🥇44,2 Tb/s kiudoptiliselt — kuidas see töötab?

22. mai 2020 ilmus ajakirjas Nature Communications Austraalia, Hiina ja Kanada teadlaste esitatud artikkel pealkirjaga "Ultra-tihedad optilised andmeedastused tavalisel kiudoptilisel kaabel ning ühes kiibiallikas."

Muidugi ei sobinud selline pealkiri laiemale publikule, seetõttu kajastati uudistes 44.2 Tb/s – tulemust, mille saavutamisele nad jõudsid (mõned ei lugenud lõpuni ja pealkirjades tõid nad välja TB/s, kuid õige väärtus on terabitti/s). Vaatame koos, kuidas nad seda tegid ja millest teadlased tegelikult kirjutasid.

Alustame!

Sisukord

01. Kokkuvõtted
02. Eksperimenteerimine
03. Tulemused
04. Võrdlus teiste tulemustega
05. Kasulikud lingid
06. Järelsõna

Püüan selgitada uurimistöö võtmeelemente, sealhulgas termineid, seadmeid ja nii edasi. Lisaks on minu avalduse lõpus loetelu linkidest, mille kaudu saate rohkem lugeda.

Ärge usaldage minu seletust 100%. Nagu kõik, välja arvatud ajakirjanikud, võin ma eksida. Loe tõelisi teaduslikke publikatsioone (Jaotis 05).

01. Kokkuvõtted

Originaalsed publikatsioonikokkuvõtted [l-1] (vaba ligipääs):

Mikrokammid – optilised sageduskommide, mis on genereeritud integreeritud mikro-õõnsuse resonaatoreid, pakuvad täielikku potentsiaali oma massiivsetest kolleegidest, kuid integreeritud jalajäljes. Need on võimaldanud läbimurdeid paljudes valdkondades, sealhulgas spektroskoopias, mikrovahelduses, sageduse sünteesimises, optilises kauguse mõõtmises, kvantaallähteallikates, metroloogias ja üliväikese mahutavusega andmeedastuses. Siin, kasutades võimsat mikrokäikude klassi, mida nimetatakse solitonikristallideks, saavutame üliväikese andmeedastuse üle 75 km tavalises optilises kiudseoses, kasutades ühte integreeritud kiibi allikat. Demonstreerime 44,2 terabitti s−1 liinirakendust telekommunikatsiooni C-bändis 1550 nm juures, mille spektriline efektiivsus on 10,4 bitti s−1 Hz−1. Solitonikristallid näitavad tugevat ja stabiilset genereerimist ning toimimist, samuti kõrget pärilikku efektiivsust, mis koos äärmiselt madala solitoni mikrokäikude kaugusega 48,9 GHz võimaldab kasutada väga kõrget koherentset andmevormingu formaati (64 QAM — kvadratuuramplituudiga moduleerimine). See töö näitab optiliste mikrokammide võimet tegutseda nõudlikes ja praktilistes optiliste kommunikatsioonivõrkudes.

Kasutades integreeritud optilist allikat, on õnnestunud tavalise optiliste kiudude kaudu edastada teavet kaugusele üle 75 km. Samuti saavutati kiirus 44,2 terabitti/s (Tb/s) C-bändis (1550 nm) spektrilise efektiivsusega 10,4 (b/s)/Hz. Naaber-solitonide vahe on suudetud vähendada 48,9 GHz.

75 km pikkune kontroll viidi läbi laboratooriumis optilise kiudude abil. Lisaks viidi läbi sarnased "välitestid" tegelikul optilisel liinil (76,6 km) Melbourne'is, Austraalias.

Oluline teada:

Mikro-grebenga (micro-comb)
Lihtsalt öeldes - optiline (loe 'laser') allikas. Selle spekter koosneb sama vahemaa kaugusel asuvatest diskreetsetest joonistest (seetõttu nimetataksegi seda grebengiks). Samuti on see nimi ka impulsi kohta, mis tuleneb sellisest allikast. Kui oled huvitatud, saad lugeda ülevaadet [l-2], mis käsitleb selle valdkonna peamisi saavutusi (81 lehekülg, jah, peamised saavutused, tasuta juurdepääs). Lühidalt saad lugeda ka Vikipeediast [n-1].

Optiline soliton
See on üksik optiline impulss, mis suudab levida mittelineaarses keskkonnas pikki vahemaid, muutes samas oma kuju. Üldteavet saab lugeda Vikipeedia artiklist [n-2].

Soliton kristall (soliton crystal)
See on aja jooksul korrastatud solitonide ansambel, mis on perioodiliselt "paigutatud" genereeriva välja modulaatorite tõttu. Klipe on see vaid ajas.

Kvadratuurne amplituudimoduleerimine (QAM)
Signaali faasi ja amplituudi muutmise abil on võimalik suurendada edastatava info hulka. Faasi nihutatakse — veerandringi, seetõttu "kvadratuurne". Number 64 tähistab erinevaid kombinatsioone, mida selline moduleerimine võimaldab. Täiendavat teavet leiate Vikipeediast. [n-3].

Käesolev hetk on piisav, ülejäänud terminitest ja vähem selgetest asjadest selgitan jooksvalt.

02. Eksperimenteerimine

Joon. 1. Eksperimendi kontseptsioon andmete edastamiseks solitoni kristallide abil [l-1].

a. Joonis "solitoni kristalli" seisundist, mida eksperimendis kasutatakse.
b. Pilt kasutatavast mikrokiibist (5 x 9 mm, ainult umbes pindala on hõivatud seadme ja lainejuhikutega) + 2 AUD münt (20.5 mm) mõõtkava jaoks. Sisendis on kujutatud rõngasresonaator. Pildil nähtav moonutus on seotud liimiga, mis kinnitab optilist kiudu.
c. Eksperimendi skeem. Jätkuvalt kiirgav (CW [n-4]) laser (1.8 W pärast võimendit) aktiveerib rõngasresonaatori (48.9 GHz FSR [n-5]), genereerides mikro-harjavarre koos solitonsädemega. Harjavarre joondatakse (mõeldakse amplituudi joondamist erinevates sagedustes) ja demultiplexitakse [n-6], mis võimaldab edasist modulatsiooni. Seejärel tihendatakse signaal uuesti, edastatakse optiliste kiudude kaudu kasutades EDFA (vt allpool) tuge ja iga kanal demultiplexitakse taas (see on vastand signaali tihendamisele).

VDS-l on võimalik installida: Joon. 1 lühendid:

ECL — edge-coupled laser — laservahend, mis on ühendatud optilise kiuduga;
WSS — wavelength-selective switch — seade, mis võimaldab lainepikkuse selektiivset lülitamist [n-7];
Rx — vastuvõtja;
EDFA — Erbium Doped Fiber Amplifier — optiline kiu tugevdamisseade, mis on dopeeritud erbiumi ioonidega [n-8].

Laserkiire (1550 nm, pidev) kiirgamisel genereerib mikro-resonaator solitonsädeme, mille spektraalne laius ületab 80 nm (perioodiga umbes 0.4 nm). Mikro-harjavarre genereeritakse, kui laser automaatselt seadistub vajaliku väärtuse peale.

Joon. 2. Solitonsäde genereerimine. Generatsiooniks reguleeritakse laser sujuvalt pikema lainepikkuse resonantsi servast eeldefineeritud väärtuseni. [l-1].

a. Peamine harja. Luustatakse, kui laseri kiirgus on resoneeriv rõngaga.
b. Soolitonsümbiootilise kristalli spekter, mida katsetati. Selline "lõigatud" mikro-harja spekter vastab ühele ajalisest defektist, mis on sisse viidud rõngasse (mõeldud on, et üks harja joon on asendatud tühimikuga). Eelnevalt määratud sagedusel genereeritakse soolitonsümbiootiline kristall, mille spektraalsed omadused on peamise harja joonte ümber. Seeläbi saavutati jooned kogu C-riba optilisel andmeülekandel.
c. Harja joonte intensiivsuse erinevus 10 erineva genereerimise parameetri jaoks (iga tüübi sümbol joonisel esindab üht 10 juhtumist). Kuna intensiivsus jääb ± 0.9 dB ulatuses algsest spektrist, võib pidada, et nõutud soolitonsümbiootilise kristalli genereerimine on usaldusväärne.

Soolitonsümbiootilised kristallid genereeriti 10 erineval lainepikkusel vahemikus 1 550,300 kuni 1 550,527 nm ning on näidatud, et nõutud tulemus saavutatakse kõigi 10 variatsiooni jaoks.

C-poolil valiti mikro-grebni seast 80 rida (spektraaken 32 nm vahemikus 1 536 kuni 1 567 nm, 3.95 THz). Need ribad spektraalselt joondati ja seejärel tõhusalt kahekordistati 160ni (mis vastab 24.5 GHz grebni jaoks). Kahekordistamine on vajalik spektrilise efektiivsuse (spektrilise kasuliku informatsiooni) optimeerimiseks.

Uuritud signaalile lisati testiriba (6 kanalit). Kogu grebne moduleeriti 64 QAM formaadis, mis annab sümboli kiirus [n-9] 23 gigabitti [n-10], mis võimaldas kasutada 94% saadaval olevast spektrist.

Kokku viidi läbi 2 katset 75 km kaugusele teabe edastamiseks. Mõlemal juhul kasutati ühekordset optilist kiudu [n-11].

Katse laboris.
Välitestid kohaliku võrgu abil, mis ühendab Melbourne'i Melbourne'i kuningliku tehnoloogiainstituudi kampuse ja Monashi ülikooli kampuse Claytonis.

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

a. Grebni sageduse spekter pärast joondamist, mõõdetud 12.5 GHz eraldusvõimega, et näidata eraldi ridu.
b. Laboratoorse tulemused 75 km optiliste kiudude jaoks. Eraldusvõime 50 GHz. Sisend illustreerib katsekanalit (eraldusvõime 150 MHz), näidates iga joone jaoks olemasolevaid paarisulatusi (saadavus on kahekordistunud, nagu varem kirjeldatud).
c. Väljakutsed 76,6 km optiliste kiudude jaoks. Eraldusvõime 50 GHz.
d. Signaalikonstellatsioon [n-12] 193,4 THz (1550,1 nm) joone jaoks kahes polarisatsioonis (X ja Y). "Back-to-back" (B2B) vastab otse ühendatud saatjale ja vastuvõtjale, "75 km laboris kiud" — laborikatsetusele (b) ja "76,6 km välkiud" — väljakatsest (c).

VDS-l on võimalik installida: Joon. 3 lühendid:

BER — bitiveerrohkus — bitivigade suhe [n-13];
(veavektori suurusest [n-14]) — iseloomustab signaali kvaliteeti.

03. Tulemused

Joon. 4. Bitiveerrohkus (BER), spektraalne efektiivsus ja üldine vastastikune teave (GMI) [n-15] katsetes [l-1].

a. BER iga haru jaoks. Sinisega on tähistatud B2B konfiguratsioon, punasega — laborikatse, rohelisega — väljakatse. Katkise joonega tähistatakse 20% SD FEC, mis põhineb LDPC koodidel. FEC-i lävend on valitud . Edastamise järel arvutatakse, et kõikides kanalites ei esine vigu.
b. GMI ja spektraalne intensiivsus iga harja joone jaoks. GMI arvutatakse eraldi iga joone jaoks pärast nende normaliseerimist, mis arvestab saadud sõnumi signaali ja müra suhet. Jooned näitavad 10% ja 20% üleliigsetest andmetest (OH). Spektraalne efektiivsus (SE) arvutatakse GMI ja sümboli kiirus suhe võrreldes harjade vahemaa. Kuna GMI eeldab ideaalselt signaali, näitab see suuremat üldist teabe mahtu võrreldes BER-iga. GMI (SE) väärtused B2B järjestuses varieeruvad 11.3 b/sümbol (10.6 b/sümbol/Hz) kuni 10.9 b/sümbol (10.3 b/sümbol/Hz). Laboratoorsetes tingimustes edastamise jaoks optiliste kiudude kaudu olid väärtused (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.

VDS-l on võimalik installida: Joon. 4 lühendid:

FEC – edasine vigade parandamine [n-16];
SD FEC – pehme otsuse FEC;
LDPC – madala tihedusega pariteedikontrolli kood [n-17].

Eksperimentides saadud puhas bitikiirus oli 44.2 Tb/s. Kui arvestada kodeeritud bitikiirus (lisainfoga andmete edastamiseks), langeb see väärtus 40.1 Tb/s (B2B konfiguratsioon), 39.2 Tb/s (laboratoorselt) ja 39.0 Tb/s ("välitingimustes"). See tähendab spektraalset efektiivsust 10.4, 10.2 ja 10.1 b/s/Hz vastavalt.

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

04. Võrdlus teiste tulemustega

Puhas bitikiirus
Kodeeritud bitikiirus
Modulatsioon
Spektraalne efektiivsus
Edastus
Allikas

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

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

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

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

44.2 Tb/s
39.2 Tb/s
64 QAM
10.2 b/s/Hz
75 km SMF laboratoorselt
See väljaanne

44.2 Tb/s
39.0 Tb/s
64 QAM
10.1 b/s/Hz
76.6 km SMF tegevuses oleva linna liinil
See väljaanne

Tabel 1. Tulemuste võrdlemine teiste väljaannetega.

05. Kasulikud lingid

Teaduslikud väljaanded

l-1. Ultra-tiheda optilise andmeedastuse standardkiudude kaudu ühe kiibi allikaga (Avatud ligipääs)
l-2. Mikrokombid: uus põlvkond optilisi allikaid (Avatud ligipääs)
l-3 Mikromoodulite põhised solitonid massiliselt paralleelselt koherentsetes optilistes sidevahendites
l-4. Mikroresonaatorite abil suunatud mustade pulsside Kerr-kombinatsioonide kaudu saavutatud kõrge järgu koherentne side (Avatud ligipääs)
l-5. Mikroresonaatori sageduskombinatsiooni optiline kell (Avatud ligipääs)

Võib olla kasulik (Vikipeedia)

n-1. Sageduskombinatsioon
n-2. Soliton (optika)
n-3. Kvadratuuramplituudmodulatsioon (QAM)
n-4. Jätkuv laine (CW)
n-5. Vaba spektraalne vahemik (FSR)
n-6. Multipleximine
n-7. Lainepikkusest sõltuv lülitamine (WSS)
n-8. Dopetud kiudvõimendid (DFA, EDFA)
n-9. Sümboli määr
n-10. Baud
n-11. Üherežiimiline optiline kiud (SMF)
n-12. Konstellatsioonidiagramm
n-13. Bitivirhe määr (BER)
n-14. Veavektori suurus
n-15. Mitme muutuja ühine informatsioon (MMI, GMI)
n-16. Eesmine veaparandus (FEC)
n-17. Madala tihedusega pariteeti kontrolliv kood (LDPC)

Soovitan vaadata ka lingid teiste robotite kohta antud valdkonnas, millel põhines publikatsioon [l-1].

06. Järelsõna

Andmeedastuskiirus 44.2 Tbit/s (kuigi praktikas on see 39.0 Tbit/s) on kaasaegse teaduse muljetavaldav saavutus.

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

Loodan, et see oli huvitav. Aitäh tähelepanu eest!

P.S. Kui leiate tekstis trükivigu või vigu, andke palun teada. Seda saab teha teksti osa esile tõstmise ja "Ctrl / ⌘ + Enter", kui teil on Ctrl / ⌘, või läbi isiklikud sõnumid. Kui ühtegi varianti ei ole saadaval, kirjutage vigadest kommentaaridesse. Aitäh!
P.P.S. Oleksin tänulik, kui võtate veel 60 sekundit ja vastate allolevale kahele väikesele küsitlusele. Aitäh!

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