🥇44.2 Tb/s optikai szálon - hogyan működik?

2020. május 22-én a Nature Communications című folyóiratban megjelent egy tanulmány ausztrál, kínai és kanadai kutatók részéről, amelynek címe: "Ultra-sűrű optikai adatátvitel szabványos szálon egyetlen chipforrással".

Természetesen egy ilyen cím nem volt megfelelő a széles közönség számára, ezért a hírekben mindenki 44,2 Tb/s-ről írt – az eredményről, amelyet sikerült elérni (egyesek nem olvasták végig, és a címsorokban a TB/s kifejezés is megjelent, de a helyes érték terabit/s). Nézzük meg együtt, hogyan sikerült ez, és miről írtak valójában a kutatók.

Kezdjük!

Tartalomjegyzék

01. Tézisek
02. Kísérlet
03. Eredmények
04. Összehasonlítás más eredményekkel
05. Hasznos linkek
06. Utószó

Megpróbálom elmagyarázni a kutatás kulcsfontosságú pontjait, beleértve a kifejezéseket, eszközöket és így tovább. Ezenkívül a publikációm végén lesz egy lista a linkekről, amelyeken keresztül többet olvashat.

Ne bízzon 100%-osan a magyarázatomra. Mint mindenki, aki nem újságíró, én is tévedhetek. Olvassa el a valódi tudományos irodalmat (05. rész).

01. Tézisek

A publikáció eredeti tézisei [l-1] (szabad hozzáférés):

A mikro-kompok – integrált mikro-kavitas resonátorok által generált optikai frekvenciakombok – teljes potenciálját kínálják tömörebb változataiként. Ez lehetővé tette a nagy áttöréseket számos területen, beleértve a spektroszkópiát, mikrohullámú fotonikát, frekvenciagenerálást, optikai távolságmérést, kvantumforrásokat, metrológiát és ultranagy kapacitású adatátvitelt. Itt egy hatékony mikro-komb osztály, úgynevezett szoliton kristályok alkalmazásával, ultranagy adatátvitelt érünk el 75 km szabványos optikai szálon egyetlen integrált chipforrással. A távközlési C-sávban 1550 nm-es vonalsebességet 44,2 Terabit/s értéken demonstrálunk, 10,4 bit/s/Hz spektrális hatékonysággal. A szoliton kristályok robusztus és stabil generálást és működést mutatnak, valamint magas belső hatékonysággal rendelkeznek, ami, együtt egy rendkívül alacsony szoliton mikro-komb távolsággal 48,9 GHz-on, lehetővé teszi egy nagyon magas koherens adatmodulációs formátum (64 QAM — kvadratikus amplitúdó moduláció) használatát. Ez a munka bemutatja az optikai mikro-kompok képességét, hogy teljesíteni tudjanak a követelményes és gyakorlati optikai kommunikációs hálózatokban.

Integrált optikai forrás használatával több mint 75 km távolságra sikerült információt küldeni szabványos optikai szálon. A C-sáv (1550 nm) esetében 44,2 terabit/s (Tb/s) sebességet értünk el, 10,4 (b/s)/Hz spektrális hatékonysággal. A szomszédos szolitonok közötti távolságot 48,9 GHz-ra sikerült csökkenteni.

A 75 km test was conducted using optical fiber in the laboratory. Additionally, similar 'field' tests were carried out on a real optical line (76.6 km) in Melbourne, Australia.

What you need to know:

Micro-comb
In simple terms — an optical (read 'laser') source. Its spectrum consists of a series of discrete lines that are equidistant from each other (hence it is called a comb). The pulse from such a source is also referred to as a comb. If you are interested, you can read an overview [l-2], which covers the main achievements in this field (page 81, yes, major accomplishments, free access). A brief summary can be found on Wikipedia [n-1].

Optical soliton
This is a single optical pulse that can propagate in a nonlinear medium over long distances without changing its shape. General information can be found in the article on Wikipedia [n-2].

Soliton crystal
This is a time-ordered ensemble of solitons that are 'arranged' periodically due to modulation of the field generating them. It is a crystal only in time.

Quadrature amplitude modulation (QAM)
By changing the phase and amplitude of the signal, the amount of transmitted information can be increased. The phase is shifted by — a quarter of a circle, hence 'quadrature'. The number 64 indicates the number of different combinations in this modulation. You can read more about it on Wikipedia [n-3].

For now, this will be enough, and I will explain the remaining terms or less obvious things as we go along.

02. Kísérlet

Fig. 1. Concept of a data transmission experiment using soliton crystals [l-1].

a. Illustration of the state of the 'soliton crystal' used in the experiment.
b. Photo of the chip used (5 x 9 mm, only about the area occupied by the device and waveguides) + a 2 AUD coin (20.5 mm) for scale. The inset shows the ring resonator. The distortion visible in the image is due to the glue securing the optical fiber.
c. Schematic of the experiment. A continuously emitting (CW [n-4]) laser (1.8 W after amplification) pumps the ring resonator (48.9 GHz FSR [n-5]), mikro-fésűt generálva a szoliton kristállyal való kölcsönhatás során. A fésű igazodik (itt az amplitúdó eltérő frekvenciákon való igazításáról van szó) és demultiplexálódik. [n-6], ami lehetővé teszi további modulációját. Ezután a jel ismét sűrített formában továbbítódik optikai szálon EDFA (lásd alább) erősítők használatával, és minden csatorna újra demultiplexálódik (ez a jel sűrítésének antonimja).

Ezen 1. ábra rövidítések:

ECL — edge-coupled lézer — egy optikai szálhoz csatlakoztatott lézer;
WSS — hullámhossz-választó kapcsoló — olyan eszköz, amely lehetővé teszi a hullámhossz szelektív kapcsolását [n-7];
Rx — vevő;
EDFA — Erbium Doped Fiber Amplifier — erbiszióval dúsított optikai szálas erősítő [n-8].

A lézerek kibocsátásakor (1550 nm, folytonos), a mikro-rezonátor szoliton kristályt generál több mint 80 nm-es spektrális szélességgel (körülbelül 0,4 nm-es periódussal). A mikro-fésű a lézer automatikus beállításakor keletkezik a szükséges értékre.

2. ábra. A szoliton kristály generálása. A generáláshoz a lézer fokozatosan a rezonancia hosszú hullámú pereméről egy előre meghatározott értékre áll. [l-1].

a. Fő fésű. Akkor generálódik, amikor a lézerbocsátás rezonál a gyűrűvel.
b. A kísérletben használt szoliton kristály spektruma. Ez a 'megvágott' mikro-fésű spektrum egy temporális defektust jelöl a gyűrűben (ez itt egy vákuumban lévő vonal helyett). Egy előre meghatározott frekvencián szoliton kristály generálódik spektrális sajátosságokkal a fő fésű vonalai körül. Így elérhetők a vonalak az optikai adatátvitel C sávján.
c. A fésű vonalainak intenzitásbeli eltérése 10 különböző generálási paraméter esetén (minden típus szimbóluma az ábrán egy-egy esetet képvisel). Mivel az intenzitás ± 0,9 dB-en belül van a kezdeti spektrumtól, a szoliton kristály generálását megbízhatónak tekinthetjük.

A szoliton kristályokat 10 különböző hullámhosszon generálták 1550,300-tól 1550,527 nm-ig, és megmutatták, hogy a kívánt eredmény minden 10 variáció esetén elérhető.

A C sávon belül 80 vonalat választottak ki az összes mikro-gréb őről (32 nm széles spektrális ablak 1 536 és 1 567 nm között, 3,95 THz). Ezeket a sávokat spektrálisan igazították és ezután hatékonyan megduplázták 160-ra (ami 24,5 GHz-es grébnek felel meg). A megduplázás szükséges a spektrális hatékonyság (spektrális hasznos információ) optimalizálásához.

A vizsgált jelhez egy tesztsávot (6 csatorna) adtak hozzá. Az összes gréb 64 QAM formátumban modulálva lett, ami szimbolikus sebességet ad [n-9] 23 gigabodban [n-10], ami lehetővé tette a rendelkezésre álló spektrum 94%-ának kihasználását.

Összesen 2 kísérletet végeztek információ továbbítására 75 km-en. Mindkét esetben egymódusú optikai szálat használtak. [n-11].

Laboratóriumi kísérlet.
Terepi tesztelés a városi hálózat használatával, amely összeköti a Melbourne-i Királyi Technológiai Egyetem melbourne-i kampuszát és a Monash Egyetem Clayton-i kampuszát.

3. ábra. Többcsatornás spektrumok és szoliton kristálysokaságok [l-1].

a. A gréb spektrum a kiegyenlítés után, 12,5 GHz felbontással mérve, hogy megjelenítse az egyes vonalakat.
b. Laboratóriumi eredmények 75 km optikai szálon. Felbontás 50 GHz. A betét illusztrálja a tesztcsatornát (150 MHz felbontás), bemutatva az összes páros és páratlan al-csatornát, amelyek jelen vannak minden vonalon (a korábban leírt duplázás eredménye).
c. Terepi eredmények 76,6 km optikai szálon. Felbontás 50 GHz.
d. Jel konstelláció [n-12] a 193,4 THz (1550,1 nm) vonalhoz két polarizációval (X és Y). A 'Back-to-back' (B2B) közvetlenül csatlakoztatott adót és vevőt jelent, a '75 km in-lab fibre' – laboratóriumi kísérletet (b) és a '76,6 km field fibre' – terepi kísérletet (c).

Ezen 3. ábra rövidítések:

BER – bit hiba arány – a bit hibák arányát jelöli [n-13];
(a hiba vektor nagyságából [n-14]) – a jel minőségét jellemzi.

03. Eredmények

4. ábra. Bit hiba arány (BER), spektrális hatékonyság és általános kölcsönös információ (GMI) [n-15] a kísérletben [l-1].

a. A gréb minden vonalához tartozó BER. A kék a B2B konfigurációt, a piros a laboratóriumi kísérletet, a zöld a terepi kísérletet jelöli. A szaggatott vonal a 20%-os SD FEC-t jelöli, amely LDPC kódok alapjául szolgál. Az FEC küszöböt a következőre választották . Az átvitel után azt feltételezik, hogy az összes csatornában nincsenek hibák.
b. A GMI és spektrális intenzitás minden gerincvonalára. Az GMI külön-külön van számítva minden vonalra, miután normalizálták őket, amely figyelembe veszi a jel-zaj arányt a kapott üzenet alapján. A vonalak 10% és 20% felesleges adatot mutatnak (OH). A spektrális hatékonyság (SE) az GMI és a szimbólumsebesség és a gerincvonalak közötti távolság arányából kerül kiszámításra. Mivel az GMI ideális jelet feltételez, nagyobb összes információkapacitást mutat a BER-hez képest. Az B2B GMI (SE) sorozat értékei 11.3 b/szimbólum (10.6 b/szimbólum/Hz) és 10.9 b/szimbólum (10.3 b/szimbólum/Hz) között változnak. Optikai szálon laboratóriumi körülmények között az értékek (a csatornára) 11.0 b/szimbólum (10.4 b/szimbólum/Hz) és 10.7 b/szimbólum (10.1 b/szimbólum/Hz) között voltak. Ugyanezek az eredmények a terepi tesztelés során is meglettek.

Ezen 4. ábra rövidítések:

FEC — forward error correction — közvetlen hibajavítás [n-16];
SD FEC — soft decision FEC;
LDPC — low-density parity-check code — alacsony sűrűségű ellenőrző kód [n-17].

A kísérletekben kapott tiszta bitsebesség 44.2 Tb/s-re lett értékelve. A kódolt bitsebességre átszámolva (felesleges információkkal a továbbításhoz) ez az érték 40.1 Tb/s-ra csökken (B2B konfiguráció), 39.2 Tb/s-ra (laboratóriumi körülmények) és 39.0 Tb/s-ra ("a terepen"). Ez 10.4, 10.2 és 10.1 b/s/Hz spektrális hatékonyságot jelent.

Ez az eredmény közel 50%-kal meghaladja az egyetlen integrált eszköz használatával elért eredményeket. [l-3]. Ebben az esetben a spektrális hatékonyság 3.7-szer magasabb.

04. Összehasonlítás más eredményekkel

Tiszta bitsebesség
Kódolt bitsebesség
Moduláció
Spektrális hatékonyság
Átviteli sebesség
Forrás

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

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

25.6 Tb/s
22.0 Tb/s
16 QAM
3.2 b/s/Hz
9.6 km, 30 szálas optikai szál
[l-5]

44.2 Tb/s
40.1 Tb/s
64 QAM
10.4 b/s/Hz
B2B (0 km)
Ez a publikáció

44.2 Tb/s
39.2 Tb/s
64 QAM
10.2 b/s/Hz
75 km SMF laboratóriumi körülmények között
Ez a publikáció

44.2 Tb/s
39.0 Tb/s
64 QAM
10.1 b/s/Hz
76.6 km SMF működő önkormányzati vonalon
Ez a publikáció

1. táblázat. A művek összehasonlítása más publikációkkal.

05. Hasznos linkek

Tudományos publikációk

l-1. Ultra-sűrű optikai adatátvitel szabványos szálon egyetlen chip forrással (OpenAccess)
l-2. Mikro-kombok: Az optikai források új generációja (OpenAccess)
l-3 Mikrorezonátor- alapú szolitonok a masszívan párhuzamos koherens optikai kommunikációkhoz
l-4. Magas rendű koherens kommunikációk móduszalakító sötét impulszus Kerr komokkal mikrorezonátorokból (OpenAccess)
l-5. Mikrorezonátor frekvencia komblé optikai óra (OpenAccess)

Hasznos lehet (Wikipedia)

n-1. Frekvenciakomk
n-2. Szoliton (optika)
n-3. Kvadratur modulálás (QAM)
n-4. Folyamatos hullám (CW)
n-5. Ingyenes spektrális tartomány (FSR)
n-6. Multiplexálás
n-7. Hullámhossz szelektív kapcsolás (WSS)
n-8. Dopált szál-optikai erősítők (DFA, EDFA)
n-9. Jel sebesség
n-10. Baud
n-11. Egymódusú optikai fiber (SMF)
n-12. Konstellációs diagram
n-13. Bit hiba arány (BER)
n-14. Hiba vektor nagyság
n-15. Többváltozós kölcsönhatási információ (MMI, GMI)
n-16. Előre hiba javítás (FEC)
n-17. Alacsony sűrűségű paritásellenőrző kód (LDPC)

Ajánlom, hogy nézze meg a publikációban használt egyéb robotokra vonatkozó hivatkozásokat. [l-1].

06. Utószó

A 44,2 Tb/s-os adatátviteli sebesség elérése (még ha a gyakorlatban ez csak 39,0 Tb/s) lenyűgöző vívmánya a mai tudománynak.

És még ha a gyakorlati felhasználása nem is várható a közeljövőben, a magas sebességű adatátvitel lehetősége egyike azon kevés tudományos területeknek, amely nem vet fel kérdéseket az emberekben, mint például: «miért csináljátok ezt?» vagy «hogyan alkalmazható ez az életünkben?».

Remélem, érdekes volt. Köszönöm a figyelmet!

P.S. Ha hibákat vagy elírásokat talált a szövegben, kérlek, szólj nekem. Ezt megteheti a szöveg egy részének kijelölésével és a "Ctrl / ⌘ + Enter" megnyomásával, ha van Ctrl / ⌘, vagy a privát üzeneteken keresztül. Ha egyik lehetőség sem áll rendelkezésre, kérlek, írd meg a hibákat a megjegyzésekben. Köszönöm!
P.P.S. Hálás lennék, ha még 60 másodpercet szánna és válaszolna az alábbi 2 rövid kérdőívre. Köszönöm!

Csak a regisztrált felhasználók vehetnek részt a szavazáson. Kérem, jelentkezzen be., kérem.