🥇44.2 Tbps מעל סיבים אופטיים - איך זה עובד?

ב-22 במאי 2020, Nature Communications פרסמה מאמר של מדענים המייצגים מוסדות מחקר ומדעיים באוסטרליה, סין וקנדה, שכותרתו "העברת נתונים אופטית צפופה במיוחד על גבי סיב סטנדרטי עם מקור שבב יחיד".

מטבע הדברים, כותרת כזו לא התאימה לקהל רחב, כי בחדשות כולם כתבו על 44.2 TB/s - התוצאה שהצליחו להשיג (חלקם לא סיימו לקרוא ושחפת/ים הופיעו בכותרות, אבל הנכונה הערך הוא טרה-ביטים/שניות). בואו נבין ביחד איך הם עשו את זה ועל מה החוקרים כתבו בפועל.

בוא נתחיל!

תוכן העניינים

01. תקצירים
02. ניסוי
03. תוצאות
04. השוואה לתוצאות אחרות
05. קישורים שימושיים
06. המשך

אנסה להסביר את נקודות המפתח של המחקר, לרבות מונחים, מכשירים וכדומה. כמו כן, בסוף הפוסט שלי תהיה רשימה של קישורים שבהם תוכלו לקרוא עוד.

אל תסמוך על ההסבר שלי ב-100%. כמו כולם חוץ מעיתונאים, אני יכול לטעות. קרא ספרי עיון אמיתייםסעיף 05).

01. תקצירים

תקציר מקורי של הפרסום [l-1] (גישה חופשית):

מיקרו-מסרקים - מסרקות תדר אופטיות שנוצרו על ידי מהודים משולבים של מיקרו-חלל - מציעים את מלוא הפוטנציאל של עמיתיהם בתפזורת, אך בטביעת רגל משולבת. הם אפשרו פריצות דרך בתחומים רבים כולל ספקטרוסקופיה, פוטוניקת מיקרוגל, סינתזת תדרים, טווח אופטי, מקורות קוונטיים, מטרולוגיה והעברת נתונים בקיבולת גבוהה במיוחד. כאן, באמצעות מחלקה עוצמתית של מיקרו-מסרק הנקראת גבישי סוליטון, אנו משיגים שידור נתונים גבוה במיוחד מעל 75 ק"מ של סיב אופטי סטנדרטי באמצעות מקור שבב משולב יחיד. אנו מדגימים קצב קו של 44.2 טרה-ביט s-1 תוך שימוש ב-C-band הטלקומוניקציה ב-1550 ננומטר עם יעילות ספקטרלית של 10.4 סיביות s-1 Hz-1. גבישי סוליטון מציגים יצירה ופעולה חזקים ויציבים, כמו גם יעילות פנימית גבוהה, שיחד עם מרווח מיקרו-מסרק סוליטון נמוך במיוחד של 48.9 גיגה-הרץ מאפשרים שימוש בפורמט אפנון נתונים קוהרנטי גבוה מאוד (64 QAM - משרעת נצב מאופנן) . עבודה זו מדגימה את היכולת של מיקרו-מסרקים אופטיים לתפקד ברשתות תקשורת אופטיות תובעניות ומעשיות.

באמצעות מקור אופטי משולב ניתן היה להעביר מידע על סיב אופטי סטנדרטי למרחק של יותר מ-75 ק"מ. זה השיג "מהירות" של 44.2 טרה-ביט/שנייה (Tb/s) עבור פס C (1 ננומטר) עם יעילות ספקטרלית של 550 (b/s)/Hz. המרחק בין סוליטונים שכנים הצטמצם ל-10.4 גיגה-הרץ.

בדיקה של 75 ק"מ בוצעה באמצעות סיבים אופטיים במעבדה. בנוסף, בדיקות "שדה" דומות בוצעו על קישור אופטי אמיתי (76.6 ק"מ) במלבורן, אוסטרליה.

מה שאתה צריך לדעת:

מיקרו-מסרק (מיקרו-מסרק)
במילים פשוטות - מקור אופטי (קרא "לייזר"). הספקטרום שלו מורכב מסדרה של קווים נפרדים הנמצאים באותו מרחק זה מזה (ומכאן שמו של המסרק). בנוסף, הדחף של מקור כזה נקרא גם. אם אתה מעוניין, אתה יכול לקרוא את הביקורת [l-2], הנוגע בהישגים העיקריים של תחום זה (81 עמודים, כן, ההישגים העיקריים, גישה חופשית). תקציר קצר ניתן למצוא בויקיפדיה. [n-1].

סוליטון אופטי
זהו פולס אופטי יחיד שיכול להתפשט במדיום לא ליניארי למרחקים ארוכים מבלי לשנות את צורתו. מידע כללי ניתן למצוא במאמר בויקיפדיה [n-2].

קריסטל סוליטון
זהו אנסמבל של סוליטונים מסודרים בזמן, אשר "מסודרים" מעת לעת עקב אפנון השדה היוצר אותם. הגביש הוא רק בזמן.

אפנון משרעת נצב (QAM)
על ידי שינוי הפאזה והמשרעת של האות, אתה יכול להגדיל את כמות המידע המועבר. השלב מועבר ל - רבע מעגל, ולכן "מרובע". המספר 64 פירושו מספר השילובים השונים עם אפנון זה. אתה יכול לקרוא קצת יותר בויקיפדיה. [n-3].

אולי זה יספיק לעת עתה, ואני אסביר את שאר המונחים או לא את הדברים הכי ברורים לאורך הדרך.

02. ניסוי

תאנה. 1. הרעיון של ניסוי העברת נתונים באמצעות גבישי סוליטון [l-1].

a. המחשה של מצב "גביש הסוליטון" ששימש בניסוי.
b. תמונה של שבב משומש (5 x 9 מ"מ, רק כ. שטח התפוס על ידי המכשיר ומובילי הגלים) + מטבע 2 AUD (20.5 מ"מ) לקנה מידה. התוספת מציגה מהוד טבעת. העיוות הנראה בתמונה נובע מהדבק שמחזיק את הסיב במקומו.
c. תכנית הניסוי. מקרינה מתמשכת (CW [n-4]) לייזר (1.8 W אחרי המגבר) שואב חלל טבעת (48.9 GHz FSR [n-5]), יצירת מיקרו-רכס עם אינטראקציה עם גביש סוליטון. הפסגה מפולסת (כלומר השוואת משרעת בתדרים שונים) ומחולקת [n-6], המאפשר אפנון נוסף. לאחר מכן, האות מורבב שוב, מועבר על גבי סיבים באמצעות מגברי EDFA (ראה להלן), וכל ערוץ עובר דה-מולטיפלקס שוב (זה ההפך מריבוב אותות).

על איור. מספר קיצורי מילים:

ECL - לייזר צמוד קצה הוא לייזר המחובר לסיב אופטי;
WSS - מתג סלקטיבי באורך גל - מכשיר המאפשר החלפה סלקטיבית של אורך הגל [n-7];
מקלט Rx;
EDFA - מגבר סיבים דומים ארביום - מגבר סיבים אופטיים מסומם ביוני ארביום [n-8].

תחת קרינת לייזר (1 ננומטר, רציפה), המיקרו-מהוד יוצר גביש סוליטון ברוחב ספקטרלי של יותר מ-550 ננומטר (עם פרק זמן של כ-80 ננומטר). מסרק המיקרו נוצר על ידי התאמה אוטומטית של הלייזר לערך הרצוי.

תאנה. 2. יצירת קריסטל סוליטון. כדי ליצור, הלייזר מתכוונן בצורה חלקה מקצה התהודה באורך הגל הארוך לערך שנקבע מראש [l-1].

a. מסרק ראשי. הוא נוצר כאשר קרינת הלייזר נמצאת בתהודה עם הטבעת.
b. הספקטרום של גביש הסוליטון בשימוש בניסוי. ספקטרום מיקרו-רכס "קטום" כזה מתאים לפגם זמני יחיד שהוכנס לטבעת (כלומר מקום פנוי במקום אחד מקווי הרכס). בתדירות קבועה מראש, נוצר גביש סוליטון עם מאפיינים ספקטרליים סביב קווי הקודקוד הראשיים. לפיכך, קווים הושגו לאורך פס ה-C של שידור נתונים אופטי.
c. ההבדל בעוצמת קווי הקודקוד עבור 10 פרמטרי דור שונים (סמלים מכל סוג באיור מייצגים אחד מ-10 מקרים). מכיוון שהעוצמה נמצאת בטווח של ± 0.9 dB מהספקטרום ההתחלתי, ניתן להניח שיצירת גביש הסוליטון הנדרש הוא אמין.

גבישי סוליטון נוצרו עבור 10 אורכי גל שונים מ-1 עד 550.300 ננומטר והוכח כי התוצאה הנדרשת מושגת עבור כל 1 הווריאציות.

מכל המיקרו-רכס, נבחרו 80 קווים בתוך פס ה-C (חלון ספקטרלי ברוחב 32 ננומטר מ-1 ל-536 ננומטר, 1 THz). פסים אלו מיושרו ספקטרלית ולאחר מכן הוכפלו למעשה ל-567 (שווה ערך לפס של 3.95 GHz). הכפלה נחוצה כדי לייעל את היעילות הספקטרלית (מידע שימושי ספקטרלי).

רצועת בדיקה (6 ערוצים) נוספה לאות הנבדק. המסרק כולו היה מאופנן בפורמט 64 QAM, מה שנותן קצב סמלים [n-9] ב-23 גיגה-בייט [n-10], מה שאפשר להשתמש ב-94% מהספקטרום הזמין.

בסך הכל, בוצעו 2 ניסויים בהעברת מידע לאורך 75 ק"מ. בשני המקרים נעשה שימוש בסיבים חד-מצביים. [n-11].

ניסוי במעבדה.
ניסוי שטח באמצעות הרשת העירונית המחברת את קמפוס מלבורן של האוניברסיטה המלכותית לטכנולוגיה של מלבורן וקמפוס אוניברסיטת מונאש קלייטון.

תאנה. 3. ספקטרה רב-ערוצית ואותות של קריסטל סוליטון [l-1].

a. ספקטרום פסגת התדרים לאחר איזון, נמדד ב-12.5 GHz כדי להציג קווים בודדים.
b. תוצאות מעבדה עבור 75 ק"מ סיבים. רזולוציה 50 GHz. התוספת ממחישה את ערוץ הבדיקה (רזולוציית 150 מגה-הרץ), מראה את תת-הפסים הזוגיים והאי-זוגיים הקיימים עבור כל קו (התוצאה של ההכפלה שתוארה קודם לכן).
c. תוצאות שדה עבור 76.6 ק"מ של סיבים. רזולוציה 50 GHz.
d. קבוצת אות [n-12] עבור קו 193.4 THz (1550.1 ננומטר) עבור שני קיטובים (X ו-Y). "גב אל גב" (B2B) מתאים למשדר ומקלט מחוברים ישירות, "סיב במעבדה 75 ק"מ" לבדיקת מעבדה (ב) ו"סיב שדה 76.6 ק"מ" לבדיקת שדה (ג).

על איור. מספר קיצורי מילים:

BER - שיעור שגיאות סיביות - שיעור שגיאות סיביות [n-13];
(על גודל וקטור השגיאה [n-14]) מאפיין את איכות האות.

03. תוצאות

תאנה. 4. שיעור שגיאות סיביות (BER), יעילות ספקטרלית ומידע הדדי כללי (GMI) [n-15] בניסוי [l-1].

a. BER עבור כל קו מסרק. תצורת B2B מסומנת בכחול, ניסוי מעבדה באדום, ניסוי שדה בירוק. הקו המקווקו מייצג 20% SD FEC בהתבסס על קודי LDPC. סף FEC נבחר ב . לאחר השידור, נחשב כי אין שגיאות בכל הערוצים.
b. GMI ועוצמה ספקטרלית עבור כל קו פסגה. GMI מחושב בנפרד עבור כל קו לאחר הנורמליזציה שלהם, אשר לוקח בחשבון את יחס האות לרעש של ההודעה המתקבלת. השורות מציגות 10% ו-20% נתונים מיותרים (OH). היעילות הספקטרלית (SE) מחושבת מה-GMI ומהיחס בין קצב הסמלים למרווח הרכס. מכיוון ש-GMI מניח אות אידיאלי, הוא מראה קיבולת מידע כוללת גדולה יותר בהשוואה ל-BER. ברצף GMI (SE) עבור B2B, הערכים נעים בין 11.3 b/sym/Symbol (10.6 b/sym/Hz) ל-10.9 b/symbol (10.3 b/sym/Hz). עבור שידור סיבים אופטיים בתנאי מעבדה, הערכים (לכל ערוץ) נעו בין 11.0 b/sym/Hz (10.4 b/sym/Hz) ל-10.7 b/sym (10.1 b/sym/Hz). אותן תוצאות התקבלו בניסויי שדה.

על איור. מספר קיצורי מילים:

FEC - תיקון שגיאה קדימה - תיקון שגיאה קדימה [n-16];
SD FEC - החלטה רכה FEC;
LDPC - Low-density parity-check code - קוד עם צפיפות נמוכה של בדיקות זוגיות [n-17].

קצב הסיביות נטו שהושג בניסויים מוערך ב-44.2 Tb/s. בהמרה לקצב סיביות מקודד (עם תוספת מידע מיותר להעברת נתונים), ערך זה יורד ל-40.1 Tb/s (תצורת B2B), 39.2 Tb/s (במעבדה) ו-39.0 Tb/s ("בשטח" ). המשמעות היא יעילות ספקטרלית של 10.4, 10.2 ו-10.1 b/s/Hz בהתאמה.

תוצאה זו גבוהה בכמעט 50% מהתוצאות המתקבלות באמצעות מכשיר משולב יחיד. [l-3]. יחד עם זאת, היעילות הספקטרלית גבוהה פי 3.7.

04. השוואה לתוצאות אחרות

קצב סיביות נטו
קצב סיביות מקודד
אפנון
יעילות מדהימה
תמסורת
מקור

30.1 TB/s
28.0 TB/s
16 קמ
2.8 b/s/Hz
75 ק"מ SMF במעבדה
[l-3]

4.8 TB/s
4.4 TB/s
64 קמ
1.1 b/s/Hz
80 ק"מ SMF במעבדה
[l-4]

25.6 TB/s
22.0 TB/s
16 קמ
3.2 b/s/Hz
9.6 ק"מ, סיבי 30 ליבות
[l-5]

44.2 TB/s
40.1 TB/s
64 קמ
10.4 b/s/Hz
B2B (0 ק"מ)
פרסום זה

44.2 TB/s
39.2 TB/s
64 קמ
10.2 b/s/Hz
75 ק"מ SMF במעבדה
פרסום זה

44.2 TB/s
39.0 TB/s
64 קמ
10.1 b/s/Hz
76.6 ק"מ SMF בקו עירוני פעיל
פרסום זה

כרטיסייה. 1. השוואה של תוצאות עם פרסומים אחרים.

05. קישורים שימושיים

פרסומים מדעיים

l-1. שידור נתונים אופטי צפוף במיוחד על גבי סיבים סטנדרטיים עם מקור שבב בודד (גישה חופשית)
l-2. מיקרו-מסרקים: דור חדש של מקורות אופטיים (גישה חופשית)
l-3 סוליטונים מבוססי מיקרו-תהודה לתקשורת אופטית קוהרנטית מקבילה מאסיבית
l-4. תקשורת קוהרנטית מסדר גבוה באמצעות מסרקי Kerr עם פעימות כהות נעולות במצב ממיקרו-תהודה (גישה חופשית)
l-5. שעון אופטי משולב תדר מיקרו-תהודה (גישה חופשית)

עשוי להיות שימושי (ויקיפדיה)

n-1. מסרק תדרים
n-2. סוליטון (אופטיקה)
n-3. אפנון משרעת ריבועית (QAM)
n-4. גל מתמשך (Cw)
n-5. טווח ספקטרלי חופשי (FSR)
n-6. רִבּוּב
n-7. מיתוג סלקטיבי באורך גל (WSS)
n-8. מגברי סיבים מסוממים (DFA, EDFA)
n-9. שיעור סמל
n-10. באוד
n-11. סיב אופטי חד-מצב (SMF)
n-12. דיאגרמת קונסטלציה
n-13. שיעור שגיאות סיביות (BER)
n-14. שגיאה בגודל וקטור
n-15. מידע הדדי רב משתנים (MMI, GMI)
n-16. תיקון שגיאות קדימה (FEC)
n-17. קוד בדיקת זוגיות בצפיפות נמוכה (LDPC)

אני ממליץ לך גם לעיין בקישורים לרובוטים אחרים בתחום זה, המשמשים בפרסום [l-1].

06. המשך

השגת קצב העברת נתונים של 44.2 Tb/s (גם אם בפועל הוא 39.0 Tb/s) היא הישג מרשים של המדע המודרני.

ולמרות שסביר להניח שלא נוכל להשתמש בו בחיים בקרוב, היכולת להעביר נתונים במהירות גבוהה היא אחד מתחומי המדע הבודדים שלא גורמים לאנשים רגילים לשאול שאלות "למה אתה עושה את זה?" או "איך אפשר ליישם את זה בחיינו?".

אני מקווה שהתעניינת. תודה לך על תשומת הלב!

נ.ב. אם אתה מוצא שגיאות הקלדה או שגיאות בטקסט, אנא הודע לי. ניתן לעשות זאת על ידי בחירת קטע טקסט ולחיצה על "Ctrl / ⌘ + Enter" אם יש לך Ctrl / ⌘, או דרך הודעה פרטית. אם שתי האפשרויות אינן זמינות, כתוב על השגיאות בהערות. תודה!
PPS אודה לך אם תוכל להקדיש עוד 60 שניות לענות על 2 הסקרים הקצרים למטה. תודה!

רק משתמשים רשומים יכולים להשתתף בסקר. להתחברבבקשה.