🥇44,2 Tb/s przez światłowód — jak to działa?

22 maja 2020 roku w czasopiśmie Nature Communications opublikowano artykuł naukowców z Australii, Chin i Kanady, zatytułowany "Ultra-gęste przesyłanie danych optycznych przez standardowe włókno z pojedynczym źródłem chipowym".

Naturalnie, taki tytuł nie był odpowiedni dla szerokiej publiczności, dlatego w wiadomościach wszyscy pisali o 44,2 Tb/s – rezultacie, który udało się osiągnąć (niektórzy nie dotrwali do końca i w nagłówkach pojawiły się TB/s, ale poprawna wartość to terabity/s). Zobaczmy razem, jak to zrobiono i o czym tak naprawdę pisali badacze.

Zaczynajmy!

Spis treści

01. Tezy
02. Eksperyment
03. Wyniki
04. Porównanie z innymi wynikami
05. Przydatne linki
06. Epilog

Postaram się wyjaśnić kluczowe punkty badania, w tym terminy, urządzenia itd. Ponadto, na końcu mojej publikacji znajdzie się lista linków, po których można przeczytać więcej.

Nie należy w 100% ufać mojemu wyjaśnieniu. Jak wszyscy, poza dziennikarzami, mogę się mylić. Czytaj prawdziwą literaturę naukową (Sekcja 05).

01. Tezy

Oryginalne tezy publikacji [l-1] (dostęp wolny):

Mikroszczelinice – optyczne grzebienie częstotliwości generowane przez zintegrowane rezonatory mikro-kawitacyjne – oferują pełny potencjał swoich większych odpowiedników, ale w zintegrowanym rozmiarze. Umożliwiły przełomy w wielu dziedzinach, w tym spektroskopii, fotonice mikrofalowej, syntezie częstotliwości, zasięgach optycznych, źródłach kwantowych, metrologii i ultrawysokiej pojemności przesyłania danych. Tutaj, wykorzystując potężną klasę mikroszczelinic, zwaną kryształami solitonowymi, osiągamy ultra-wysoką transmisję danych na odległość 75 km standardowego włókna optycznego, używając pojedynczego zintegrowanego źródła chipowego. Demonstrujemy szybkość linii 44,2 terabitów/s, korzystając z pasma C telekomunikacji przy 1550 nm, z efektywnością spektralną 10,4 bity/s/Hz. Kryształy solitonowe wykazują solidną i stabilną generację oraz działanie, a także wysoką efektywność wewnętrzną, która razem z niezwykle niskim odstępem między solitonami wynoszącym 48,9 GHz umożliwia zastosowanie bardzo zaawansowanego formatu modulacji danych koherentnych (64 QAM – modulacja amplitudy w kwadraturze). Ta praca demonstruje zdolność optycznych mikroszczelinic do działania w wymagających i praktycznych sieciach komunikacji optycznej.

Dzięki zastosowaniu zintegrowanego optycznego źródła udało się przesyłać informacje przez standardowe włókno optyczne na odległość ponad 75 km. Przy tym osiągnięto „szybkość” 44,2 terabita/s (Tb/s) dla pasma C (1550 nm) ze spektralną efektywnością 10,4 (b/s)/Hz. Odległość między sąsiednimi solitonami udało się skrócić do 48,9 GHz.

Test na 75 km przeprowadzono przy użyciu włókna optycznego w laboratorium. Ponadto przeprowadzono podobne "testy w terenie" na rzeczywistej linii optycznej (76,6 km) w Melbourne w Australii.

Co musisz wiedzieć:

Mikro-grzebień (micro-comb)
Mówiąc prosto — optyczne (czytaj "laserowe") źródło. Jego widmo składa się z serii dyskretnych linii, które są w równych odstępach (stąd nazwa grzebień). Ponadto sam impuls takiego źródła również nazywa się grzebieniem. Jeśli jesteś ciekawy, możesz przeczytać przegląd [l-2], który dotyczy głównych osiągnięć w tej dziedzinie (strona 81, tak, główne osiągnięcia, dostęp bezpłatny). Krótko można przeczytać w Wikipedii [n-1].

Soliton optyczny
To pojedynczy optyczny impuls, który może rozprzestrzeniać się w nieliniowym środowisku na duże odległości bez zmiany swojej formy. Ogólne informacje można znaleźć w artykule w Wikipedii [n-2].

Kryształ solitonowy (soliton crystal)
To uporządkowany w czasie zespół solitonów, które są "ustawione" okresowo dzięki modulacji pola, które je generuje. Kryształ dotyczy tylko czasu.

Modulacja amplitudy kwadraturowej (QAM)
Poprzez zmianę fazy i amplitudy sygnału można zwiększyć ilość przesyłanych informacji. Faza jest przesuwana o — ćwierć okręgu, stąd "kwadraturowa". Liczba 64 oznacza ilość różnych kombinacji przy takiej modulacji. Nieco więcej można przeczytać w Wikipedii [n-3].

Być może, na razie to wystarczy, a pozostałe terminy lub bardziej oczywiste rzeczy wyjaśnię na bieżąco.

02. Eksperyment

Rys. 1. Koncepcja eksperymentu z transmisją danych przy użyciu kryształów solitonowych [l-1].

a. Ilustracja stanu "kryształu solitonowego" używanego w eksperymencie.
b. Zdjęcie używanego chipu (5 x 9 mm, tylko około powierzchni zajmowanej przez urządzenie i falowody) + moneta 2 AUD (20.5 mm) dla skali. Wstawka pokazuje rezonator pierścieniowy. Zniekształcenie widoczne na obrazie związane jest z klejem mocującym światłowód.
c. Schemat eksperymentu. Ciągły (CW [n-4]) laser (1.8 W po wzmacniaczu) napompowuje rezonator pierścieniowy (48.9 GHz FSR [n-5]), generując mikro-grzebień w interakcji z kryształem solitonowym. Grzebień jest wyrównywany (ma to na myśli wyrównanie amplitudy na różnych częstotliwościach) i demultipleksowany [n-6], co umożliwia dalszą jego modulację. Następnie sygnał znowu jest zagęszczany, przekazywany przez światłowód z użyciem wzmacniaczy EDFA (patrz poniżej) i każdy kanał ponownie demultipleksowany (to jest antonim do zagęszczania sygnału).

Na Rys. 1 abbreviacje:

ECL — laser sprzężony z krawędzią — to laser połączony z światłowodem;
WSS — przełącznik selektywny długości fali — urządzenie, które umożliwia selektywne przełączanie długości fali. [n-7];
Rx — odbiornik;
EDFA — wzmacniacz włóknowy domieszkowany erbem — wzmacniacz światłowodowy, domieszkowany jonami erbu. [n-8].

Podczas emisji lasera (1550 nm, ciągły), mikrorezonator generuje solitonowy kryształ o szerokości spektralnej szerszej niż 80 nm (z okresem około 0,4 nm). Mikro-grzebień jest generowany, gdy laser automatycznie dostraja się do odpowiedniej wartości.

Rys. 2. Generacja solitonowego kryształu. Aby wygenerować, laser płynnie dostraja się z długofalowego krańca rezonansu do określonej wartości. [l-1].

a. Główne zęby. Generowany, gdy emisja lasera znajduje się w rezonansie z pierścieniem.
b. Spektrum solitonowego kryształu, które było używane w eksperymencie. Takie 'ucięte' spektrum mikro-grzebienia odpowiada jednostkowemu defektowi czasowemu wprowadzonemu w pierścień (mowa o wakancji w miejsce jednej z linii grzebienia). Przy określonej częstotliwości generowany jest solitonowy kryształ z cechami spektralnymi wokół linii głównego grzebienia. W ten sposób osiągnięto linie w całym paśmie C transmisji optycznych.
c. Różnica w intensywności linii grzebienia dla 10 różnych parametrów generacji (symbole każdego typu na Rys. przedstawiają jeden z 10 przypadków). Ponieważ intensywność mieści się w granicach ± 0,9 dB od początkowego spektrum, można uznać, że generacja wymaganego solitonowego kryształu jest niezawodna.

Solitonowe kryształy były generowane dla 10 różnych długości fal od 1550.300 do 1550.527 nm i pokazano, że wymagany rezultat osiągany jest dla wszystkich 10 wariacji.

Z całego mikro-grzebienia wybrano 80 linii w obrębie pasma C (okno spektralne o szerokości 32 nm od 1536 do 1567 nm, 3.95 THz). Te pasy zostały spektralnie wyrównane i następnie skutecznie podwojone do 160 (co odpowiada grzebieniowi 24.5 GHz). Podwojenie jest konieczne do optymalizacji efektywności spektralnej (spektralnej użytecznej informacji).

Do badanego sygnału dodano pasmo testowe (6 kanałów). Cały grzebień był modulowany w formacie 64 QAM, co daje prędkość symboli [n-9] 23 gigabity [n-10], co pozwoliło wykorzystać 94% dostępnego spektrum.

Przeprowadzono łącznie 2 eksperymenty dotyczące przesyłania informacji na odległość 75 km. W obu przypadkach użyto jednomodowego światłowodu [n-11].

Eksperyment w laboratorium.
Testy w terenie z wykorzystaniem sieci miejskiej, która łączy kampus Melbourne Royal Institute of Technology z kampusem Uniwersytetu Monasha w Clayton.

Rys. 3. Wielokanałowe widma i sygnały solitonowego kryształu [l-1].

a. Widmo grzebienia częstotliwości po wyrównaniu, zmierzone z rozdzielczością 12.5 GHz, aby pokazać poszczególne linie.
b. Wyniki laboratoryjne dla 75 km światłowodu. Rozdzielczość 50 GHz. Wstawka ilustruje kanał testowy (rozdzielczość 150 MHz), pokazując parzyste i nieparzyste podpasy, które są obecne dla każdej linii (wynik podwajania, które opisano wcześniej).
c. Wyniki w terenie dla 76.6 km światłowodu. Rozdzielczość 50 GHz.
d. Sygnał konstelacji [n-12] dla linii 193.4 THz (1550.1 nm) dla dwóch polaryzacji (X i Y). "Back-to-back" (B2B) odnosi się do bezpośrednio podłączonego nadajnika i odbiornika, "75 km in-lab fibre" – do testu laboratoryjnego (b) i "76.6 km field fibre" – do testu w terenie (c).

Na Rys. 3 abbreviacje:

BER — wskaźnik błędów bitowych [n-13];
(od wartości wektora błędu [n-14]) — charakteryzuje jakość sygnału.

03. Wyniki

Rys. 4. Wskaźnik błędów bitowych (BER), efektywność spektralna i uogólniona wzajemna informacja (GMI) [n-15] w eksperymencie [l-1].

a. BER dla każdej linii grzebienia. Niebieskim oznaczona konfiguracja B2B, czerwonym — eksperyment laboratoryjny, zielonym — eksperyment terenowy. Linia przerywana oznacza 20% SD FEC, opartą na kodach LDPC. Próg FEC ustalony na . Po przesyłaniu zakłada się, że błędy we wszystkich kanałach są nieobecne.
b. GMI i intensywność spektralna dla każdej linii grzebienia. GMI jest obliczane osobno dla każdej linii po ich normalizacji, co pozwala uwzględnić stosunek sygnału do szumu otrzymanej wiadomości. Linie pokazują 10% i 20% nadmiarowych danych (OH). Efektywność spektralna (SE) jest obliczana na podstawie GMI i stosunku prędkości symboli do odległości między grzebieniami. Ponieważ GMI zakłada idealny sygnał, pokazuje ona większą ogólną pojemność informacji w porównaniu do BER. W sekwencji GMI (SE) dla B2B wartości wahają się od 11,3 b/symbol (10,6 b/symbol/Hz) do 10,9 b/symbol (10,3 b/symbol/Hz). Dla transmisji przez światłowód w warunkach laboratoryjnych wartości (dla kanału) wynosiły od 11,0 b/symbol (10,4 b/symbol/Hz) do 10,7 b/symbol (10,1 b/symbol/Hz). Podobne wyniki uzyskano w badaniach terenowych.

Na Rys. 4 abbreviacje:

FEC – forward error correction – bezpośrednia korekcja błędów [n-16];
SD FEC – FEC z miękką decyzją;
LDPC – low-density parity-check code – kod z niską gęstością parzystości [n-17].

Czysta prędkość bitowa uzyskana w eksperymentach wynosi 44,2 Tb/s. Po przeliczeniu na zakodowaną prędkość bitową (z dodaniem nadmiarowych informacji do transmisji danych) ta wartość spada do 40,1 Tb/s (konfiguracja B2B), 39,2 Tb/s (w laboratoriach) i 39,0 Tb/s (‘w terenie’). Oznacza to efektywność spektralną na poziomie 10,4, 10,2 i 10,1 b/s/Hz odpowiednio.

Taki wynik przewyższa o prawie 50% wyniki uzyskane przy użyciu pojedynczego układu scalonego [l-3]. Przy tym, efektywność spektralna jest wyższa 3,7-krotnie.

04. Porównanie z innymi wynikami

Czysta prędkość bitowa
Zakodowana prędkość bitowa
Modulacja
Efektywność spektralna
Transmisja
Źródło

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

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

25,6 Tb/s
22,0 Tb/s
16 QAM
3,2 b/s/Hz
9,6 km, 30-włóknowe światłowody
[l-5]

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

44,2 Tb/s
39,2 Tb/s
64 QAM
10,2 b/s/Hz
75 km SMF w laboratorium
Niniejsza publikacja

44,2 Tb/s
39,0 Tb/s
64 QAM
10,1 b/s/Hz
76,6 km SMF na działającej linii miejskiej
Niniejsza publikacja

Tabela 1. Porównanie wyników z innymi publikacjami.

05. Przydatne linki

Publikacje naukowe

l-1. Ultra-gęsta optyczna transmisja danych przez standardowe włókno z pojedynczym źródłem układu scalonego (OpenAccess)
l-2. Mikro-grzebienie: Nowa generacja źródeł optycznych (OpenAccess)
l-3 Solitony oparte na mikrorezonatorach dla masowo równoległej koherentnej komunikacji optycznej
l-4. Komunikacja koherentna wyższych rzędów z użyciem stłumionych impulsów Kerr z mikrorezonatorów (OpenAccess)
l-5. Optyczny zegar czołowy mikrorezonatora (OpenAccess)

Może być użyteczne (Wikipedia)

n-1. Grzebień częstotliwości
n-2. Soliton (optyka)
n-3. Modulacja amplitudy kwadratu (QAM)
n-4. Fala ciągła (CW)
n-5. Darmowy zakres widmowy (FSR)
n-6. Multiplexowanie
n-7. Przełączanie selektywne długości fali (WSS)
n-8. Wzmacniacze włókien domieszkowanych (DFA, EDFA)
n-9. Szybkość symboli
n-10. Baud
n-11. Jednomodowe włókno optyczne (SMF)
n-12. Diagram konstelacji
n-13. Wskaźnik błędów bitowych (BER)
n-14. Wielkość wektora błędu
n-15. Wielowymiarowa informacja wzajemna (MMI, GMI)
n-16. Korekcja błędów w przód (FEC)
n-17. Kod o niskiej gęstości z parzystością (LDPC)

Zalecam również zapoznanie się z linkami do innych prac w danej dziedzinie użytych w publikacji [l-1].

06. Epilog

Osiągnięcie prędkości transmisji danych wynoszącej 44,2 Tb/s (chociaż w praktyce wynosi to 39,0 Tb/s) to imponujące osiągnięcie współczesnej nauki.

I nawet mimo że w najbliższej przyszłości prawdopodobnie nie będziemy w stanie tego zastosować w życiu, możliwość przesyłania danych z wysoką prędkością to jedna z nielicznych dziedzin nauki, która nie budzi wśród zwykłych ludzi pytań "po co to robicie?" czy "jak to zastosować w naszym życiu?".

Mam nadzieję, że było to interesujące. Dziękuję za uwagę!

P.S. Jeśli znalazłeś literówki lub błędy w tekście, proszę daj mi znać. Możesz to zrobić, zaznaczając część tekstu i klikając "Ctrl / ⌘ + Enter", jeśli masz Ctrl / ⌘, lub poprzez wiadomości prywatne. Jeśli oba te rozwiązania są niedostępne, napisz o błędach w komentarzach. Dziękuję!
P.P.S. Będę wdzięczny, jeśli poświęcisz jeszcze 60 sekund i odpowiesz na 2 małe ankiety poniżej. Dziękuję!

Tylko zarejestrowani użytkownicy mogą brać udział w ankiecie. Zaloguj się, proszę.