🥇44.2 Tb/s over glasvezel — hoe werkt dit?

Op 22 mei 2020 werd in Nature Communications een artikel gepubliceerd door wetenschappers van onderzoeks- en onderwijsinstellingen in Australië, China en Canada met de titel "Ultra-dense optical data transmission over standard fibre with a single chip source".

Natuurlijk was zo'n titel niet geschikt voor een breed publiek, dus in het nieuws werd vooral gesproken over 44,2 Tb/s — het resultaat dat behaald is (sommigen lazen niet goed door en in titels verscheen Tb/s, maar de juiste eenheid is terabits/s). Laten we samen bekijken hoe dit is gedaan en waar de onderzoekers eigenlijk over schreven.

Laten we beginnen!

Inhoudsopgave

01. Samenvatting
02. Experiment
03. Resultaten
04. Vergelijking met andere resultaten
05. Nuttige links
06. Slotopmerkingen

Ik zal proberen de belangrijkste punten van het onderzoek uit te leggen, inclusief termen, apparaten, enzovoort. Bovendien zal er aan het einde van mijn publicatie een lijst met links zijn, zodat u meer kunt lezen.

Vertrouw niet 100% op mijn uitleg. Net als iedereen, behalve journalisten, kan ik fout zijn. Lees echte wetenschappelijke literatuur (Sectie 05).

01. Samenvatting

Originele samenvatting van de publicatie [l-1] (vrije toegang):

Micro-combs – optische frequentiecombs die worden gegenereerd door geïntegreerde micro-caviteiten – bieden het volledige potentieel van hun bulkvarianten, maar in een geïntegreerde voetafdruk. Ze hebben doorbraken mogelijk gemaakt op vele gebieden, waaronder spectroscopie, microgolf-fotonica, frequentiesynthese, optische afstandsmeting, kwantumbronnen, metrologie en data-overdracht met ultrahoge capaciteit. Hier bereiken we ultra-hoge dataoverdracht over 75 km standaard glasvezel met behulp van een enkele geïntegreerde chipbron door gebruik te maken van een krachtige klasse micro-comb genaamd soliton-kristallen. We demonstreren een lijn snelheid van 44,2 Terabits s−1 met behulp van de telecommunicatie C-band bij 1550 nm met een spectrale efficiëntie van 10,4 bits s−1 Hz−1. Soliton-kristallen vertonen robuuste en stabiele generatie en werking, evenals een hoge intrinsieke efficiëntie, die samen met een extreem lage afstand tussen solitonen van 48,9 GHz het gebruik van een zeer hoog coherente data-modulatieformaat (64 QAM — quadrature amplitude gemoduleerd) mogelijk maakt. Dit onderzoek demonstreert de capaciteit van optische micro-combs om te presteren in veeleisende en praktische optische communicatienetwerken.

Met behulp van een geïntegreerde optische bron was het mogelijk informatie over standaard glasvezel over een afstand van meer dan 75 km te verzenden. Hierbij werd een "snelheid" van 44,2 terabits/s (Tb/s) voor de C-band (1.550 nm) bereikt met een spectrale efficiëntie van 10,4 (b/s)/Hz. De afstand tussen aangrenzende solitonen kon worden verkleind tot 48,9 GHz.

Een test over 75 km werd uitgevoerd met behulp van optische vezels in het laboratorium. Daarnaast werden vergelijkbare "veld" testen gedaan op een echte optische lijn (76,6 km) in Melbourne, Australië.

Wat je moet weten:

Micro-grijper (micro-comb)
In eenvoudige woorden — een optische (lees: "laser") bron. Het spectrum bestaat uit een reeks discrete lijnen die op gelijke afstand van elkaar liggen (vandaar de naam grijper). Daarnaast wordt ook de puls van zo'n bron zo genoemd. Als je geïnteresseerd bent, kun je een overzicht lezen [l-2], dat de belangrijkste prestaties in dit gebied bespreekt (pagina 81, ja, de belangrijkste prestaties, gratis toegankelijk). Je kunt kort lezen op Wikipedia [n-1].

Optische soliton
Dit is een enkele optische puls die zich in een niet-lineaire omgeving over grote afstanden kan verspreiden zonder zijn vorm te veranderen. Algemeen overzicht kan verkregen worden uit een artikel op Wikipedia [n-2].

Soliton-kristal (soliton crystal)
Dit is een in de tijd geordend ensemble van solitonen, die periodiek zijn "geplaatst" dankzij de modulatie van het veld dat hen genereert. Het is alleen een kristal in de tijd.

Quadrature Amplitude Modulation (QAM)
Door het veranderen van de fase en amplitude van het signaal, kan de hoeveelheid overgedragen informatie worden vergroot. De fase wordt verschoven met — een kwart cirkel, daarom "quadrature". Het nummer 64 duidt het aantal verschillende combinaties aan bij deze modulatie. Meer details zijn te vinden op Wikipedia [n-3].

Dat is voorlopig genoeg, en de overige termen of minder voor de hand liggende zaken zal ik tijdens de uitleg toelichten.

02. Experiment

Innovaties met CRI-O en CoreOS. Concept van het experiment voor datatransmissie met behulp van soliton-kristallen [l-1].

a. Illustratie van de staat van de "soliton-kristal" die in het experiment wordt gebruikt.
b. Foto van de gebruikte chip (5 x 9 mm, slechts ongeveer van ruimte bezet door het apparaat en de golfgeleiders) + een munt van 2 AUD (20,5 mm) voor schaal. De inset toont de ringresonator. De vervorming die op de afbeelding zichtbaar is, is gerelateerd aan de lijm die de optische vezel vasthoudt.
c. Schema van het experiment. Een continu uitstralende (CW [n-4]) laser (1,8 W na de versterker) voedt de ringresonator (48,9 GHz FSR [n-5]), die een microkam genereert bij interactie met de solitonzuil. De kam wordt uitgelijnd (wat betekent dat de amplitude op verschillende frequenties wordt uitgelijnd) en gedemultiplexed [n-6], wat verdere modulatie mogelijk maakt. Vervolgens wordt het signaal opnieuw samengevoegd, verzonden via glasvezel met gebruik van EDFA (zie hieronder) versterkers en elke kanaal wordt opnieuw gedemultiplexed (dit is het antoniem van signaalverzameling).

Op Figuur 1 afkortingen:

ECL - edge-coupled laser - is een laser die is gekoppeld aan glasvezel;
WSS - wavelength-selective switch - een apparaat dat selectieve golflengte-schakeling mogelijk maakt [n-7];
Rx - ontvanger;
EDFA - Erbium Doped Fiber Amplifier - een glasvezelversterker, gedoteerd met erbiumionen [n-8].

Bij de laseruitstraling (1 550 nm, continu), genereert de micro-resonator een solitonzuil met een spectrale breedte van meer dan 80 nm (met een periode van ongeveer 0,4 nm). De microkam wordt gegenereerd bij automatische afstemming van de laser naar de juiste waarde.

Figuur 2. Generatie van de solitonzuil. Voor de generatie wordt de laser soepel afgesteld van de lange golfzijde van de resonantie naar een vooraf bepaalde waarde. [l-1].

a. Hoofdkam. Wordt gegenereerd wanneer de laseruitstraling in resonantie is met de ring.
b. Spectrum van de solitonzuil die in het experiment werd gebruikt. Dit 'afgeknotte' spectrum van de microkam komt overeen met een enkel tijdsdefect, geïntroduceerd in de ring (wat betekent dat er een vacantie is in plaats van een van de kamlijnen). Bij een vooraf bepaalde frequentie wordt een solitonzuil gegenereerd met spectrale kenmerken rondom de lijnen van de hoofdkam. Op deze manier werden lijnen door de hele C-band van optische gegevensoverdracht bereikt.
c. Het verschil in intensiteit van de kamlijnen voor 10 verschillende generatieparameters (de symbolen van elk type op de figuur vertegenwoordigen een van de 10 gevallen). Aangezien de intensiteit ligt binnen ± 0,9 dB van het initiële spectrum, kan worden gesteld dat de generatie van de vereiste solitonzuil betrouwbaar is.

Solitonzuilen zijn gegenereerd voor 10 verschillende golflengten van 1 550,300 tot 1 550,527 nm en het is aangetoond dat het vereiste resultaat wordt behaald voor alle 10 variaties.

Van de hele microgolfkam zijn 80 lijnen geselecteerd binnen de C-band (spectrumvenster van 32 nm van 1536 tot 1567 nm, 3,95 THz). Deze banden zijn spectraal uitgelijnd en vervolgens effectief verdubbeld tot 160 (wat gelijkstaat aan een kam van 24,5 GHz). Verdubbeling is noodzakelijk voor het optimaliseren van de spectrale efficiëntie (spectrale bruikbare informatie).

Aan het onderzochte signaal is een testband toegevoegd (6 kanalen). De hele kam werd gemoduleerd in het 64 QAM-formaat, wat een symbolensnelheid geeft [n-9] van 23 gigabot. [n-10], wat het mogelijk maakte om 94% van het beschikbare spectrum te benutten.

In totaal zijn 2 experimenten uitgevoerd voor gegevensoverdracht over 75 km. In beide gevallen werd er gebruik gemaakt van singlemode-optische vezel. [n-11].

Experiment in het laboratorium.
Veldtesten met behulp van het gemeentelijke netwerk dat de Melbourne-campus van de Royal Melbourne Institute of Technology verbindt met de campus van de Monash University in Clayton.

Figuur 3. Multikanaalspectra en solitone signalen. [l-1].

a. Spectrum van de frequentiekam na uitlijning, gemeten met een resolutie van 12,5 GHz, om afzonderlijke lijnen te tonen.
b. Laboratoriumresultaten voor 75 km optische vezel. Resolutie 50 GHz. De insert toont het testkanaal (resolutie 150 MHz), en laat de even en oneven sub-banden zien die voor elke lijn aanwezig zijn (resultaat van de eerder beschreven verdubbeling).
c. Veldresultaten voor 76,6 km optische vezel. Resolutie 50 GHz.
d. Signaalconstellatie. [n-12] voor de lijn van 193,4 THz (1550,1 nm) voor twee polarisaties (X en Y). "Back-to-back" (B2B) verwijst naar een direct verbonden zender en ontvanger, "75 km in-lab vezel" — laboratoriumtest (b) en "76,6 km veldvezel" — veldtest (c).

Op Figuur 3 afkortingen:

BER — bitfoutpercentage — de bitfoutratio. [n-13];
(van de grootte van de foutvector. [n-14]) — kenmerkt de signaalkwaliteit.

03. Resultaten

Figuur 4. Bitfoutpercentage (BER), spectrale efficiëntie en gegeneraliseerde wederzijdse informatie (GMI). [n-15] in het experiment. [l-1].

a. BER voor elke lijn van de kam. In blauw is de B2B-configuratie weergegeven, in rood het laboratoriumexperiment, in groen het veldexperiment. De gestreepte lijn geeft 20% SD FEC aan, gebaseerd op LDPC-codes. De FEC-drempel is gekozen in . Na overdracht wordt aangenomen dat er geen fouten in alle kanalen zijn.
b. GMI en spectrale intensiteit voor elke lijn van de kam. GMI wordt afzonderlijk berekend voor elke lijn na normalisatie, waardoor de signaal-ruisverhouding van het ontvangen bericht in aanmerking kan worden genomen. De lijnen tonen 10% en 20% overtollige gegevens (OH). De spectrale effectiviteit (SE) wordt berekend uit GMI en de verhouding van de symboolsnelheid tot de afstand tussen de toppen. Aangezien GMI een ideaal signaal veronderstelt, toont het een grotere totale informatiecapaciteit in vergelijking met BER. In de GMI-sequentie (SE) voor B2B variëren de waarden van 11.3 b/symbool (10.6 b/symbool/Hz) tot 10.9 b/symbool (10.3 b/symbool/Hz). Voor transmissie via glasvezel onder laboratoriumomstandigheden lagen de waarden (voor het kanaal) tussen 11.0 b/symbool (10.4 b/symbool/Hz) en 10.7 b/symbool (10.1 b/symbool/Hz). Vergelijkbare resultaten werden behaald in veldtesten.

Op Figuur 4 afkortingen:

FEC - forward error correction - directe foutcorrectie [n-16];
SD FEC - soft decision FEC;
LDPC - low-density parity-check code - code met lage dichtheid van pariteit controles [n-17].

De netto bitrates verkregen in experimenten zijn geschat op 44.2 Tb/s. Bij omrekening naar gecodeerde bitrate (met toevoeging van overtollige informatie voor gegevensoverdracht) valt deze waarde terug naar 40.1 Tb/s (B2B-configuratie), 39.2 Tb/s (in het laboratorium) en 39.0 Tb/s ("in het veld"). Dit betekent een spectrale effectiviteit van 10.4, 10.2 en 10.1 b/s/Hz respectievelijk.

Dit resultaat overtreft de resultaten behaald met behulp van een enkele geïntegreerde eenheid met bijna 50%. [l-3]. Daarbij is de spectrale effectiviteit 3.7 keer hoger.

04. Vergelijking met andere resultaten

Netto bitrate
Gecodeerde bitrate
Modulatie
Spectrale effectiviteit
Bestandsoverdracht
Bron

30.1 Tb/s
28.0 Tb/s
16 QAM
2.8 b/s/Hz
75 km SMF in het laboratorium
[l-3]

4.8 Tb/s
4.4 Tb/s
64 QAM
1.1 b/s/Hz
80 km SMF in het laboratorium
[l-4]

25.6 Tb/s
22.0 Tb/s
16 QAM
3.2 b/s/Hz
9.6 km, 30-draads glasvezel
[l-5]

44.2 Tb/s
40.1 Tb/s
64 QAM
10.4 b/s/Hz
B2B (0 km)
Deze publicatie

44.2 Tb/s
39.2 Tb/s
64 QAM
10.2 b/s/Hz
75 km SMF in het laboratorium
Deze publicatie

44.2 Tb/s
39.0 Tb/s
64 QAM
10.1 b/s/Hz
76.6 km SMF op een operationele gemeentelijke lijn
Deze publicatie

Tab. 1. Vergelijking van resultaten met andere publicaties.

05. Nuttige links

Wetenschappelijke publicaties

l-1. Ultra-dense optische gegevensoverdracht over standaard vezel met een enkele chipbron (OpenAccess)
l-2. Micro-combs: Een nieuwe generatie optische bronnen (OpenAccess)
l-3 Microresonator-gebaseerde solitonen voor massaal parallelle coherente optische communicatie
l-4. Hogere orde coherente communicatie met behulp van gemode-locked dark-pulse Kerr-kammen van microresonatoren (OpenAccess)
l-5. Optische klok met microresonator frequentie kam (OpenAccess)

Kan nuttig zijn (Wikipedia)

n-1. Frequentie kam
n-2. Soliton (optica)
n-3. Kwadratuuramplitudemodulatie (QAM)
n-4. Continue golf (CW)
n-5. Vrije spectrale bereik (FSR)
n-6. Multiplexing
n-7. Golflengte selectieve schakeling (WSS)
n-8. Gedote vezelversterkers (DFA, EDFA)
n-9. Symbool snelheid
n-10. Baud
n-11. Single-mode optische vezel (SMF)
n-12. Constellatiediagram
n-13. Bitfoutpercentage (BER)
n-14. Foutvector magnitude
n-15. Multivariate wederzijdse informatie (MMI, GMI)
n-16. Voorkeursfoutcorrectie (FEC)
n-17. Laag-dichtheid pariteit-controle code (LDPC)

Ik raad aan om ook de links naar andere werken op dit gebied te bekijken, die in de publicatie zijn gebruikt. [l-1].

06. Slotopmerkingen

Het behalen van een datasnelheid van 44,2 Tb/s (zelfs al is dit in de praktijk 39,0 Tb/s) is een indrukwekkende prestatie van de moderne wetenschap.

En zelfs al zullen we het waarschijnlijk niet snel in de praktijk kunnen gebruiken, de mogelijkheid om gegevens met hoge snelheid te verzenden is een van de weinige gebieden van de wetenschap die niet leidt tot vragen als 'waarom doe je dit?' of 'hoe kan dit in ons leven worden toegepast?'.

Ik hoop dat je het interessant vond. Bedankt voor je aandacht!

P.S. Als je typos of fouten in de tekst hebt gevonden, laat het me dan weten. Dit kan door een gedeelte van de tekst te selecteren en op "Ctrl / ⌘ + Enter" te drukken, als je Ctrl / ⌘ hebt, of via privéberichten. Als beide opties niet beschikbaar zijn, schrijf dan over de fouten in de reacties. Dank je!
P.P.S. Ik zou het op prijs stellen als je nog 60 seconden neemt om de 2 korte enquêtes hieronder te beantwoorden. Bedankt!

Alleen geregistreerde gebruikers kunnen deelnemen aan de enquête. Log in, alstublieft.