (resultado de la duplicación que se describió anteriormente).
c. Resultados de campo para 76.6 km de fibra óptica. Resolución de 50 GHz.
d. Constelación de señal [n-12] para la línea de 193.4 THz (1550.1 nm) para dos polarizaciones (X e Y). "Back-to-back" (B2B) se refiere a un transmisor y receptor conectados directamente, "75 km in-lab fibre" se refiere a la prueba de laboratorio (b) y "76.6 km field fibre" a la prueba de campo (c).

En Fig. 3 abreviaturas:

BER — tasa de error de bits [n-13];
(de la magnitud del vector de error [n-14]) — caracteriza la calidad de la señal.

03. Resultados

Fig. 4. Tasa de error de bits (BER), eficiencia espectral e información mutua generalizada (GMI) [n-15] en el experimento [l-1].

a. BER para cada línea de pico. La configuración B2B está marcada en azul, el experimento de laboratorio en rojo, y el experimento de campo en verde. La línea de trazos indica el 20% de SD FEC, basado en códigos LDPC. El umbral de FEC se seleccionó en . Después de la transmisión, se considera que no hay errores en ninguno de los canales.
b. El GMI y la intensidad espectral para cada línea de cresta. El GMI se calcula por separado para cada línea después de su normalización, lo que permite tener en cuenta la relación señal-ruido del mensaje recibido. Las líneas muestran un 10% y un 20% de datos redundantes (OH). La eficiencia espectral (SE) se calcula a partir del GMI y la relación entre la velocidad de símbolo y la distancia entre crestas. Dado que el GMI asume una señal ideal, muestra una mayor capacidad total de información en comparación con el BER. En la secuencia de GMI (SE) para B2B, los valores varían de 11.3 b/símbolo (10.6 b/símbolo/Hz) a 10.9 b/símbolo (10.3 b/símbolo/Hz). Para la transmisión por fibra óptica en condiciones de laboratorio, los valores (para el canal) estaban entre 11.0 b/símbolo (10.4 b/símbolo/Hz) y 10.7 b/símbolo (10.1 b/símbolo/Hz). Se obtuvieron resultados similares en pruebas de campo.

En Fig. 4 abreviaturas:

FEC — corrección de errores hacia adelante [n-16];
SD FEC — FEC de decisión suave;
LDPC — código de verificación de paridad de baja densidad [n-17].

La tasa de bits neta, obtenida en los experimentos, se estima en 44.2 Tb/s. Al convertir a tasa de bits codificada (agregando información redundante para la transmisión de datos), este valor cae a 40.1 Tb/s (configuración B2B), 39.2 Tb/s (en laboratorio) y 39.0 Tb/s ("en el campo"). Esto significa una eficiencia espectral de 10.4, 10.2 y 10.1 b/s/Hz respectivamente.

Este resultado supera en casi un 50% los resultados obtenidos al utilizar un único dispositivo integrado [l-3]. Además, la eficiencia espectral es 3.7 veces mayor.

04. Comparación con otros resultados

Tasa de bits neta
Tasa de bits codificada
Modulación
Eficiencia espectral
Transferencia
Fuente

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

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

25.6 Tb/s
22.0 Tb/s
16 QAM
3.2 b/s/Hz
9.6 km, fibra óptica de 30 hilos
[l-5]

44.2 Tb/s
40.1 Tb/s
64 QAM
10.4 b/s/Hz
B2B (0 km)
Esta publicación

44.2 Tb/s
39.2 Tb/s
64 QAM
10.2 b/s/Hz
75 km SMF en laboratorio
Esta publicación

44.2 Tb/s
39.0 Tb/s
64 QAM
10.1 b/s/Hz
76.6 km SMF en una línea municipal activa
Esta publicación

Tabla 1. Comparación de resultados con otras publicaciones.

05. Enlaces útiles

Publicaciones científicas

l-1. Transmisión de datos ópticos ultra-densos sobre fibra estándar con una fuente de chip único (Acceso abierto)
l-2. Microrredes: Una nueva generación de fuentes ópticas (Acceso abierto)
l-3 Solitones basados en microrreactores para comunicaciones ópticas coherentes masivamente paralelas
l-4. Comunicaciones coherentes de orden superior utilizando combinaciones de pulsos oscuros bloqueados por modo de microrreactores (Acceso abierto)
l-5. Reloj óptico de comb de frecuencia de microrreactor (Acceso abierto)

Puede ser útil (Wikipedia)

n-1. Comb de frecuencia
n-2. Solitón (óptica)
n-3. Modulación por amplitud en cuadratura (QAM)
n-4. Onda continua (CW)
n-5. Rango espectral libre (FSR)
n-6. Multiplexión
n-7. Conmutación selectiva de longitud de onda (WSS)
n-8. Amplificadores de fibra dopada (DFA, EDFA)
n-9. Tasa de símbolo
n-10. Baud
n-11. Fibra óptica monomodo (SMF)
n-12. Diagrama de constelación
n-13. Tasa de error de bits (BER)
n-14. Magnitud del vector de error
n-15. Información mutua multivariada (MMI, GMI)
n-16. Corrección de errores hacia adelante (FEC)
n-17. Código de control de paridad de baja densidad (LDPC)

También recomiendo revisar los enlaces a otros trabajos en este campo utilizados en la publicación [l-1].

06. Epílogo

Alcanzar una velocidad de transmisión de 44.2 Tb/s (incluso si en práctica es 39.0 Tb/s) es un logro impresionante de la ciencia moderna.

Y aunque es poco probable que lo usemos en la vida cotidiana pronto, la posibilidad de transmitir datos a alta velocidad es una de las pocas áreas de la ciencia que no suscita preguntas como '¿por qué hacen esto?' o '¿cómo se aplica en nuestra vida?' entre el público general.

Espero que haya sido interesante. ¡Gracias por su atención!

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