🥇44,2 Tb/s su fibra ottica — come funziona?

Il 22 maggio 2020, su Nature Communications, è stato pubblicato un articolo di scienziati provenienti da enti di ricerca in Australia, Cina e Canada, intitolato 'Trasmissione di dati ottici ultra-densa su fibra standard con una fonte a chip singolo'.

Naturalmente, un titolo del genere non era adatto a un pubblico vasto, quindi le notizie parlavano tutte di 44,2 Tb/s — il risultato raggiunto (alcuni non hanno letto fino alla fine e nei titoli è apparso Tb/s, ma il valore corretto è terabit/s). Vediamo insieme come ci sono riusciti e di cosa hanno realmente scritto i ricercatori.

Iniziamo!

Indice

01. Sintesi
02. Esperimento
03. Risultati
04. Confronto con altri risultati
05. Link utili
06. Conclusione

Cercherò di spiegare i punti chiave dello studio, inclusi termini, dispositivi e altro ancora. Inoltre, alla fine della mia pubblicazione, ci sarà un elenco di link dove potete leggere di più.

Non bisogna fidarsi ciecamente della mia spiegazione. Come tutti, tranne i giornalisti, posso sbagliare. Leggete la vera letteratura scientifica (Sezione 05).

01. Sintesi

Sintesi originale della pubblicazione [l-1] (accesso libero):

I micro-comb – pettini di frequenza ottici generati da risonatori a microcavità integrati – offrono tutto il potenziale dei loro omologhi di grandezza, ma in una forma compatta integrata. Hanno permesso avanzamenti in molti campi, inclusi la spettroscopia, la fotonica microonde, la sintesi di frequenza, la misurazione ottica, le sorgenti quantistiche, la metrologia e la trasmissione dati ad ultralta capacità. Qui, utilizzando una potente classe di micro-comb chiamata cristalli solitoni, otteniamo una trasmissione dati ultra-alta su più di 75 km di fibra ottica standard utilizzando una singola sorgente a chip integrato. Dimostriamo una velocità di linea di 44,2 terabit al secondo utilizzando la banda C delle telecomunicazioni a 1550 nm con un'efficienza spettrale di 10,4 bit s−1 Hz−1. I cristalli solitoni mostrano una generazione e un'operazione robuste e stabili, nonché un'alta efficienza intrinseca che, insieme a una spaziatura di micro-comb solitoni estremamente bassa di 48,9 GHz, consente l'uso di un formato di modulazione dati coerente molto alto (64 QAM — modulazione di ampiezza in quadratura). Questo lavoro dimostra la capacità dei micro-comb ottici di operare in reti di comunicazione ottica pratiche e impegnative.

Utilizzando una sorgente ottica integrata, siamo riusciti a trasmettere informazioni su fibra ottica standard a una distanza superiore ai 75 km. È stata raggiunta una “velocità” di 44,2 terabit/s (Tb/s) per la banda C (1.550 nm) con un'efficienza spettrale di 10,4 (b/s)/Hz. La distanza tra i solitoni adiacenti è stata ridotta a 48,9 GHz.

Il test su 75 km è stato effettuato utilizzando fibra ottica in laboratorio. Inoltre, sono stati condotti test "sul campo" simili su una reale linea ottica (76,6 km) a Melbourne, Australia.

Cosa c'è da sapere:

Micro-grebene (micro-comb)
In termini semplici — una sorgente ottica (leggi "laser"). Il suo spettro è composto da una serie di linee discrete, equidistanti tra loro (da qui il nome grebene). Inoltre, anche l'impulso di questa sorgente è chiamato grebena. Se sei interessato, puoi leggere una panoramica [l-2], che affronta i principali progressi in questo campo (pagina 81, sì, i principali progressi, accesso libero). Un riassunto può essere trovato su Wikipedia [n-1].

Solitone ottico
È un singolo impulso ottico che può propagarsi in un ambiente non lineare su lunghe distanze senza modificare la sua forma. Puoi trovare informazioni generali nell'articolo su Wikipedia [n-2].

Cristallo solitonico (soliton crystal)
È un insieme ordinato nel tempo di solitoni, che sono "posizionati" periodicamente grazie alla modulazione del campo che li genera. Si definisce cristallo solo in relazione al tempo.

Modulazione di ampiezza quadrata (QAM)
Attraverso la modifica della fase e dell'ampiezza del segnale, è possibile aumentare la quantità di informazioni trasmesse. La fase è spostata di — un quarto di giro, da qui "quadratura". Il numero 64 indica il numero di diverse combinazioni in tale modulazione. Puoi leggere di più su Wikipedia. [n-3].

Direi che per ora basta così, e spiegherò i termini rimanenti o le cose meno ovvie man mano che andiamo avanti.

02. Esperimento

Fig. 1. Concetto dell'esperimento di trasmissione dati tramite cristalli solitoni. [l-1].

a. Illustrazione dello stato del "cristallo solitone" utilizzato nell'esperimento.
b. Foto del chip utilizzato (5 x 9 mm, solo circa dell'area occupata dal dispositivo e dai waveguide) + moneta da 2 AUD (20,5 mm) per scala. L'inserto mostra il risonatore ad anello. La distorsione visibile nell'immagine è dovuta alla colla che fissa la fibra ottica.
c. Schema dell'esperimento. Un laser a emission continua (CW [n-4]) (1,8 W dopo l'amplificatore) pompa il risonatore ad anello (48,9 GHz FSR [n-5]), generando un micro-picco durante l'interazione con il cristallo solitonico. Il picco si allinea (si intende l'allineamento dell'ampiezza a diverse frequenze) e viene demultiplexato [n-6], permettendo una sua ulteriore modulazione. Il segnale viene quindi nuovamente compresso, trasmesso attraverso la fibra ottica utilizzando amplificatori EDFA (vedi sotto) e ogni canale viene nuovamente demultiplexato (questo è l'opposto della compressione del segnale).

Su Fig. 1 abbreviazioni:

ECL — laser accoppiato a fibra — è un laser connesso alla fibra ottica;
WSS — switch selettivo per lunghezza d'onda — dispositivo che consente il commutazione selettiva della lunghezza d'onda [n-7];
Rx — ricevitore;
EDFA — Amplificatore per fibra ottica drogato con erbio — amplificatore a fibra ottica drogato con ioni di erbio [n-8].

Durante l'emissione del laser (1550 nm, continuo), il micro-risonatore genera un cristallo solitonico con una larghezza spettrale superiore a 80 nm (con un periodo di circa 0.4 nm). Il micro-picco viene generato quando il laser si sintonizza automaticamente sul valore desiderato.

Fig. 2. Generazione del cristallo solitonico. Per generare, il laser si sintonizza dolcemente dal bordo a lunghezza d'onda lunga del risonatore su un valore predeterminato. [l-1].

a. Il picco principale. Viene generato quando la radiazione laser è in risonanza con l'anello.
b. Spettro del cristallo solitonico utilizzato nell'esperimento. Questo spettro "troncato" del micro-picco corrisponde a un difetto temporale unitario introdotto nell'anello (si riferisce a una vacanza al posto di una delle linee del picco). A una frequenza predeterminata, viene generato un cristallo solitonico con caratteristiche spettrali attorno alle linee del picco principale. Questo ha portato a delle linee su tutta la banda C della trasmissione ottica dei dati.
c. Differenza di intensità delle linee del picco per 10 diversi parametri di generazione (i simboli di ciascun tipo nella figura rappresentano uno dei 10 casi). Poiché l'intensità è compresa tra ± 0.9 dB rispetto allo spettro iniziale, si può considerare che la generazione del cristallo solitonico richiesto sia affidabile.

I cristalli solitonici sono stati generati per 10 diverse lunghezze d'onda da 1 550.300 a 1 550.527 nm e si è dimostrato che il risultato desiderato viene raggiunto per tutte e 10 le variazioni.

Dall'intero micro-grebbo sono state selezionate 80 linee all'interno della banda C (finestra spettrale di 32 nm da 1536 a 1567 nm, 3.95 THz). Queste bande sono state spettralmente allineate e poi efficacemente raddoppiate a 160 (equivalente a un grebbio di 24.5 GHz). Il raddoppiamento è necessario per ottimizzare l'efficienza spettrale (informazione spettrale utile).

È stata aggiunta una banda di test al segnale in esame (6 canali). L'intero grebbio è stato modulato in formato 64 QAM, il che fornisce una velocità simbolica [n-9] a 23 gigabod [n-10], il che ha permesso di utilizzare il 94% dello spettro disponibile.

Sono stati condotti 2 esperimenti di trasmissione delle informazioni su 75 km. In entrambi i casi è stata utilizzata fibra ottica monomodale [n-11].

Esperimento in laboratorio.
Test sul campo utilizzando una rete municipale che collega il campus di Melbourne del Royal Melbourne Institute of Technology con il campus dell'Università di Monash a Clayton.

Figura 3. Spettri multicanale e segnali di cristallo solitonico [l-1].

a. Spettro del grebbio di frequenza dopo l'allineamento, misurato con una risoluzione di 12.5 GHz, per mostrare linee separate.
b. Risultati di laboratorio per 75 km di fibra ottica. Risoluzione 50 GHz. L'inserto illustra il canale di test (risoluzione 150 MHz), mostrando le bande sub-ottimali pari e dispari presenti per ogni linea (risultato del raddoppio descritto in precedenza).
c. Risultati di campo per 76,6 km di fibra ottica. Risoluzione 50 GHz.
d. Costellazione del segnale [n-12] per la linea 193,4 THz (1550,1 nm) per due polarizzazioni (X e Y). "Back-to-back" (B2B) si riferisce a trasmettitore e ricevitore collegati direttamente, "75 km in-lab fibre" — prova di laboratorio (b) e "76,6 km field fibre" — prova sul campo (c).

Su Fig. 3 abbreviazioni:

BER — bit error rate — tasso di errore bit [n-13];
(dalla magnitudine del vettore di errore [n-14]) — caratterizza la qualità del segnale.

03. Risultati

Figura 4. Tasso di errore bit (BER), efficienza spettrale e informazione mutua generalizzata (GMI) [n-15] nell'esperimento [l-1].

a. BER per ciascuna linea di cresta. La configurazione B2B è indicata in blu, l'esperimento di laboratorio in rosso e l'esperimento sul campo in verde. La linea tratteggiata indica il 20% di SD FEC, basato su codici LDPC. La soglia FEC è scelta in . Dopo la trasmissione, si considera che non ci siano errori in tutti i canali.
b. GMI e intensità spettrale per ciascuna linea di cresta. GMI è calcolato separatamente per ogni linea dopo la loro normalizzazione, che consente di considerare il rapporto segnale-rumore del messaggio ricevuto. Le linee mostrano il 10% e il 20% di dati superflui (OH). L'efficienza spettrale (SE) è calcolata da GMI e dal rapporto tra la velocità simbolica e la distanza tra le creste. Poiché GMI presuppone un segnale ideale, mostra una maggiore capacità complessiva d'informazione rispetto al BER. Nella sequenza GMI (SE) per B2B, i valori variano da 11.3 b/simbolo (10.6 b/simbolo/Hz) a 10.9 b/simbolo (10.3 b/simbolo/Hz). Per la trasmissione tramite fibra ottica in condizioni di laboratorio, i valori (per il canale) erano compresi tra 11.0 b/simbolo (10.4 b/simbolo/Hz) e 10.7 b/simbolo (10.1 b/simbolo/Hz). Risultati simili sono stati ottenuti in prove sul campo.

Su Fig. 4 abbreviazioni:

FEC — forward error correction — correzione degli errori diretta [n-16];
SD FEC — soft decision FEC;
LDPC — low-density parity-check code — codice a bassa densità di controllo della parità [n-17].

Il bitrate netto ottenuto negli esperimenti è stato valutato in 44,2 Tb/s. Convertendo in bitrate codificato (aggiungendo informazioni ridondanti per la trasmissione dei dati), questo valore scende a 40,1 Tb/s (configurazione B2B), 39,2 Tb/s (in laboratorio) e 39,0 Tb/s ("in campo"). Ciò implica un'efficienza spettrale di 10,4, 10,2 e 10,1 b/s/Hz rispettivamente.

Questo risultato supera di quasi il 50% i risultati ottenuti con l'uso di un singolo dispositivo integrato. [l-3]. L'efficienza spettrale è superiore di 3,7 volte.

04. Confronto con altri risultati

Bitrate netto
Bitrate codificato
Modulazione
Efficienza spettrale
Trasmissione
Fonte

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

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

25,6 Tb/s
22,0 Tb/s
16 QAM
3,2 b/s/Hz
9,6 km, fibra ottica a 30 fili
[l-5]

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

44,2 Tb/s
39,2 Tb/s
64 QAM
10,2 b/s/Hz
75 km SMF in laboratorio
Questa pubblicazione

44,2 Tb/s
39,0 Tb/s
64 QAM
10,1 b/s/Hz
76,6 km SMF su una linea municipale attiva
Questa pubblicazione

Tab. 1. Confronto dei risultati con altre pubblicazioni.

05. Link utili

Pubblicazioni scientifiche

l-1. Trasmissione ottica ultra-densa di dati su fibra standard con una sorgente a chip singolo (OpenAccess)
l-2. Micro-comb: Una nuova generazione di sorgenti ottiche (OpenAccess)
l-3 Solitoni basati su microresonatori per comunicazioni ottiche coerenti massivamente parallelle
l-4. Comunicazioni coerenti di alto ordine utilizzando combs di Kerr a impulsi scuri bloccati in modalità da microresonatori (OpenAccess)
l-5. Orologio ottico a comb di frequenza da microresonatore (OpenAccess)

Può essere utile (Wikipedia)

n-1. Combinazione di frequenze
n-2. Solitone (ottica)
n-3. Modulazione di ampiezza in quadratura (QAM)
n-4. Onda continua (CW)
n-5. Intervallo spettrale libero (FSR)
n-6. Multiplexing
n-7. Switching selettivo per lunghezza d'onda (WSS)
n-8. Amplificatori a fibra drogata (DFA, EDFA)
n-9. Tasso simbolo
n-10. Baud
n-11. Fibra ottica monomodale (SMF)
n-12. Diagramma di costellazione
n-13. Tasso di errore bit (BER)
n-14. Magnitudo dell'errore vettoriale
n-15. Informazione mutua multivariata (MMI, GMI)
n-16. Correzione dell'errore in avanti (FEC)
n-17. Codice a controllo di parità a bassa densità (LDPC)

Raccomando anche di dare un'occhiata a altri lavori nel campo menzionati nella pubblicazione [l-1].

06. Conclusione

Raggiungere una velocità di trasmissione dati di 44.2 Tb/s (anche se in pratica è 39.0 Tb/s) è un risultato impressionante della scienza moderna.

E anche se non possiamo probabilmente utilizzare questa tecnologia nella vita reale a breve, la possibilità di trasmettere dati ad alta velocità è uno degli ambiti della scienza che non solleva domande come 'perché lo fate?' o 'come si applica alla nostra vita?'.

Spero che sia stato interessante. Grazie per l'attenzione!

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