🥇44.2 Tbps száloptikán keresztül – hogyan működik?

22. május 2020-én a Nature Communications közzétett egy cikket az ausztráliai, kínai és kanadai kutatói és tudományos intézményeket képviselő tudósoktól „Ultra sűrű optikai adatátvitel szabványos szálon, egyetlen chipforrással” címmel.

Természetesen egy ilyen címsor nem volt megfelelő széles közönség számára, így mindenki 44.2 Tb/s-ról írt a hírekben - az eredmény, ami meg is lett (van, aki nem fejezte be az olvasást és TB/s jelent meg a címekben, de a helyes érték terabit/s). Találjuk ki együtt, hogyan csinálták, és valójában miről is írtak a kutatók.

Kezdjük el!

tartalomjegyzék

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

Megpróbálom elmagyarázni a tanulmány kulcsfontosságú pontjait, beleértve a kifejezéseket, eszközöket és így tovább. Emellett publikációm végén lesz egy linklista, amelyre kattintva bővebben olvashatsz.

Ne bízz a magyarázatomban 100%-ig. Mint mindenki, kivéve az újságírókat, tévedhetek. Olvass valódi tudományos irodalmat (05. szakasz).

01. Szakdolgozatok

Eredeti publikációs absztraktok [l-1] (Szabad hozzáférés):

A mikrofésűk – az integrált mikroüreges rezonátorok által generált optikai frekvenciájú fésűk – teljes potenciált kínálnak tömeges társaikban, de integrált lábnyomban. Áttörést tettek lehetővé számos területen, beleértve a spektroszkópiát, a mikrohullámú fotonikát, a frekvenciaszintézist, az optikai tartományt, a kvantumforrásokat, a metrológiát és az ultranagy kapacitású adatátvitelt. Itt a szoliton kristályoknak nevezett mikrofésűk nagy teljesítményű osztályának használatával ultramagas adatátvitelt érünk el 75 km szabványos optikai szálon egyetlen integrált chipforrás használatával. 44.2 terabit s-1 vonalsebességet mutatunk be a távközlési C-sáv használatával 1550 nm-en, 10.4 bit s-1 Hz-1 spektrális hatásfokkal. A szoliton kristályok robusztus és stabil generálást és működést, valamint nagy belső hatékonyságot mutatnak, ami a rendkívül alacsony, 48.9 GHz-es szoliton mikrofésűs távolsággal együtt lehetővé teszi egy nagyon magas koherens adatmodulációs formátum (64 QAM - kvadratúra amplitúdó modulált) használatát. . Ez a munka bemutatja az optikai mikrofésűk azon képességét, hogy igényes és praktikus optikai kommunikációs hálózatokban is működjenek.

Egy integrált optikai forrás segítségével több mint 75 km távolságra lehetett információt továbbítani szabványos optikai szálon keresztül. Ugyanakkor a C-sáv (44.2 nm) esetében 1 terabit/s (Tb/s) „sebességet” értek el 550 (b/s)/Hz spektrális hatásfokkal. A szomszédos szolitonok közötti távolság 10.4 GHz-re csökkent.

A 75 km-es tesztet optikai szál segítségével végezték el a laboratóriumban. Emellett az ausztráliai Melbourne-ben is végeztek hasonló "terepi" teszteket egy valódi optikai kapcsolaton (76.6 km).

Amit tudnod kell:

Mikrofésű
Egyszerű szavakkal - egy optikai (olvasni "lézer") forrás. Spektruma diszkrét vonalak sorozatából áll, amelyek egymástól egyenlő távolságra vannak (innen ered a gerinc elnevezése). Ezenkívül magát az ilyen forrás impulzusát is nevezik. Ha érdekel, elolvashatod a kritikát [l-2], amely e terület fő vívmányait érinti (81 oldal, igen, főbb vívmányok, ingyenes hozzáférés). Röviden elolvashatod a Wikipédián [n-1].

Optikai szoliton
Ez egy egyetlen optikai impulzus, amely nemlineáris közegben nagy távolságokra terjedhet anélkül, hogy megváltoztatná az alakját. Általános információk a Wikipédia cikkében találhatók [n-2].

Soliton kristály
Ez a szolitonok időrendben elrendezett együttese, amelyek periodikusan „pozicionálódnak” az őket generáló mező modulációja miatt. Csak időben kristály.

Kvadratúra amplitúdó moduláció (QAM)
A jel fázisának és amplitúdójának megváltoztatásával növelheti a továbbított információ mennyiségét. A fázis eltolódik - negyed kör, tehát „kvadratúra”. A 64-es szám a különböző kombinációk számát jelenti ezzel a modulációval. Kicsit többet olvashatsz a Wikipédián [n-3].

Talán ez most elég lesz, és közben elmagyarázom a fennmaradó kifejezéseket, vagy nem a legkézenfekvőbb dolgokat.

02. Kísérlet

Fig. 1. Egy adatátviteli kísérlet fogalma szoliton kristályokkal [l-1].

a. A kísérletben használt "szolitonkristály" állapotának illusztrációja.
b. Fotó a használt chipről (5 x 9 mm, csak kb. az eszköz és a hullámvezetők által elfoglalt terület) + 2 AUD érme (20.5 mm) a skálaért. A betéten egy gyűrűrezonátor látható. A képen észrevehető torzulás az optikai szálat a helyén tartó ragasztónak köszönhető.
c. Kísérleti terv. Folyamatos hullám (CW) [n-4]) lézer (1.8 W erősítő után) gyűrűrezonátort pumpál (48.9 GHz FSR [n-5]), szoliton kristállyal való kölcsönhatás hatására mikrogerinc keletkezik. A gerincet kiegyenlítjük (azaz az amplitúdót különböző frekvenciákon kiegyenlítjük) és demultiplexeljük [n-6], amely lehetővé teszi további modulációját. Ezután a jelet ismét multiplexeljük, optikai szálon továbbítjuk EDFA (lásd alább) erősítők segítségével, és minden csatornát ismét demultiplexelünk (ez a jelmultiplexelés antonimája).

tovább Fig. 1 rövidítések:

Az ECL - élcsatolt lézer - egy optikai szálhoz csatlakoztatott lézer;
WSS - hullámhossz-szelektív kapcsoló - olyan eszköz, amely lehetővé teszi a hullámhossz szelektív kapcsolását [n-7];
Rx - vevő;
EDFA - Erbium Dopped Fiber Amplifier - Erbium ionokkal adalékolt száloptikai erősítő [n-8].

Lézerrel (1 nm, folyamatos hullám) besugározva a mikroüreg 550 nm-nél nagyobb spektrális szélességű szoliton kristályt hoz létre (körülbelül 80 nm periódussal). A mikrogerinc akkor jön létre, amikor a lézert automatikusan a kívánt értékre állítják be.

Fig. 2. Szoliton kristály előállítása. Lézerezéshez a lézer simán igazodik a rezonancia hosszú hullámhosszú szélétől egy előre meghatározott értékig [l-1].

a. Főgerinc. Akkor jön létre, amikor a lézersugárzás rezonanciában van a gyűrűvel.
b. A kísérletben használt szoliton kristály spektruma. Egy ilyen „csonka” mikrogerinc-spektrum egyetlen, a gyűrűbe bevitt ideiglenes hibának felel meg (az egyik gerincvonal helyett üresedést jelent). Egy előre meghatározott frekvencián szoliton kristály jön létre spektrális jellemzőkkel a fő gerincvonalak körül. Ily módon vonalakat sikerült elérni az optikai adatátvitel teljes C-sávján.
c. A gerincvonalak intenzitásbeli különbsége 10 különböző generációs paraméternél (az ábrán az egyes típusok szimbólumai a 10 eset egyikét képviselik). Mivel az intenzitás a kezdeti spektrum ±0.9 dB-en belül van, feltételezhetjük, hogy a szükséges szolitonkristály keletkezése megbízható.

A szoliton kristályokat 10 különböző hullámhosszon állítottuk elő 1 és 550.300 nm között, és kimutattuk, hogy a kívánt eredményt mind a 1 variáció esetén elértük.

A teljes mikrogerincből 80 vonalat választottunk ki a C-sávon belül (32 nm széles spektrumablak 1 és 536 nm között, 1 THz). Ezeket a sávokat spektrálisan igazították, majd gyakorlatilag megduplázták 567-ra (ez a 3.95 GHz-es gerincnek felel meg). A megkettőzés szükséges a spektrális hatékonyság (spektrális hasznos terhelés) optimalizálásához.

A vizsgált jelhez egy tesztcsíkot (6 csatornás) adtunk. A teljes gerincet 64 QAM formátumban modulálták, ami szimbólumsebességet ad [n-9] 23 gigabodon [n-10], amely lehetővé tette a rendelkezésre álló spektrum 94%-ának használatát.

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

Kísérlet a laboratóriumban.
Tereppróba egy önkormányzati hálózat segítségével, amely összeköti a Melbourne-i Királyi Műszaki Egyetem melbourne-i kampuszát és a Monash Egyetem Clayton kampuszát.

Fig. 3. Egy szoliton kristály többcsatornás spektruma és jelei [l-1].

a. Frekvenciagerinc-spektrum kiegyenlítés után, 12.5 GHz-es felbontáson mérve az egyes vonalak megjelenítéséhez.
b. Laboratóriumi eredmények 75 km rost esetében. Felbontás 50 GHz. A betét a tesztcsatornát (150 MHz-es felbontás) szemlélteti, bemutatva az egyes sorokhoz tartozó páros és páratlan részsávokat (a korábban leírt duplázódás eredménye).
c. Területi eredmények 76.6 km szálra. Felbontás 50 GHz.
d. Jelkonstelláció [n-12] a 193.4 THz-es vonalra (1550.1 nm) két polarizációra (X és Y). A "back-to-back" (B2B) egy közvetlenül csatlakoztatott adónak és vevőnek, a "75 km-es laboratóriumi szál" egy laboratóriumi vizsgálatnak (b), a "76.6 km-es terepi szál" pedig egy terepi tesztnek (c) felel meg.

tovább Fig. 3 rövidítések:

BER - bit hibaarány - bit hibaarány [n-13];
(a hibavektor nagyságától [n-14]) — a jel minőségét jellemzi.

03. Eredmények

Fig. 4. Bithibaarány (BER), spektrális hatékonyság és általánosított kölcsönös információ (GMI) [n-15] egy kísérletben [l-1].

a. BER minden gerincvonalhoz. A kék a B2B konfigurációt, a piros a laboratóriumi kísérletet, a zöld pedig a szabadföldi kísérletet jelöli. A szaggatott vonal 20%-os SD FEC-et jelent az LDPC kódok alapján. A FEC küszöbérték be van választva . Az átvitel után feltételezzük, hogy nincs hiba az összes csatornában.
b. GMI és spektrális intenzitás minden gerincvonalhoz. A GMI-t minden vonalra külön számítják ki azok normalizálása után, ami figyelembe veszi a fogadott üzenet jel-zaj arányát. A vonalak 10% és 20% többletadatokat (OH) jeleznek. A spektrális hatékonyságot (SE) a GMI-ből és a szimbólumsebesség és a gerinctávolság arányából számítják ki. Mivel a GMI ideális jelet feltételez, nagyobb általános információs kapacitást mutat a BER-hez képest. A B2B GMI (SE) sorozatában az értékek 11.3 bps/szimbólum (10.6 bps/szimbólum/Hz) és 10.9 bps/szimbólum (10.3 bps/szimbólum/Hz) között mozognak. Laboratóriumi körülmények között az üvegszálas átvitelnél az értékek (csatornánként) 11.0 bps/szimbólum (10.4 bps/szimbólum/Hz) és 10.7 bps/szimbólum (10.1 bps/szimbólum/Hz) között változtak. Ugyanezeket az eredményeket kaptuk a terepi kísérletekben is.

tovább Fig. 4 rövidítések:

FEC - továbbítási hibajavítás - továbbítási hibajavítás [n-16];
SD FEC - puha döntés FEC;
LDPC – alacsony sűrűségű paritásellenőrző kód – alacsony sűrűségű paritásellenőrző kód [n-17].

A kísérletekben kapott nettó bitrátát 44.2 Tb/s-ra becsülik. Kódolt bitsebességre konvertálva (az adatátvitelhez szükséges redundáns információk hozzáadásával) ez az érték 40.1 Tb/s-ra (B2B konfiguráció), 39.2 Tb/s-ra (laboratóriumban) és 39.0 Tb/s-ra (terepen) csökken. . Ez 10.4, 10.2 és 10.1 bps/Hz-es spektrális hatásfokot jelent.

Ez az eredmény közel 50%-kal magasabb, mint az egyetlen integrált eszközzel kapott eredmények [l-3]. Ugyanakkor a spektrális hatásfok 3.7-szer nagyobb.

04. Összehasonlítás más eredményekkel

Nettó bitráta
Kódolt bitráta
Moduláció
Spektrális hatásfok
Adás
Forrás

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

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

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

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

44.2 Tb/s
39.2 Tb/s
64 QAM
10.2 b/s/Hz
75 km SMF a laboratóriumban
Ez a kiadvány

44.2 Tb/s
39.0 Tb/s
64 QAM
10.1 b/s/Hz
A meglévő önkormányzati vonalon 76.6 km SMF
Ez a kiadvány

Tab. egy. Az eredmények összehasonlítása más publikációkkal.

05. Hasznos linkek

Tudományos publikációk

l-1. Ultrasűrű optikai adatátvitel szabványos szálon keresztül egyetlen chip-forrással (Nyílt hozzáférésű)
l-2. Mikrofésűk: Az optikai források új generációja (Nyílt hozzáférésű)
L-3 Mikrorezonátor alapú szolitonok masszívan párhuzamos koherens optikai kommunikációhoz
l-4. Magasrendű koherens kommunikáció a mikrorezonátorokból származó, módzárolt, sötét impulzusú Kerr-fésűkkel (Nyílt hozzáférésű)
l-5. Mikrorezonátor frekvenciájú fésűs optikai óra (Nyílt hozzáférésű)

Hasznos lehet (Wikipédia)

n-1. Frekvencia fésű
n-2. Soliton (optika)
n-3. Négyzetes amplitúdó moduláció (QAM)
n-4. Folyamatos hullám (Cw)
n-5. Szabad spektrum tartomány (FSR)
n-6. Multiplexelés
n-7. Hullámhossz szelektív kapcsolás (WSS)
n-8. Adalékolt szálas erősítők (DFA, EDFA)
n-9. szimbólum sebesség
n-10. baud
n-11. Egymódú optikai szál (SMF)
n-12. Csillagkép diagram
n-13. Bit hibaarány (BER)
n-14. Hibavektor nagysága
n-15. Többváltozós kölcsönös információ (MMI, GMI)
n-16. Előre hibajavítás (FEC)
n-17. Alacsony sűrűségű paritásellenőrző kód (LDPC)

Azt is javaslom, hogy tekintse meg a kiadványban használt más, ezen a területen lévő robotokra mutató linkeket [l-1].

06. Utószó

A 44.2 Tb/s adatátviteli sebesség elérése (még ha a gyakorlatban 39.0 Tb/s is) a modern tudomány lenyűgöző eredménye.

És bár nem valószínű, hogy hamarosan használhatjuk az életben, a nagy sebességű adatátvitel egyike azon kevés tudományterületeknek, amelyek nem vetnek fel kérdéseket a hétköznapi emberekben: „miért csinálod ezt?” vagy „hogyan tudjuk ezt alkalmazni az életünkben?”

Remélem érdekesnek találtad. Köszönöm a figyelmet!

PS Ha elírást vagy hibát talál a szövegben, kérem jelezze. Ezt úgy teheti meg, hogy kijelöli a szöveg egy részét, és megnyomja a "Ctrl / ⌘ + Enter", ha rendelkezik Ctrl / ⌘ vagy via privát üzenetek. Ha mindkét lehetőség nem elérhető, írjon a hibákról a megjegyzésekben. Köszönöm!
PPS Megköszönném, ha további 60 másodpercet szánna az alábbi 2 rövid kérdőív megválaszolására. Köszönöm!

A felmérésben csak regisztrált felhasználók vehetnek részt. Bejelentkezés, kérem.