🥇44.2 Tb/s su fibra ottica — come funziona?

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

Naturalmente, un titolo del genere non si prestava a un pubblico ampio, quindi nei notiziari si parlava di 44,2 Tbit/s — il risultato raggiunto (alcuni non hanno letto fino in fondo e nei titoli è comparsa TB/s, ma il valore corretto è terabiti/s). Scopriamo insieme come ci sono riusciti e di cosa hanno realmente scritto i ricercatori.

Iniziamo!

Indice

01. Tesi
02. Esperimento
03. Risultati
04. Confronto con altri risultati
05. Link utili
06. Epilogo

Cercherò di spiegare i punti chiave della ricerca, compresi termini, dispositivi e così via. Inoltre, alla fine della mia pubblicazione ci sarà un elenco di link, seguendo i quali potrete leggere di più.

Non fidatevi al 100% della mia spiegazione. Come tutti, eccetto i giornalisti, posso sbagliarmi. Leggete la vera letteratura scientifica (Sezione 05).

01. Tesi

Tesi originali della pubblicazione [l-1] (accesso libero):

I micro-combs – comb di frequenza ottica generati da risonatori micro-cavità integrati – offrono il pieno potenziale dei loro omologhi a massa, ma in un formato integrato. Hanno consentito progressi in molti settori tra cui spettroscopia, fotonica a microonde, sintesi di frequenza, misurazione ottica, sorgenti quantistiche, metrologia e trasmissione di dati ad altissima capacità. Qui, utilizzando una potente classe di micro-comb chiamata cristalli di solitoni, raggiungiamo una trasmissione di dati ultra-alta su 75 km di fibra ottica standard utilizzando una sorgente a chip integrata. Dimostriamo una velocità di linea di 44,2 Terabit s−1 usando la banda C delle telecomunicazioni a 1550 nm con un'efficienza spettrale di 10,4 bit s−1 Hz−1. I cristalli di solitoni mostrano una generazione e un'operazione robuste e stabili, oltre a un'alta efficienza intrinseca che, insieme a una distanza di micro-comb di solitoni estremamente bassa di 48,9 GHz, consentono l'uso di un formato di modulazione dati altamente coerente (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 è stato possibile trasmettere informazioni su fibra ottica standard a una distanza superiore a 75 km. È stata raggiunta una "velocità" di 44,2 terabit/s (Tbit/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 a 75 km è stato eseguito utilizzando fibra ottica in laboratorio. Inoltre, sono stati condotti test "sul campo" simili su una vera linea ottica (76,6 km) a Melbourne, Australia.

Cosa c'è da sapere:

Micro-pettine (micro-comb)
In parole semplici: una sorgente ottica (leggi 'laser'). Il suo spettro è composto da una serie di linee discrete, equidistanti tra loro (da cui il nome di pettine). Viene anche chiamimpulso della sorgente. Se sei interessato, puoi leggere la panoramica [l-2], che affronta i principali traguardi di questo campo (pagina 81, sì, i principali traguardi, accesso libero). Puoi leggere un breve riassunto su Wikipedia [n-1].

Solitone ottico
È un impulso ottico singolo, capace di propagarsi in ambienti non lineari per lunghe distanze senza cambiare forma. Puoi trovare informazioni generali nell'articolo su Wikipedia [n-2].

Cristallo di solitoni (soliton crystal)
È un insieme di solitoni ordinati nel tempo, 'posizionati' periodicamente grazie alla modulazione del campo che li genera. Si tratta di un cristallo solo nel tempo.

Modulazione di ampiezza in quadratura (QAM)
Modificando la fase e l'ampiezza del segnale, è possibile aumentare la quantità di informazioni trasmesse. La fase viene spostata di — un quarto di cerchio, da cui 'quadratura'. Il numero 64 indica il numero di diverse combinazioni in tale modulazione. Puoi leggere in dettaglio su Wikipedia [n-3].

Penso che per ora basti così, e spiegherò i termini o le cose meno ovvie man mano.

02. Esperimento

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

a. Illustrazione dello stato del 'cristallo di solitoni', utilizzato nell'esperimento.
b. Foto del chip utilizzato (5 x 9 mm, soltanto circa l'area occupata dal dispositivo e dai waveguide) + moneta da 2 AUD (20,5 mm) per scala. L'inserto mostra un risonatore ad anello. La distorsione visibile nell'immagine è dovuta all'adesivo che tiene in posizione la fibra ottica.
c. Schema dell'esperimento. Un laser che emette continuamente (CW [n-4]) (1.8 W dopo l'amplificatore) eccita un risonatore ad anello (FSR di 48.9 GHz [n-5]), generando un micro-pettine durante l'interazione con il cristallo di solitoni. Il pettine viene allineato (si intende l'allineamento dell'ampiezza su diverse frequenze) e demultiplexato [n-6], che consente ulteriori modulazioni. Successivamente, il segnale viene nuovamente compresso, trasmesso tramite fibra ottica utilizzando amplificatori EDFA (vedi sotto) e ogni canale viene di nuovo demuxato (questo è l'antonomasia della compressione del segnale).

A Fig. 1 abbreviazioni:

ECL — edge-coupled laser — è un laser collegato alla fibra ottica;
WSS — wavelength-selective switch — dispositivo che consente la commutazione selettiva della lunghezza d'onda [n-7];
Rx — ricevitore;
EDFA — Erbium Doped Fiber Amplifier — amplificatore a fibra ottica drogato con ioni di erbio [n-8].

Quando il laser emette (1 550 nm, continuo), il micro-risonatore genera un cristallo solitonico con larghezza spettrale superiore a 80 nm (con un periodo di circa 0.4 nm). Il micro-cresta viene generato quando il laser è sintonizzato automaticamente sul valore desiderato.

Fig. 2. Generazione di un cristallo solitonico. Per generare, il laser viene stentato dolcemente dalla soglia di lunghezza d'onda a un valore predefinito [l-1].

a. Cresta principale. Viene generata quando l'emissione del laser è in risonanza con l'anello.
b. Spettro del cristallo solitonico utilizzato nell'esperimento. Tale spettro "troncato" della micro-cresta corrisponde a un difetto temporale unitario inserito nell'anello (si intende una vacanza al posto di una delle linee della cresta). A una frequenza prestabilita, viene generato un cristallo solitonico con caratteristiche spettrali attorno alle linee della cresta principale. In questo modo si sono ottenute linee lungo l'intera banda C della trasmissione ottica.
c. Differenza di intensità delle linee di cresta per 10 diversi parametri di generazione (i simboli di ciascun tipo nella Fig. rappresentano uno dei 10 casi). Poiché l'intensità rientra nei limiti di ± 0.9 dB dallo spettro iniziale, si può considerare che la generazione del cristallo solitonico desiderato 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.

Da tutta la micro-cresta sono state selezionate 80 linee all'interno della banda C (finestra spettrale larga 32 nm da 1 536 a 1 567 nm, 3.95 THz). Queste bande sono state allineate spettralmente e poi effettivamente raddoppiate a 160 (equivalente a una cresta di 24.5 GHz). Il raddoppio è necessario per ottimizzare l'efficienza spettrale (informazione utile spettrale).

Al segnale studiato è stata aggiunta una banda di test (6 canali). Tutta la cresta è stata modulata in formato 64 QAM, il che offre una velocità simbolica [n-9] a 23 gigabod [n-10], consentendo di utilizzare il 94% dello spettro disponibile.

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

Esperimento in laboratorio.
Prove sul campo utilizzando la rete municipale, che collega il campus di Melbourne del Royal Melbourne Institute of Technology al campus dell'Università di Monash a Clayton.

Fig. 3. Spettri multimodali e segnali del cristallo solitonico [l-1].

a. Spettro della cresta di frequenza dopo allineamento, misurato con risoluzione di 12.5 GHz, per evidenziare le ligne separate.
b. Risultati di laboratorio per 75 km di fibra ottica. Risoluzione 50 GHz. L'inserimento illustra il canale di test (risoluzione 150 MHz), mostrando le sub-bande pari e dispari presenti per ogni linea (risultato del raddoppio precedentemente descritto).
c. Risultati sul 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) corrisponde a un trasmettitore e ricevitore direttamente collegati, "75 km in-lab fibre" — sperimentazione in laboratorio (b) e "76.6 km field fibre" — sperimentazione sul campo (c).

A Fig. 3 abbreviazioni:

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

03. Risultati

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

a. BER per ogni linea della cresta. In blu è indicata la configurazione B2B, in rosso l'esperimento in laboratorio, in verde l'esperimento sul campo. La linea tratteggiata indica il 20% SD FEC, basato su codici LDPC. La soglia FEC è stata scelta a . Dopo la trasmissione, si ritiene che non ci siano errori in tutti i canali.
b. GMI e l'intensità spettrale per ogni linea di cresta. GMI è calcolato separatamente per ogni linea dopo la loro normalizzazione, che tiene conto del rapporto segnale-rumore del messaggio ottenuto. Le linee mostrano il 10% e il 20% di dati ridondanti (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 di 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 su fibra ottica in condizioni di laboratorio, i valori (per il canale) sono stati da 11.0 b/simbolo (10.4 b/simbolo/Hz) a 10.7 b/simbolo (10.1 b/simbolo/Hz). Risultati simili sono stati ottenuti durante i test sul campo.

A Figura 4 abbreviazioni:

FEC — correzione degli errori in avanti — correzione diretta degli errori [n-16];
SD FEC — FEC a decisione soft;
LDPC — codice a bassa densità di controllo di parità — codice con bassa densità di controlli di parità [n-17].

Il bitrate netto ottenuto negli esperimenti è stato stimato in 44.2 Tb/s. Quando convertito 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 significa un'efficienza spettrale di 10.4, 10.2 e 10.1 b/s/Hz rispettivamente.

Questo risultato supera quasi del 50% i risultati ottenuti utilizzando un singolo dispositivo integrato [l-3]. Inoltre, l'efficienza spettrale è superiore di 3.7 volte.

04. Confronto con altri risultati

Bitrate netto
Bitrate codificato
Modulazione
Efficienza spettrale
Trasferimento
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 fibre
[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 linea municipale attiva
Questa pubblicazione

Tab. 1. Confronto dei risultati con altre pubblicazioni.

05. Link utili

Pubblicazioni scientifiche

l-1. Trasmissione dati ottici ultra-densa su fibra standard con una sorgente a singolo chip (OpenAccess)
l-2. Micro-combs: una nuova generazione di sorgenti ottiche (OpenAccess)
l-3 Solitoni basati su microresonatori per comunicazioni ottiche coerenti massivamente parallele
l-4. Comunicazioni coerenti di ordine superiore utilizzando combs Kerr a impulso oscuro bloccato da microresonatori (OpenAccess)
l-5. Orologio ottico a comb di frequenza basato su microresonatore (OpenAccess)

Potrebbe essere utile (Wikipedia)

n-1. Comb di frequenza
n-2. Solitone (ottica)
n-3. Modulazione a ampiezza in quadratura (QAM)
n-4. onda continua (CW)
n-5. intervallo spettrale gratuito (FSR)
n-6. Multiplexing
n-7. commutazione selettiva della lunghezza d'onda (WSS)
n-8. amplificatori a fibra drogata (DFA, EDFA)
n-9. velocità simbolo
n-10. Baud
n-11. fibra ottica monomodo (SMF)
n-12. diagramma di costellazione
n-13. tasso di errore dei bit (BER)
n-14. magnitudine del vettore d'errore
n-15. informazione mutua multivariata (MMI, GMI)
n-16. correzione degli errori in avanti (FEC)
n-17. codice a controllo di parità a bassa densità (LDPC)

Ti consiglio anche di dare un'occhiata ai collegamenti ad altre ricerche in questo campo utilizzate nella pubblicazione [l-1].

06. Epilogo

Raggiungere una velocità di trasmissione dati di 44,2 Tb/s (anche se in pratica è 39,0 Tb/s) è un traguardo impressionante per la scienza moderna.

E anche se non saremo in grado di usarlo nella vita quotidiana a breve, la possibilità di trasmettere dati ad alta velocità è uno dei pochi ambiti scientifici che non suscita nei comuni cittadini domande come 'a cosa serve?' o 'come possiamo applicarlo nella nostra vita?'.

Spero che ti sia piaciuto. Grazie per l'attenzione!

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