44,2 To/s via fibre optique — comment ça fonctionne ?

Le 22 mai 2020, un article des chercheurs des établissements de recherche et des institutions scientifiques d'Australie, de Chine et du Canada a été publié dans Nature Communications, intitulé "Transmission de données optiques ultra-denses sur fibre standard avec une seule source à puce".

Naturellement, un tel titre n'était pas adapté à un large public, car dans les nouvelles, tout le monde parlait de 44,2 Tbit/s — le résultat atteint (certains n'ont pas lu jusqu'au bout et les titres mentionnaient TБ/s, mais la valeur correcte est terabits/s). Voyons ensemble comment cela a été réalisé et de quoi ont réellement traité les chercheurs.

Commençons !

Table des matières

01. Résumés
02. Expérience
03. Résultats
04. Comparaison avec d'autres résultats
05. Liens utiles
06. Épilogue

Je vais essayer d'expliquer les points clés de l'étude, y compris les termes, les dispositifs, etc. De plus, à la fin de ma publication, il y aura une liste de liens à travers lesquels vous pouvez en lire davantage.

Ne faites pas confiance à 100% à mes explications. Comme tout le monde, sauf les journalistes, je peux me tromper. Lisez la véritable littérature scientifique (Section 05).

01. Résumés

Résumé original de la publication [l-1] (accès libre) :

Les micro-combs – des peignes de fréquence optique générés par des résonateurs à micro-cavités intégrées – offrent tout le potentiel de leurs homologues de volume, mais dans un format intégré. Ils ont permis des avancées dans de nombreux domaines, y compris la spectroscopie, la photonique à micro-ondes, la synthèse de fréquence, la mesure optique, les sources quantiques, la métrologie et la transmission de données à très haute capacité. Ici, en utilisant une classe puissante de micro-comb appelée cristaux de solitons, nous atteignons une transmission de données ultra-élevée sur 75 km de fibre optique standard en utilisant une seule source à puce intégrée. Nous démontrons un débit de 44,2 Terabits s−1 en utilisant la bande C des télécommunications à 1550 nm avec une efficacité spectrale de 10,4 bits s−1 Hz−1. Les cristaux de solitons présentent une génération et un fonctionnement robustes et stables ainsi qu'une efficacité intrinsèque élevée qui, combinée à un espacement très faible entre solitons de 48,9 GHz, permet d'utiliser un format de modulation de données très cohérent (64 QAM – modulation d'amplitude en quadrature). Ce travail démontre la capacité des micro-combs optiques à opérer dans des réseaux de communications optiques exigeants et pratiques.

En utilisant une source optique intégrée, il a été possible de transmettre des informations sur plus de 75 km de fibre optique standard. La "vitesse" atteinte était de 44,2 terabits/s (Tbit/s) pour la bande C (1550 nm) avec une efficacité spectrale de 10,4 (b/s)/Hz. La distance entre les solitons adjacents a pu être réduite à 48,9 GHz.

Le test sur 75 km a été réalisé à l'aide de fibre optique en laboratoire. De plus, des tests similaires "sur le terrain" ont été effectués sur une véritable ligne optique (76,6 km) à Melbourne, Australie.

Ce qu'il faut savoir :

Micro-peigne (micro-comb)
En termes simples, c'est une source optique (lisez « laser »). Son spectre se compose d'une série de lignes discrètes, qui sont à égale distance les unes des autres (c'est pourquoi on l'appelle un peigne). De plus, le terme fait également référence à l'impulsion elle-même provenant de cette source. Si cela vous intéresse, vous pouvez lire l'examen [l-2], qui couvre les principales avancées dans ce domaine (page 81, oui, des réalisations clés, en accès libre). Un résumé est disponible sur Wikipédia. [n-1].

Solitaire optique
C'est une impulsion optique unique qui peut se propager dans un milieu non linéaire sur de grandes distances sans changer de forme. Vous pouvez en apprendre davantage dans un article sur Wikipédia. [n-2].

Cristal de soliton (soliton crystal)
C'est un ensemble assorti de solitons, qui sont « positionnés » périodiquement grâce à la modulation du champ qui les génère. Il est classé comme un cristal uniquement dans le temps.

Modulation d'amplitude en quadrature (QAM)
En modifiant la phase et l'amplitude du signal, il est possible d'augmenter la quantité d'informations transmises. La phase est décalée de — un quart de cercle, d'où le terme « quadrature ». Le nombre 64 désigne le nombre de combinaisons différentes pour ce type de modulation. Vous pouvez lire à ce sujet plus en détail sur Wikipédia. [n-3].

Pour l'instant, cela suffira, et je vais expliquer les autres termes ou choses qui ne sont pas évidentes au fur et à mesure.

02. Expérience

Fig. 1. Concept de l'expérience de transmission de données via des cristaux de solitons [l-1].

a. Illustration de l'état du « cristal de soliton » utilisé dans l'expérience.
b. Photo de la puce utilisée (5 x 9 mm, seulement environ la superficie est occupée par l'appareil et les guides d'onde) + pièce de 2 AUD (20,5 mm) pour l'échelle. L'insertion montre le résonateur en anneau. La distorsion visible sur l'image est due à la colle fixant la fibre optique.
c. Schéma de l'expérience. Un laser à émission continue (CW [n-4]) (1,8 W après l'amplificateur) excite un résonateur en anneau (48,9 GHz FSR [n-5]), générant un micro-peigne en interaction avec le cristal de soliton. Le peigne est aligné (cela signifie alignement de l'amplitude à différentes fréquences) et démultiplexé [n-6], ce qui permet sa modulation ultérieure. Ensuite, le signal est à nouveau comprimé, transmis par la fibre optique à l'aide d'amplificateurs EDFA (voir ci-dessous) et chaque canal est à nouveau démultiplexé (ce qui est l'antonyme de la compression du signal).

Sur Fig. 1 abréviations :

• ECL — laser couplé sur l'arête — est un laser connecté à la fibre optique ;
• WSS — commutateur sélectif de longueur d'onde — un dispositif permettant une sélection sélective de la longueur d'onde [n-7];
• Rx — récepteur ;
• EDFA — Amplificateur à fibre dopée à l'erbium — amplificateur à fibre optique dopé avec des ions d'erbium [n-8].

Lorsqu'un laser émet (1550 nm, continu), le micro-résonateur génère un cristal solitonique avec une largeur spectrale de plus de 80 nm (avec une période d'environ 0,4 nm). Un micro-crête est généré lors de l'ajustement automatique du laser à la valeur requise.

Fig. 2. Génération du cristal solitonique. Pour la génération, le laser ajuste progressivement de la limite longue d'onde de résonance à une valeur prédéfinie [l-1].

a. Crête principale. Générée lorsque l'émission du laser est en résonance avec l'anneau.
b. Spectre du cristal solitonique utilisé dans l'expérience. Ce spectre "tragique" de la micro-crête correspond à un défaut temporel unique introduit dans l'anneau (entendant par là une vacance plutôt qu'une des lignes de la crête). À une fréquence prédéfinie, un cristal solitonique est généré avec des caractéristiques spectrales autour des lignes de la crête principale. Ainsi, des lignes sur toute la bande C de transmission optique de données ont été obtenues.
c. La différence d'intensité des lignes de crête pour 10 paramètres de génération différents (les symboles de chaque type dans la fig. représentent l'un des 10 cas). Étant donné que l'intensité se situe dans une plage de ± 0,9 dB par rapport au spectre initial, on peut considérer que la génération du cristal solitonique requis est fiable.

Des cristaux solitoniques ont été générés pour 10 longueurs d'onde différentes allant de 1550,300 à 1550,527 nm et il a été montré que le résultat requis est atteint pour toutes les 10 variations.

Sur l'ensemble du micro-crête, 80 lignes ont été sélectionnées dans la bande C (fenêtre spectrale de 32 nm de 1536 à 1567 nm, 3,95 THz). Ces bandes ont été spectralement ajustées et ensuite efficacement doublées à 160 (ce qui équivaut à une crête de 24,5 GHz). Le doublement est nécessaire pour optimiser l'efficacité spectrale (information utile spectrale).

Une bande de test a été ajoutée au signal étudié (6 canaux). Toute la crête était modulée au format 64 QAM, ce qui donne une vitesse de symbole [n-9] à 23 gigabits [n-10], ce qui a permis d'utiliser 94 % du spectre disponible.

Deux expériences ont été menées pour transmettre des informations sur 75 km. Dans les deux cas, de la fibre optique monomode a été utilisée [n-11].

1. Expérience en laboratoire.
2. Essais sur le terrain utilisant le réseau municipal qui connecte le campus de Melbourne de l'Institut royal de technologie de Melbourne et le campus de l'Université de Monash à Clayton.

Fig. 3. Spectres multicanaux et signaux de cristal soliton [l-1].

a. Spectre de la crête en fréquence après alignement, mesuré avec une résolution de 12,5 GHz, pour montrer des lignes individuelles.
b. Résultats en laboratoire pour 75 km de fibre optique. Résolution de 50 GHz. L'insertion illustre le canal de test (résolution de 150 MHz), montrant les sous-bandes paires et impaires présentes pour chaque ligne (résultat du doublement décrit précédemment).
c. Résultats sur le terrain pour 76,6 km de fibre optique. Résolution de 50 GHz.
d. Constellation du signal [n-12] pour la ligne 193,4 THz (1550,1 nm) pour deux polarités (X et Y). "Back-to-back" (B2B) correspond à un émetteur et un récepteur directement connectés, "75 km in-lab fibre" à un essai de laboratoire (b) et "76,6 km field fibre" à un essai sur le terrain (c).

Sur Fig. 3 abréviations :

• BER — le taux d'erreur binaire — indique le coefficient d'erreurs de bits [n-13];
• (de la magnitude du vecteur d'erreur [n-14]) — caractérise la qualité du signal.

03. Résultats

Fig. 4. Taux d'erreur binaire (BER), efficacité spectrale et information mutuelle généralisée (GMI) [n-15] dans l'expérience [l-1].

a. BER pour chaque ligne de la crête. La configuration B2B est indiquée en bleu, l'expérience en laboratoire en rouge, et l'expérience sur le terrain en vert. La ligne pointillée indique 20 % de SD FEC, basé sur des codes LDPC. Le seuil FEC est choisi à . Après la transmission, on considère qu'il n'y a pas d'erreurs dans tous les canaux.
b. GMI et l'intensité spectrale pour chaque ligne de crête. GMI est calculé séparément pour chaque ligne après leur normalisation, ce qui permet de tenir compte du rapport signal-bruit du message obtenu. Les lignes montrent 10 % et 20 % de données redondantes (OH). L'efficacité spectrale (SE) est calculée à partir de GMI et du rapport entre la vitesse de symbole et la distance entre les crêtes. Comme le GMI suppose un signal idéal, il montre une plus grande capacité d'information globale par rapport au BER. Dans la séquence GMI (SE) pour B2B, les valeurs varient entre 11,3 b/symbole (10,6 b/symbole/ Hz) et 10,9 b/symbole (10,3 b/symbole/ Hz). Pour la transmission par fibre optique dans des conditions de laboratoire, les valeurs (pour le canal) étaient comprises entre 11,0 b/symbole (10,4 b/symbole/ Hz) et 10,7 b/symbole (10,1 b/symbole/ Hz). Des résultats similaires ont été obtenus lors des tests sur le terrain.

Sur Fig. 4 abréviations :

• FEC — correction d'erreurs en avant — correction d'erreurs directe [n-16];
• SD FEC — FEC à décision douce;
• LDPC — code de contrôle de parité à faible densité — code avec faible densité de vérifications de parité [n-17].

Le débit binaire net obtenu dans les expériences est estimé à 44,2 Tb/s. Lors du recalcul en débit binaire codé (avec ajout d'informations redondantes pour la transmission des données), cette valeur tombe à 40,1 Tb/s (configuration B2B), 39,2 Tb/s (en laboratoire) et 39,0 Tb/s (« sur le terrain »). Cela signifie une efficacité spectrale de 10,4, 10,2 et 10,1 b/s/Hz respectivement.

Ce résultat dépasse de presque 50 % les résultats obtenus en utilisant un dispositif intégré unique. [l-3]. Par conséquent, l'efficacité spectrale est 3,7 fois plus élevée.

04. Comparaison avec d'autres résultats

Débit binaire net
Débit binaire codé
Modulation
Efficacité spectrale
Transmission
Source

30,1 Tb/s
28,0 Tb/s
16 QAM
2,8 b/s/Hz
75 km SMF en laboratoire
[l-3]

4,8 Tb/s
4,4 Tb/s
64 QAM
1,1 b/s/Hz
80 km SMF en laboratoire
[l-4]

25,6 Tb/s
22,0 Tb/s
16 QAM
3,2 b/s/Hz
9,6 km, fibre optique à 30 brins
[l-5]

44,2 Tb/s
40,1 Tb/s
64 QAM
10,4 b/s/Hz
B2B (0 km)
Cette publication

44,2 Tb/s
39,2 Tb/s
64 QAM
10,2 b/s/Hz
75 km SMF en laboratoire
Cette publication

44,2 Tb/s
39,0 Tb/s
64 QAM
10,1 b/s/Hz
76,6 km SMF sur une ligne municipale active
Cette publication

Tabl. 1. Comparaison des résultats avec d'autres publications.

05. Liens utiles

Publications scientifiques

l-1. Transmission de données optiques ultra-dense sur fibre standard avec une source à puce unique (OpenAccess)
l-2. Micro-combs : une nouvelle génération de sources optiques (OpenAccess)
l-3 Solitons basés sur micro-résonateurs pour des communications optiques cohérentes massivement parallèles
l-4. Communications cohérentes de haut ordre utilisant des combinaisons de pulsations sombres verrouillées sur mode provenant de micro-résonateurs (OpenAccess)
l-5. Horloge optique à combinaisons de fréquence à micro-résonateur (OpenAccess)

Peut être utile (Wikipedia)

n-1. Peigne de fréquence
n-2. Soliton (optique)
n-3. Modulation d'amplitude en quadrature (QAM)
n-4. Onde continue (CW)
n-5. Plage spectrale libre (FSR)
n-6. Multiplexage
n-7. Commutation sélective de longueur d'onde (WSS)
n-8. Amplificateurs à fibre dopée (DFA, EDFA)
n-9. Taux symbolique
n-10. Baud
n-11. Fibre optique monomode (SMF)
n-12. Diagramme de constellation
n-13. Taux d'erreur binaire (BER)
n-14. Magnitude du vecteur d'erreur
n-15. Information mutuelle multivariée (MMI, GMI)
n-16. Correction d'erreur forward (FEC)
n-17. Code à contrôle de parité de faible densité (LDPC)

Je vous recommande également de consulter les liens vers d'autres travaux dans ce domaine, utilisés dans la publication. [l-1].

06. Épilogue

Atteindre une vitesse de transmission de données de 44,2 To/s (même si en pratique cela est de 39,0 To/s) est une réalisation impressionnante de la science moderne.

Et même si nous ne pourrons probablement pas l'appliquer dans notre vie de sitôt, la possibilité de transmettre des données à haute vitesse est l'un des rares domaines scientifiques qui ne suscite pas chez le grand public des questions telles que 'pourquoi faites-vous cela ?' ou 'comment cela peut-il être appliqué dans notre vie ?'.

J'espère que cela vous a intéressé. Merci pour votre attention !

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Source : habr.com