44.2 Tb/s над влакна - како функционира?

На 22 мај 2020 година, Nature Communications објави статија од научници кои ги претставуваат истражувачките и научните институции во Австралија, Кина и Канада, со наслов „Ултра-густ оптички пренос на податоци преку стандардно влакно со еден извор на чип“.

Нормално, таков наслов не беше погоден за широка публика, па сите пишуваа во вестите за 44.2 Tb/s - резултатот што беше постигнат (некои не завршија со читање и TB/s се појавија во насловите, но точната вредност е терабити/и). Ајде да откриеме заедно како го направиле тоа и за што всушност пишувале истражувачите.

Да почнеме!

Содржина

01. Тези
02. Експериментирајте
03. Резултати
04. Споредба со други резултати
05. Корисни врски
06. Поговор

Ќе се обидам да ги објаснам клучните точки на студијата, вклучувајќи ги термините, уредите итн. Дополнително, на крајот од мојата публикација ќе има листа на линкови со кликнување на кои можете да прочитате повеќе.

Не верувајте во моето објаснување 100%. Како и сите освен новинарите, можам да грешам. Читајте вистинска научна литература (Дел 05).

01. Тези

Оригинални апстракти од публикацијата [l-1] (Бесплатен пристап):

Микро-чешли – чешли со оптичка фреквенција генерирани од интегрирани резонатори со микро-шуплина – го нудат целосниот потенцијал на нивните масовни колеги, но во интегриран отпечаток. Тие овозможија откритија во многу полиња, вклучувајќи спектроскопија, микробранова фотоника, синтеза на фреквенција, оптички опсег, квантни извори, метрологија и пренос на податоци со ултрависок капацитет. Овде, со користење на моќна класа на микро-чешла наречени солитонски кристали, постигнуваме ултрависок пренос на податоци преку 75 km стандардно оптичко влакно користејќи единствен интегриран извор на чип. Демонстрираме линиска брзина од 44.2 терабити s−1 користејќи го телекомуникацискиот C-појас на 1550 nm со спектрална ефикасност од 10.4 бита s−1 Hz−1. Солитонските кристали покажуваат робусно и стабилно генерирање и работа, како и висока внатрешна ефикасност што, заедно со екстремно ниското растојание со солитонски микро-чешел од 48.9 GHz овозможуваат употреба на многу висок кохерентен формат за модулација на податоци (64 QAM - модулирана амплитуда на квадратура) . Ова дело ја покажува способноста на оптичките микро-чешли да работат во тешки и практични оптички комуникациски мрежи.

Со користење на интегриран оптички извор, беше можно да се пренесат информации на растојание од повеќе од 75 km преку стандардно оптичко влакно. Во исто време, постигната е „брзина“ од 44.2 терабити/с (Tb/s) за C-појасот (1 nm) со спектрална ефикасност од 550 (b/s)/Hz. Растојанието помеѓу соседните солитони беше намалено на 10.4 GHz.

Тестот од 75 километри беше спроведен со користење на оптички влакна во лабораторија. Покрај тоа, слични тестови „поле“ беа извршени на вистинска оптичка врска (76.6 км) во Мелбурн, Австралија.

Што треба да знаете:

Микро-чешел
Со едноставни зборови - оптички (читај „ласерски“) извор. Неговиот спектар се состои од низа дискретни линии кои се подеднакво оддалечени една од друга (оттука и името гребен). Покрај тоа, се нарекува и пулсот на самиот таков извор. Доколку сте заинтересирани, можете да ја прочитате рецензијата [l-2], кој допира до главните достигнувања на ова поле (81 страница, да, главни достигнувања, бесплатен пристап). Можете да го прочитате накратко на Википедија [n-1].

Оптички солитон
Ова е единствен оптички пулс кој може да се шири на долги растојанија во нелинеарен медиум без да ја менува својата форма. Општи информации може да се најдат во статијата на Википедија [n-2].

Солитон кристал
Ова е временски подреден ансамбл на солитони кои периодично се „позиционирани“ поради модулацијата на полето што ги генерира. Тоа е кристал само во времето.

Квадратурна амплитудна модулација (QAM)
Со менување на фазата и амплитудата на сигналот, можете да ја зголемите количината на пренесените информации. Фазата се поместува со - четвртина од круг, значи „квадратура“. Бројот 64 значи број на различни комбинации со оваа модулација. Можете да прочитате малку повеќе на Википедија [n-3].

Можеби ова ќе биде доволно за сега, а јас ќе ги објаснам преостанатите термини или не најочигледните работи на патот.

02. Експериментирајте

Сл. 1. Концепт на експеримент за пренос на податоци со користење на солитонски кристали [l-1].

a. Илустрација на состојбата на „солитонскиот кристал“ користен во експериментот.
b. Фотографија од употребениот чип (5 x 9 mm, само прибл. површина зафатена од уредот и брановодите) + монета од 2 AUD (20.5 mm) за скала. Влошката покажува прстенест резонатор. Искривувањето забележливо на сликата се должи на лепилото што го држи оптичкото влакно на место.
c. Експериментален дизајн. Континуиран бран (CW) [n-4]) ласерски (1.8 W по засилувач) прстенест резонатор на пумпи (48.9 GHz FSR [n-5]), генерирајќи микро-гребен при интеракција со солитонски кристал. Сртот е изедначен (што значи дека амплитудата е изедначена на различни фреквенции) и демултиплексирана [n-6], што овозможува негова понатамошна модулација. Следно, сигналот повторно се мултиплексира, се пренесува преку оптичко влакно со помош на засилувачи EDFA (види подолу) и секој канал повторно се демултиплексира (ова е антоним на мултиплексирање на сигналот).

На Сл. 1 кратенки:

• ECL - раб-споен ласер - е ласер поврзан со оптичко влакно;
• WSS - прекинувач за избор на бранова должина - уред кој овозможува селективно префрлување на бранова должина [n-7];
• Rx - приемник;
• EDFA - Erbium Doped Fiber Amplifier - засилувач со оптички влакна допингуван со јони на ербиум [n-8].

Кога е озрачена со ласер (1 nm, континуиран бран), микро-шуплината генерира солитонски кристал со спектрална ширина од повеќе од 550 nm (со период од околу 80 nm). Микро-гребенот се создава кога ласерот автоматски се прилагодува на саканата вредност.

Сл. 2. Генерирање на солитонски кристал. За ласирање, ласерот непречено се прилагодува од работ со долга бранова должина на резонанца до однапред одредена вредност [l-1].

a. Главен гребен. Се создава кога ласерското зрачење е во резонанца со прстенот.
b. Спектар на солитонскиот кристал користен во експериментот. Таквиот „отсечен“ спектар на микро-гребен одговара на еден привремен дефект воведен во прстенот (што значи слободно место наместо една од линиите на гребенот). На однапред одредена фреквенција, се генерира солитонски кристал со спектрални карактеристики околу главните линии на гребенот. На овој начин беа постигнати линии низ целиот C-појас на оптички пренос на податоци.
c. Разлика во интензитетот на линиите на гребенот за 10 различни параметри за генерирање (симболите од секој тип на Сл. претставуваат еден од 10 случаи). Бидејќи интензитетот е во рамките на ± 0.9 dB од почетниот спектар, можеме да претпоставиме дека генерирањето на потребниот солитонски кристал е сигурно.

Солитонските кристали беа генерирани за 10 различни бранови должини од 1 до 550.300 nm и се покажа дека бараниот резултат е постигнат за сите 1 варијации.

Од целиот микро-гребен, беа избрани 80 линии во рамките на C-појасот (спектрален прозорец широк 32 nm од 1 до 536 nm, 1 THz). Овие опсези беа спектрално порамнети и потоа ефективно двојно се зголемија на 567 (еквивалентно на гребенот од 3.95 GHz). Удвојувањето е неопходно за да се оптимизира спектралната ефикасност (спектрална носивост).

На испитуваниот сигнал беше додадена тест лента (6 канали). Целиот гребен беше модулиран во 64 QAM формат, што дава симбол стапка [n-9] на 23 гигабоди [n-10], што овозможи користење на 94% од достапниот спектар.

Беа извршени вкупно 2 експерименти за пренос на информации преку 75 km. Во двата случаи, се користеа едномодни влакна [n-11].

1. Експериментирајте во лабораторија.
2. Теренско тестирање со користење на општинска мрежа што ги поврзува кампусот во Мелбурн на Технолошкиот универзитет во Кралскиот Мелбурн и кампусот на Универзитетот Монаш Клејтон.

Сл. 3. Повеќеканални спектри и сигнали на солитонски кристал [l-1].

a. Спектарот на фреквентен гребен по изедначување, измерен на резолуција од 12.5 GHz за да се прикажат поединечни линии.
b. Лабораториски резултати за 75 км влакна. Резолуција 50 GHz. Вметнувањето го илустрира каналот за тестирање (резолуција од 150 MHz), прикажувајќи ги парните и непарните подпојаси присутни за секоја линија (резултатот од удвојувањето опишано претходно).
c. Резултати од теренот за 76.6 км влакна. Резолуција 50 GHz.
d. Сигнална констелација [n-12] за линијата од 193.4 THz (1550.1 nm) за две поларизации (X и Y). „Back-to-back“ (B2B) одговара на директно поврзани предавател и приемник, „75 km лабораториски влакна“ на лабораториски тест (б) и „76.6 km теренски влакна“ на теренски тест (c).

На Сл. 3 кратенки:

• BER - стапка на грешка на битови - стапка на грешка на битови [n-13];
• (од големината на векторот на грешка [n-14]) — го карактеризира квалитетот на сигналот.

03. Резултати

Сл. 4. Стапка на битска грешка (BER), спектрална ефикасност и генерализирани меѓусебни информации (GMI) [n-15] во експеримент [l-1].

a. BER за секоја линија на гребенот. Сината ја означува конфигурацијата B2B, црвената го означува лабораторискиот експеримент, а зелената го означува теренскиот експеримент. Испрекината линија претставува 20% SD FEC врз основа на шифрите LDPC. Прагот FEC е избран во . По преносот, се претпоставува дека нема грешки во сите канали.
b. GMI и спектрален интензитет за секоја линија на гребенот. GMI се пресметува посебно за секоја линија откако ќе се нормализираат, што го зема предвид односот сигнал-шум на примената порака. Линиите означуваат 10% и 20% вишок податоци (OH). Спектралната ефикасност (SE) се пресметува од GMI и односот на стапката на симболи до растојанието на гребените. Бидејќи GMI претпоставува идеален сигнал, тој покажува поголем вкупен информациски капацитет во споредба со BER. Во секвенцата GMI (SE) за B2B, вредностите се движат од 11.3 bps/симбол (10.6 bps/симбол/Hz) до 10.9 bps/симбол (10.3 bps/симбол/Hz). За пренос на влакна во лабораториски услови, вредностите (по канал) се движеа од 11.0 bps/симбол (10.4 bps/симбол/Hz) до 10.7 bps/симбол (10.1 bps/симбол/Hz). Истите резултати беа добиени и на теренските испитувања.

На Сл. 4 кратенки:

• FEC - напредна корекција на грешка - напредна корекција на грешка [n-16];
• SD FEC - мека одлука FEC;
• LDPC - код за проверка на паритет со мала густина - код со проверки на паритет со мала густина [n-17].

Нето-стапката на битови добиена во експериментите се проценува на 44.2 Tb/s. Кога се претвора во кодирана бит-стапка (со додавање на вишок информации за пренос на податоци), оваа вредност паѓа на 40.1 Tb/s (конфигурација B2B), 39.2 Tb/s (во лабораторија) и 39.0 Tb/s (на терен) . Ова значи спектрална ефикасност од 10.4, 10.2 и 10.1 bps/Hz соодветно.

Овој резултат е речиси 50% повисок од резултатите добиени со користење на еден интегриран уред [l-3]. Во исто време, спектралната ефикасност е 3.7 пати поголема.

04. Споредба со други резултати

Нето бит-стапка
Кодирана бит-стапка
Модулација
Спектрална ефикасност
Емитување
Извор

30.1 Tb/s
28.0 Tb/s
16 КАМ
2.8 b/s/Hz
75 km SMF во лабораторија
[l-3]

4.8 Tb/s
4.4 Tb/s
64 КАМ
1.1 b/s/Hz
80 km SMF во лабораторија
[l-4]

25.6 Tb/s
22.0 Tb/s
16 КАМ
3.2 b/s/Hz
9.6 км, оптички влакна со 30 јадра
[l-5]

44.2 Tb/s
40.1 Tb/s
64 КАМ
10.4 b/s/Hz
B2B (0 км)
Оваа публикација

44.2 Tb/s
39.2 Tb/s
64 КАМ
10.2 b/s/Hz
75 km SMF во лабораторија
Оваа публикација

44.2 Tb/s
39.0 Tb/s
64 КАМ
10.1 b/s/Hz
76.6 km SMF на постојната општинска линија
Оваа публикација

Табела 1. Споредба на резултатите со други публикации.

05. Корисни врски

Научни публикации

л-1. Ултра густ оптички пренос на податоци преку стандардно влакно со еден извор на чип (Слободен пристап)
л-2. Микро-чешли: Нова генерација на оптички извори (Слободен пристап)
л-3 Солитони базирани на микрорезонатор за масовно паралелни кохерентни оптички комуникации
л-4. Кохерентни комуникации од висок ред со помош на Кер чешли со темно пулс заклучени со режим од микрорезонатори (Слободен пристап)
л-5. Оптички часовник со чешел со микрорезонатор (Слободен пристап)

Може да биде корисно (Википедија)

n-1 Фреквентен чешел
n-2 Солитон (оптика)
n-3 Модулација на квадратура на амплитудата (QAM)
n-4 Континуиран бран (Cw)
n-5 Слободен спектрален опсег (ФСР)
n-6 мултиплексирање
n-7 Селективно префрлување на бранова должина (WSS)
n-8 Засилувачи со допирани влакна (DFA, EDFA)
n-9 симбол стапка
n-10 Бауд
n-11 Едномодно оптичко влакно (SMF)
n-12 Дијаграм на соѕвездија
n-13 Стапка на грешка во бит (БЕР)
n-14 Векторска големина на грешка
n-15 Мултиваријантни меѓусебни информации (MMI, GMI)
n-16 Корекција на грешка напред (FEC)
n-17 Код за проверка на паритет со мала густина (LDPC)

Исто така, препорачувам да гледате врски до други роботи во оваа област што се користат во публикацијата [l-1].

06. Поговор

Постигнувањето на брзина на пренос на податоци од 44.2 Tb/s (дури и ако во пракса е 39.0 Tb/s) е импресивно достигнување на модерната наука.

И иако веројатно нема да можеме да го користиме во животот наскоро, способноста за пренос на податоци со голема брзина е една од ретките области на науката што не покренува прашања меѓу обичните луѓе: „зошто го правиш ова?“ или „како можеме да го примениме ова во нашите животи?“

Се надевам дека ви беше интересно. Ви благодариме за вниманието!

PS Ако најдете печатни грешки или грешки во текстот, ве молам известете ме. Ова може да се направи со избирање дел од текстот и притискање на „Ctrl / ⌘ + Enter" ако имате Ctrl / ⌘, или преку приватни пораки. Ако двете опции не се достапни, пишете за грешките во коментарите. Ви благодарам!
PPS Би ценел доколку одвоите уште 60 секунди за да одговорите на 2 кратки анкети подолу. Ви благодарам!

Само регистрирани корисници можат да учествуваат во анкетата. Најави се, вие сте добредојдени.

Дали сте заинтересирани за публикации за достигнувања во областа на науката и/или технологијата?

• 97,5%Интересно79

• 1,2%Не е интересно 1

• 1,2%Не сакам да притискам „воздржани“, но сакам да ги знам резултатите1

Гласале 81 корисник. Воздржани се 8 корисници.

Дали сакате да видите нови публикации од овој тип на Хабре?

• 92,3%Да, ова е само за Habr72

• 1,3%Не, тоа не е она за што е Хабр1

• 6,4%Нема разлика 5

Гласаа 78 корисници. 5 корисници беа воздржани.

Извор: www.habr.com