🥇44.2 Tbps por fibra óptica: como funciona?

O 22 de maio de 2020, Nature Communications publicou un artigo de científicos que representan a investigación e institucións científicas de Australia, China e Canadá, titulado "Transmisión de datos ópticos ultradensos sobre fibra estándar cunha única fonte de chip".

Por suposto, tal titular non era apto para un público amplo, polo que todos escribiron nas noticias sobre 44.2 Tb/s, o resultado que se conseguiu (algúns non remataron de ler e apareceu TB/s nos titulares, pero o valor correcto é terabit/s). Imos descubrir xuntos como o fixeron e sobre que escribiron os investigadores.

Imos comezar!

Índice analítico

01. Teses
02. Experimenta
03. Resultados
04. Comparación con outros resultados
05. Ligazóns útiles
06. Epílogo

Tentarei explicar os puntos clave do estudo, incluíndo termos, dispositivos, etc. Ademais, ao final da miña publicación aparecerá unha lista de ligazóns premendo nas que podes ler máis.

Non confíes ao 100% na miña explicación. Como todos, excepto os xornalistas, podo estar equivocado. Ler literatura científica real (Sección 05).

01. Teses

Resumos orixinais da publicación [l-1] (Acceso gratuíto):

Os micropeites (peites de frecuencia óptica xerados por resonadores de microcavidades integrados) ofrecen todo o potencial dos seus homólogos a granel, pero nunha pegada integrada. Permitiron avances en moitos campos, incluíndo a espectroscopia, a fotónica de microondas, a síntese de frecuencias, o alcance óptico, as fontes cuánticas, a metroloxía e a transmisión de datos de ultraalta capacidade. Aquí, mediante o uso dunha poderosa clase de micro-peite chamado cristais de solitón, conseguimos unha transmisión de datos ultra alta máis de 75 km de fibra óptica estándar utilizando unha única fonte de chip integrado. Demostramos unha taxa de liña de 44.2 Terabits s−1 usando a banda C de telecomunicacións a 1550 nm cunha eficiencia espectral de 10.4 bits s−1 Hz−1. Os cristais Soliton presentan unha xeración e un funcionamento robustos e estables, así como unha alta eficiencia intrínseca que, xunto cun espazo de micropeite solitón extremadamente baixo de 48.9 GHz, permiten o uso dun formato de modulación de datos coherente moi alto (64 QAM - amplitude modulada en cuadratura) . Este traballo demostra a capacidade dos micropeites ópticos para funcionar en redes de comunicacións ópticas esixentes e prácticas.

Usando unha fonte óptica integrada, foi posible transmitir información a unha distancia de máis de 75 km mediante fibra óptica estándar. Ao mesmo tempo, logrouse unha "velocidade" de 44.2 terabits/s (Tb/s) para a banda C (1 nm) cunha eficiencia espectral de 550 (b/s)/Hz. A distancia entre solitóns veciños reduciuse a 10.4 GHz.

A proba de 75 km realizouse mediante fibra óptica no laboratorio. Ademais, realizáronse probas similares de "campo" nun enlace óptico real (76.6 km) en Melbourne, Australia.

O que cómpre saber:

Micro-peite
En palabras simples - unha fonte óptica (léase "láser"). O seu espectro está formado por unha serie de liñas discretas que están igualmente espaciadas entre si (de aí o nome de dorsal). Ademais, tamén se chama o pulso de tal fonte. Se estás interesado, podes ler a crítica [l-2], que incide nos principais logros deste campo (81 páxinas, iso si, logros principais, acceso libre). Podes lelo brevemente na Wikipedia [n-1].

Solitón óptico
Este é un único pulso óptico que pode propagarse a longas distancias nun medio non lineal sen cambiar a súa forma. Pódese atopar información xeral no artigo da Wikipedia [n-2].

Cristal Soliton
Trátase dun conxunto de solitóns ordenados no tempo, que se “posicionan” periodicamente debido á modulación do campo que os xera. É un cristal só no tempo.

Modulación de amplitude en cuadratura (QAM)
Ao cambiar a fase e a amplitude do sinal, pode aumentar a cantidade de información transmitida. Desprázase a fase - un cuarto de círculo, polo tanto “cuadratura”. O número 64 significa o número de combinacións diferentes con esta modulación. Podes ler un pouco máis na Wikipedia [n-3].

Quizais isto sexa suficiente por agora, e explicarei os termos restantes ou non as cousas máis obvias no camiño.

02. Experimenta

Fig. 1. Concepto dun experimento de transmisión de datos utilizando cristais de solitón [l-1].

a. Ilustración do estado do "cristal de soltón" utilizado no experimento.
b. Foto do chip utilizado (5 x 9 mm, só aprox. área ocupada polo dispositivo e as guías de ondas) + 2 moedas AUD (20.5 mm) para escala. O inserto mostra un resonador de anel. A distorsión que se nota na imaxe débese á cola que mantén a fibra óptica no seu lugar.
c. Deseño experimental. Onda continua (CW) [n-4]) láser (1.8 W despois do amplificador) resonador de anel de bombas (48.9 GHz FSR [n-5]), xerando unha microcresta ao interaccionar cun cristal de solitón. A cresta é igualada (o que significa que a amplitude está igualada a diferentes frecuencias) e demultiplexada [n-6], o que permite a súa posterior modulación. A continuación, o sinal é de novo multiplexado, transmitido por fibra óptica usando amplificadores EDFA (ver máis abaixo) e cada canle é de novo demultiplexado (este é o antónimo de multiplexación de sinal).

En Fig 1 abreviaturas:

ECL - edge-coupled laser - é un láser conectado a unha fibra óptica;
WSS - interruptor selectivo de lonxitude de onda - un dispositivo que permite a conmutación selectiva da lonxitude de onda [n-7];
Rx - receptor;
EDFA - Amplificador de fibra dopada con erbio - amplificador de fibra óptica dopado con ións de erbio [n-8].

Cando é irradiada por un láser (1 nm, onda continua), a microcavidade xera un cristal solitón cunha anchura espectral superior a 550 nm (cun período duns 80 nm). A microcresta xérase cando o láser se axusta automaticamente ao valor desexado.

Fig. 2. Xeración dun cristal solitón. Para o láser, o láser axústase suavemente desde o bordo de lonxitude de onda longa da resonancia ata un valor predeterminado [l-1].

a. Crista principal. Xérase cando a radiación láser está en resonancia co anel.
b. Espectro do cristal solitón utilizado no experimento. Tal espectro de microcresta "truncado" corresponde a un único defecto temporal introducido no anel (o que significa unha vacante en lugar dunha das liñas de cresta). A unha frecuencia predeterminada, xérase un cristal de solitón con características espectrais ao redor das liñas de cresta principais. Deste xeito, conseguíronse liñas en toda a banda C de transmisión óptica de datos.
c. Diferenza de intensidade das liñas de cresta para 10 parámetros de xeración diferentes (os símbolos de cada tipo na Fig. representan un dos 10 casos). Dado que a intensidade está dentro de ± 0.9 dB do espectro inicial, podemos supoñer que a xeración do cristal solitón necesario é fiable.

Xeráronse cristais Soliton para 10 lonxitudes de onda diferentes de 1 a 550.300 nm e demostrouse que se conseguiu o resultado necesario para as 1 variacións.

De toda a microcresta, seleccionáronse 80 liñas dentro da banda C (xanela espectral de 32 nm de ancho de 1 a 536 nm, 1 THz). Estas bandas aliñáronse espectralmente e despois duplicáronse efectivamente ata 567 (equivalente á cresta de 3.95 GHz). A duplicación é necesaria para optimizar a eficiencia espectral (carga útil espectral).

Engadiuse unha tira de proba (6 canles) ao sinal obxecto de estudo. Toda a cresta foi modulada en formato 64 QAM, o que dá unha taxa de símbolos [n-9] a 23 gigabods [n-10], que permitiu o uso do 94% do espectro dispoñible.

Realizáronse un total de 2 experimentos para transmitir información ao longo de 75 km. En ambos os casos utilizouse fibra monomodo [n-11].

Experimento no laboratorio.
Ensaio de campo mediante unha rede municipal que conecta o campus de Melbourne da Royal Melbourne University of Technology e o campus de Clayton da Universidade de Monash.

Fig. 3. Espectros multicanle e sinais dun cristal solitón [l-1].

a. Espectro de cresta de frecuencia despois da ecualización, medido a unha resolución de 12.5 GHz para mostrar liñas individuais.
b. Resultados de laboratorio para 75 km de fibra. Resolución 50 GHz. O recuadro ilustra a canle de proba (resolución de 150 MHz), mostrando as subbandas pares e impares presentes para cada liña (o resultado da duplicación descrita anteriormente).
c. Resultados de campo para 76.6 km de fibra. Resolución 50 GHz.
d. Constelación de sinal [n-12] para a liña de 193.4 THz (1550.1 nm) para dúas polarizacións (X e Y). "Back-to-back" (B2B) corresponde a un transmisor e receptor conectados directamente, "75 km de fibra no laboratorio" a unha proba de laboratorio (b) e "76.6 km de fibra de campo" a unha proba de campo (c).

En Fig 3 abreviaturas:

BER - taxa de erro de bits - taxa de erro de bits [n-13];
(a partir da magnitude do vector de erro [n-14]) - caracteriza a calidade do sinal.

03. Resultados

Fig. 4. Taxa de erro de bits (BER), eficiencia espectral e información mutua xeneralizada (GMI) [n-15] nun experimento [l-1].

a. BER para cada liña de cresta. O azul indica a configuración B2B, o vermello indica o experimento de laboratorio e o verde indica o experimento de campo. A liña discontinua representa un 20 % de SD FEC baseado nos códigos LDPC. Seleccionouse o limiar FEC . Despois da transmisión, suponse que non hai erros en todas as canles.
b. GMI e intensidade espectral para cada liña de cresta. O GMI calcúlase por separado para cada liña despois de que se normalicen, o que ten en conta a relación sinal-ruído da mensaxe recibida. As liñas indican un 10% e un 20% de exceso de datos (OH). A eficiencia espectral (SE) calcúlase a partir do GMI e da relación entre a taxa de símbolos e o espazamento da cresta. Dado que GMI asume un sinal ideal, mostra unha maior capacidade de información global en comparación co BER. Na secuencia GMI (SE) para B2B, os valores oscilan entre 11.3 bps/símbolo (10.6 bps/símbolo/Hz) a 10.9 bps/símbolo (10.3 bps/símbolo/Hz). Para a transmisión de fibra en condicións de laboratorio, os valores (por canle) oscilaron entre 11.0 bps/símbolo (10.4 bps/símbolo/Hz) a 10.7 bps/símbolo (10.1 bps/símbolo/Hz). Os mesmos resultados obtivéronse en ensaios de campo.

En Fig 4 abreviaturas:

FEC - corrección de erros de avance - corrección de erros de avance [n-16];
SD FEC - FEC de decisión suave;
LDPC - código de comprobación de paridade de baixa densidade - código con comprobacións de paridade de baixa densidade [n-17].

A taxa de bits neta obtida nos experimentos estímase en 44.2 Tb/s. Cando se converte a unha taxa de bits codificada (coa adición de información redundante para a transmisión de datos), este valor cae a 40.1 Tb/s (configuración B2B), 39.2 Tb/s (no laboratorio) e 39.0 Tb/s ("en campo). "). Isto significa eficiencias espectrais de 10.4, 10.2 e 10.1 bps/Hz respectivamente.

Este resultado é case un 50% superior aos resultados obtidos mediante un único dispositivo integrado [l-3]. Ao mesmo tempo, a eficiencia espectral é 3.7 veces maior.

04. Comparación con outros resultados

Taxa de bits neta
Taxa de bits codificada
Modulación
Eficiencia espectral
Emisión
Orixe

30.1 tb/s
28.0 tb/s
16 QAM
2.8 b/s/Hz
75 km SMF no laboratorio
[l-3]

4.8 tb/s
4.4 tb/s
64 QAM
1.1 b/s/Hz
80 km SMF no 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 núcleos
[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 no laboratorio
Esta publicación

44.2 tb/s
39.0 tb/s
64 QAM
10.1 b/s/Hz
76.6 km SMF na liña municipal existente
Esta publicación

Táboa 1. Comparación de resultados con outras publicacións.

05. Ligazóns útiles

Publicacións científicas

l-1. Transmisión de datos ópticas ultra-densa a través de fibra estándar cunha única fonte de chip (Acceso aberto)
l-2. Micro-peites: unha nova xeración de fontes ópticas (Acceso aberto)
l-3 Solitóns baseados en microresonadores para comunicacións ópticas coherentes masivamente paralelas
l-4. Comunicacións coherentes de alto orde utilizando peines Kerr de pulso escuro bloqueados por modo de microresonadores (Acceso aberto)
l-5. Reloxo óptico de peite de frecuencia de microresonador (Acceso aberto)

Pode ser útil (Wikipedia)

n-1. Peite de frecuencia
n-2. Soliton (Óptica)
n-3. Modulación da amplitude da cuadratura (QAM)
n-4. Onda continua (Cw)
n-5. Rango espectral libre (FSR)
n-6. Multiplexing
n-7. Conmutación selectiva de lonxitude de onda (WSS)
n-8. Amplificadores de fibra dopada (DFA, EDFA)
n-9. Taxa de símbolos
n-10. baud
n-11. Fibra óptica monomodo (SMF)
n-12. Diagrama de constelación
n-13. Velocidade de erro de bit (BER)
n-14. Magnitude do vector de erro
n-15. Información mutua multivariada (MMI, GMI)
n-16. Corrección de erros adiante (FEC)
n-17. Código de comprobación de paridade de baixa densidade (LDPC)

Tamén recomendo a visualización de ligazóns a outros robots desta área utilizados na publicación [l-1].

06. Epílogo

Conseguir unha velocidade de transferencia de datos de 44.2 Tb/s (aínda que na práctica sexa de 39.0 Tb/s) é un logro impresionante da ciencia moderna.

E aínda que é pouco probable que poidamos usalo na vida pronto, a capacidade de transmitir datos a alta velocidade é unha das poucas áreas da ciencia que non suscita preguntas entre a xente común: "por que fas isto?" ou "como podemos aplicar isto nas nosas vidas?"

Espero que vos resulte interesante. Grazas pola súa atención!

PS Se atopas erros tipográficos ou erros no texto, avisame. Isto pódese facer seleccionando un fragmento de texto e premendo "Ctrl / ⌘ + Intro" se tes Ctrl / ⌘, xa sexa a través mensaxes privadas. Se as dúas opcións non están dispoñibles, escribe sobre os erros nos comentarios. Grazas!
PPS Agradeceríache que tardases outros 60 segundos en responder as dúas enquisas curtas que aparecen a continuación. Grazas!

Só os usuarios rexistrados poden participar na enquisa. Rexístrate, por favor.