🥇44.2 Tb/s kiudoptilises võrgus — kuidas see töötab?

22. mai 2020 ilmus ajakirjas Nature Communications artikkel Austraalia, Hiina ja Kanada teadlaste poolt, mille pealkirjaks on "Ultra-dense optical data transmission over standard fibre with a single chip source".

loomulikult ei sobinud selline pealkiri laiale publikule, seetõttu kajastasid uudised 44,2 Tbit/s — tulemust, mille saavutamine õnnestus (mõned ei viitsinud lugeda ja pealkirjades ilmusid Tbit/s, kuid õige näit on terabitti/s). Vaatame koos, kuidas nad seda saavutasid ja millest teadlased tegelikult kirjutasid.

Alustame!

Sisukord

01. Teesid
02. Eksperiment
03. Tulemused
04. Võrdlus teiste tulemustega
05. Kasulikud lingid
06. Järelsõna

Püüan selgitada uuringu peamisi punkte, sealhulgas termineid, seadmeid jne. Lisaks on minu postituse lõpus linkide nimekiri, mille kaudu saate lugeda rohkem.

Ärge usaldage minu selgitusi 100%. Nagu kõik teised peale ajakirjanike, võin ka mina eksida. Lugeda võiks tõelist teaduslikku kirjandust (Jagunemine 05).

01. Teesid

Avaliku arutelu algsed teesid [l-1] (avatud juurdepääs):

Mikro-comb'id –integreeritud mikro-cavity resonaatoreid genereeritud optilised sageduskombid - pakuvad täielikku potentsiaali oma mahukate kolleegide kõrval, kuid integreeritud jalgpalli sees. Nad on võimaldanud läbimurdeid paljudes valdkondades, sealhulgas spektroskoopias, mikrolainefotonikas, sageduse sünteesis, optilises ulatuses, kvantaallikates, metrology ja ülisuure mahutavusega andmeedastuses. Siin, kasutades võimeka mikro-comb'i klassi nimega soliton-kristallid, saavutame ülimalt kõrge andmeedastuse üle 75 km tavalises optilises kiudis, kasutades ainsat integreeritud kiibi allikat. Näitame 44,2 Terabit/s edastuskiirus, kasutades telekommunikatsioonide C-riba 1550 nm juures koos spektraalse efektiivsusega 10,4 b/s/Hz. Soliton-kristallid näitavad robustset ja stabiilset genereerimist ja toimimist ning samuti kõrget sisemist efektiivsust, mis koos äärmiselt vähese soliton-kombineerimise vahemaa 48,9 GHz abil võimaldab kasutada väga kõrget koherentset andmete modifikatsiooni vormi (64 QAM - ristinimi amplituudmodulatsioon). See töö näitab optiliste mikro-combide suutlikkust jaotada nõudlikes ja praktilistes optilistes kommunikatsioonivõrkudes.

Kasutades integreeritud optilist allikat, õnnestus edastada teavet kandidaatide kaudu tavalises optilises kiudis üle 75 km. Selle käigus saavutati „kiirus” 44,2 terabitti/s (Tbit/s) C-ribas (1550 nm) spektraalse efektiivsusega 10,4 (b/s)/Hz. Naaberkristallide vahemaa suudeti vähendada 48,9 GHz.

75 km ulatuses viidi test läbi laboris asuvas optilises kiudis. Lisaks viidi läbi sarnased "välitestid" tõelises optilises liinil (76,6 km) Melbourne'is, Austraalias.

Mida on vaja teada:

Mikro-hari (micro-comb)
Lihtsalt öeldes on see optiline (loe "laser") allikas. Selle spekter koosneb mitmest diskreetsetest joonest, mis asuvad üksteisest võrdses kauguses (seetõttu nimetatakseki seda harjaks). Samuti nimetatakse sellega seonduvat impulssi. Kui teid huvitab, võite lugeda ülevaadet [l-2], mis käsitleb selle valdkonna peamisi saavutusi (81 lehekülge, jah, peamised saavutused, tasuta juurdepääs). Lühidalt võib lugeda ka Vikipeediast [n-1].

Optiline soliton
See on ainulaadne optiline impuls, mis suudab levida mitte-lineaarses keskkonnas pikki vahemaid oma kuju muutmata. Üldteavet saab lugeda Vikipeediast [n-2].

Solitoni kristall (soliton crystal)
See on ajaliselt korrastatud solitonite ansambel, mis on "paigutatud" perioodiliselt tänu neid genereeriva välja modulaatorile. See on ainult ajas kristall.

Kvadratuuramplituudimodulatsioon (QAM)
Signaali faasi ja amplituudi muutmise abil on võimalik suurendada edastatava teabe hulka. Faas nihutatakse — veerand ringi, seetõttu nimetatakse seda "kvadratuurseks". Number 64 tähistab erinevate kombinatsioonide arvu selle modulatsiooni puhul. Veidi üksikasjalikumalt saab lugeda Vikipeediast [n-3].

Võib-olla on selleks piisavalt, ja ülejäänud terminid või mitte kõige ilmsemad asjad selgitan jooksvalt.

02. Eksperiment

Uuendused CRI-O ja CoreOS-i jaoks. Katselise andmete edastamise kontseptsioon solitoni kristallide kaudu [l-1].

a. Illustratsioon "solitoni kristalli" olekust, mida kasutatakse eksperimendis.
b. Pilt kasutatavast kiibist (5 x 9 mm, vaid umbes ala, mis on seadme ja lainejuhtide poolt hõivatud) + 2 AUD münt (20,5 mm) skaala jaoks. Sissejuhatus näitab rõngasresonaatorit. Pildil nähtav moonutus on seotud liimiga, mis kinnitab kiudaineid.
c. Eksperimenti skeem. Jätkuvalt kiirgav (CW [n-4]) laser (1,8 W pärast võimendit) pumpab rõngasresonaatorit (48,9 GHz FSR [n-5]), genereerides mikro-hari, kui see puutub kokku solitoni kristalliga. Hari joondatakse (see tähendab erinevatel sagedustel amplituudi joondamine) ja demultiplexitakse [n-6], mis võimaldab edasist modulatsiooni. Seejärel tihendatakse signaal taas, edastatakse optilise kiudmaterjali kaudu kasutades EDFA (vt allpool) võimendi ja iga kanal demultiplexitakse uuesti (see on signaali tihendamise vastand).

Pealehe Joon. 1 lühendid:

ECL — serva ühendatud laser — on laser, mis on ühendatud optilise kiudmaterjaliga;
WSS — lainepikkusele selektiivne lüliti — seade, mis võimaldab lainepikkuse selektiivset lülitamist [n-7];
Rx — vastuvõtja;
EDFA — Erbiummooduliga kiudvõimendi — optiline kiudvõimendi, mis on dopingitud erbiumi ioonidega [n-8].

Laserist (1 550 nm, pidev) eraldumise korral genereerib mikro-resonator solitoni kristalli spektraalse laiusena üle 80 nm (umbes 0,4 nm perioodiga). Mikro-hari genereeritakse, kui laser on automaatselt seadistatud vajalikule väärtusele.

Joon. 2. Solitoni kristalli genereerimine. Generatsiooni jaoks kohandatakse laser sujuvalt resonantsi pikemalt äärelt eelmääratud väärtusele [l-1].

a. Põhihari. Genereeritakse, kui laseri kiirgus on kooskõlas rõngaga.
b. Eksperimendis kasutatud solitoni kristalli spekter. Selline "lühendatud" spekter mikro-harjast vastab ühele ajalisemale defektile, mis on rõngas (mille alla jääb tühimik ühe harja joone asemel). Eelmääratud sagedusel genereeritakse solitoni kristall, millel on spektraalsed omadused põhiharju ümber. Nii saavutati järjendi kogu C-bandes optiliste andmete edastamiseks.
c. Hari intensiivsuse erinevus 10 erineva genereerimisparameetri jaoks (iga tüübi sümbolid Joone pealt esindavad ühte 10 juhtumist). Kuna intensiivsus jääb ± 0.9 dB algse spektriga, võib pidada, et nõutud solitoni kristalli genereerimine on usaldusväärne.

Solitoni kristalle genereeriti 10 erineva lainepikkuse jaoks vahemikus 1 550.300 kuni 1 550.527 nm ja on näidatud, et soovitud tulemus saavutatakse kõigi 10 variatsiooni puhul.

Kogu mikro-harjast valiti 80 rida C-bandis (spektriaken laius 32 nm vahemikus 1 536 kuni 1 567 nm, 3.95 THz). Need ribad spektraalselt joondati ja seejärel tõhusalt kahekordistati 160-ni (mis vastab 24.5 GHz harjale). Kahekordistamine on vajalik spektraalse efektiivsuse (spektri kasuliku teabe) optimeerimiseks.

Uuritud signaalile lisati testiribad (6 kanalit). Kogu harja moduleeriti formaadis 64 QAM, mis annab sümbolikiirus [n-9] 23 gigabitti [n-10], mis võimaldas kasutada 94% saadavast spektrist.

Kokku viidi läbi 2 katset teabe edastamiseks 75 km. Mõlemal juhul kasutati ühekordset kiudoptilist kaablit [n-11].

Eksperiment laboris.
Välitestid, kasutades munitsipaali võrgustikku, mis ühendab Melbourne'i kampuse Melbourne'i kuninglikus tehnoloogiainstituudis ja Monashi ülikooli kampuse Claytonis.

Joonis 3. Mitmekanalilised spektrid ja solitoni kristalli signaalid [l-1].

a. Frekventspektri harja võrdlemine pärast tasakaalustamist, mõõdetud lahutusega 12.5 GHz, et näidata eraldi jooni.
b. Laboratoorsed tulemused 75 km kiudoptilisel kaabel. Lahutusega 50 GHz. Diagramm illustreerib testikanalit (lahutus 150 MHz), näidates iga joone jaoks olemasolevaid paarisarvulisi ja paaritud alaliine (tulemus kahekordistumisest, nagu varem kirjeldatud).
c. Välitulemused 76.6 km kiudoptilisel kaabel. Lahutusega 50 GHz.
d. Signaalkonstellatsioon [n-12] 193.4 THz (1550.1 nm) joone jaoks kahe polariseerimise (X ja Y) kohta. "Back-to-back" (B2B) vastab vahetult ühendatud edastajale ja vastuvõtjale, "75 km in-lab fibre" – laborikatsele (b) ja "76.6 km field fibre" – väliskatses (c).

Pealehe Joonis 3 lühendid:

BER - bitiga seotud vigade määr [n-13];
(vea vektori väärtusest [n-14]) kirjeldab signaali kvaliteeti.

03. Tulemused

Joonis 4. Bitiga seotud vigade määr (BER), spektraalne efektiivsus ja üldine vastastikune teave (GMI) [n-15] katsetes [l-1].

a. BER igas järjes. Sinisega on tähistatud B2B konfiguratsioon, punasega - laborikatse, rohelisega - välikatse. Katkine joon tähistab 20% SD FEC, mis põhineb LDPC koodidel. FEC piir valitakse . Pärast edastamist loetakse, et vigade esinemine kõikides kanalites puudub.
b. GMI ja spektraalne intensiivsus iga piiri kohta. GMI arvutatakse eraldi iga piiri jaoks pärast nende normaliseerimist, mis arvestab saadud signaali müraga. Piirid näitavad 10% ja 20% üleliigsetest andmetest (OH). Spektraalne efektiivsus (SE) arvutatakse GMI ja sümbolikihi suhte ning harude vahemaa põhjal. Kuna GMI eeldab ideaalset signaali, näitab see suuremat teabe kogumahtu võrreldes BER-iga. GMI järjestuses (SE) B2B jaoks väärtused varieeruvad 11.3 b/sümbol (10.6 b/sümbol/Hz) kuni 10.9 b/sümbol (10.3 b/sümbol/Hz). Kiudoptiliste edastuskatsete tulemused laboritingimustes olid (kanali jaoks) vahemikus 11.0 b/sümbol (10.4 b/sümbol/Hz) kuni 10.7 b/sümbol (10.1 b/sümbol/Hz). Samad tulemused saadi ka välitestides.

Pealehe Joon. 4 lühendid:

FEC — edasine veakontroll — otsekohane veakontroll [n-16];
SD FEC — pehme otsuse FEC;
LDPC — madala tihedusega pariteetkontrolli kood — madala pariteeti kontrollimise tihedusega kood [n-17].

Eksperimentides mõõdetud puhas bitikiirus oli 44.2 Tb/s. Kui arvutada kodeeritud bitikiirus (lisades edastamiseks ülemäärased andmed), langeb see väärtus 40.1 Tb/s-le (B2B konfiguratsioon), 39.2 Tb/s (laboris) ja 39.0 Tb/s ("väljas"). See tähendab spektraalset efektiivsust 10.4, 10.2 ja 10.1 b/s/Hz vastavalt.

See tulemus ületab peaaegu 50% võrreldes tulemusega, mis saadi ühe integreeritud seadme kasutamisel [l-3]. Sellega seoses on spektraalne efektiivsus 3.7 korda kõrgem.

04. Võrdlus teiste tulemustega

Puhas bitikiirus
Kodeeritud bitikiirus
Modulatsioon
Spektraalne efektiivsus
Ülekandmine
Allikas

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

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

25.6 Tb/s
22.0 Tb/s
16 QAM
3.2 b/s/Hz
9.6 km, 30-juhtmeline kiudoptiline kaabel
[l-5]

44.2 Tb/s
40.1 Tb/s
64 QAM
10.4 b/s/Hz
B2B (0 km)
See publikatsioon

44.2 Tb/s
39.2 Tb/s
64 QAM
10.2 b/s/Hz
75 km SMF laboris
See publikatsioon

44.2 Tb/s
39.0 Tb/s
64 QAM
10.1 b/s/Hz
76.6 km SMF aktiivsel linnaliinil
See publikatsioon

Tabel. 1. Tulemuste võrdlemine teiste publikatsioonidega.

05. Kasulikud lingid

Teaduspublikatsioonid

l-1. Ultra-tihe optiline andmeedastus tavalises kiudoptilises kaablis ühe kiibi allikaga (OpenAccess)
l-2. Mikrokombid: uus optiliste allikate põlvkond (OpenAccess)
l-3 Mikroresonaatorite põhised solitoonid masiivseks paralleelseks koherentseks optiliseks kommunikatsiooniks
l-4. Kõrge järgu koherentne kommunikatsioon, kasutades mikroselgedest resonantide pimedate pulsside Kerr kombosid (OpenAccess)
l-5. Mikroresonaatori sageduste comb optiline kell (OpenAccess)

Võib olla kasulik (Wikipeedia)

n-1. Sageduste comb
n-2. Soliton (optika)
n-3. Kvadratuuramplituudmodulatsioon (QAM)
n-4. Pideva laine (CW)
n-5. Tasane spektraalne vahemik (FSR)
n-6. Multipleximine
n-7. Lainete selektiivne vahetus (WSS)
n-8. Dopitud kiufer versterid (DFA, EDFA)
n-9. Sümbolimäär
n-10. Baud
n-11. Ühesuunaline optiline kiud (SMF)
n-12. Konstellatsioonidiagramm
n-13. Biti viga määr (BER)
n-14. Veavektori suurus
n-15. Mitme lõikesumma teave (MMI, GMI)
n-16. Eesmine veakorrektsioon (FEC)
n-17. Madala tihedusega pariteetkontrolli kood (LDPC)

Soovitan samuti vaadata lingid muude valdkonna tööde juurde, mis on publikatsioonis kasutatud [l-1].

06. Järelsõna

Andmeedastuskiirus 44.2 Tb/s (kuigi praktikas on see 39.0 Tb/s) on tänapäeva teaduse muljetavaldav saavutamine.

Ja isegi kui me ei saa seda varsti ellu rakendada, on võimalus edastada andmeid kõrge kiirusel üks väheseid teaduse valdkondi, mis ei tekita tavalistes inimestes küsimusi "miks te seda teete?" või "kuidas see meie elus rakenduda?".

Loodan, et see oli huvitav. Aitäh tähelepanu eest!

P.S. Kui leiate tekstis trükivigu või vigu, andke palun mulle teada. Seda saab teha valides tekstiosakese ja vajutades "Ctrl / ⌘ + Enter", kui teil on Ctrl / ⌘, või läbi isiklikud sõnumid. Kui mõlemad valikud pole saadaval, kirjutage vigadest kommentaarides. Aitäh!
P.P.S. Oleksin tänulik, kui kulutate veel 60 sekundit ja vastaksite allolevale kahele lühikesele küsitlusele. Aitäh!

Ainult registreeritud kasutajad saavad küsitluses osaleda. Logige sisse, palun.