🥇44.2 Tb/s via fibra óptica — como isso funciona?

Em 22 de maio de 2020, foi publicada no Nature Communications um artigo de cientistas de instituições de pesquisa e científicas da Austrália, China e Canadá, intitulado "Transmissão de dados ópticos ultra-densa sobre fibra padrão com uma fonte de chip única".

Naturalmente, esse título não se adequou ao público amplo, então as notícias falaram sobre 44,2 Tb/s — o resultado que foi alcançado (alguns não leram até o fim e nos títulos apareceu TB/s, mas o valor correto é terabits/s). Vamos juntos entender como isso foi feito e sobre o que realmente escreveram os pesquisadores.

Vamos começar!

Índice

01. Tópicos
02. Experimento
03. Resultados
04. Comparação com outros resultados
05. Links úteis
06. Conclusão

Vou tentar explicar os pontos-chave da pesquisa, incluindo termos, dispositivos e assim por diante. Além disso, no final da minha publicação, haverá uma lista de links que você pode acessar para ler mais.

Não confie 100% na minha explicação. Assim como todos, exceto os jornalistas, posso cometer erros. Leia a literatura científica real (Seção 05).

01. Tópicos

Tópicos originais da publicação [l-1] (acesso livre):

Micro-combs – pentes de frequência óptica gerados por ressonadores de micro-cavidade integrados – oferecem todo o potencial de seus equivalentes em tamanho real, mas em uma embalagem integrada. Eles possibilitaram avanços em muitos campos, incluindo espectroscopia, fotônica de micro-ondas, síntese de frequência, medição óptica, fontes quânticas, metrologia e transmissão de dados de ultra-alta capacidade. Aqui, utilizando uma poderosa classe de micro-comb chamada cristais de solitons, alcançamos a transmissão de dados ultra-alta em 75 km de fibra óptica padrão usando uma única fonte de chip integrada. Demonstraremos uma taxa de linha de 44,2 Terabits s−1 usando a banda C de telecomunicações a 1550 nm com uma eficiência espectral de 10,4 bits s−1 Hz−1. Cristais de solitons exibem geração e operação robustas e estáveis, além de uma alta eficiência intrínseca que, junto com um espaçamento de micro-comb de soliton extremamente baixo de 48,9 GHz, possibilita o uso de um formato de modulação de dados altamente coerente (64 QAM — modulação em amplitude em quadratura). Este trabalho demonstra a capacidade de micro-combs ópticos para atuar em redes de comunicação óptica exigentes e práticas.

Usando uma fonte óptica integrada, foi possível transmitir informações por fibra óptica padrão a uma distância superior a 75 km. Nesse processo, foi alcançada uma "velocidade" de 44,2 terabits/s (Tb/s) para a banda C (1550 nm), com uma eficiência espectral de 10,4 (b/s)/Hz. O espaçamento entre os solitons vizinhos foi reduzido a 48,9 GHz.

O teste em 75 km foi realizado com fibra óptica em laboratório. Além disso, testes "de campo" semelhantes foram realizados em uma linha óptica real (76,6 km) em Melbourne, Austrália.

O que você precisa saber:

Micro-grebe (micro-comb)
Em termos simples, é uma fonte óptica (leia-se 'a laser'). Seu espectro consiste em uma série de linhas discretas, mantendo uma distância igual entre si (daí o nome grebe). Além disso, o impulso dessa fonte também é chamado de grebe. Se você estiver interessado, pode ler uma revisão [l-2], que aborda as principais conquistas desta área (página 81, sim, as principais conquistas, acesso livre). Você pode ler um resumo na Wikipédia [n-1].

Solitrão óptico
É um único impulso óptico que pode se propagar em um meio não linear a grandes distâncias sem mudar sua forma. Informações gerais podem ser encontradas em um artigo na Wikipédia [n-2].

Cristal solitrão (soliton crystal)
É um conjunto ordenado no tempo de solitões, que estão 'posicionados' periodicamente devido à modulação do campo que os gera. Ele é um cristal apenas no tempo.

Modulação de amplitude em quadratura (QAM)
Ao alterar a fase e a amplitude do sinal, é possível aumentar a quantidade de informação transmitida. A fase é deslocada em — um quarto de círculo, por isso 'quadratura'. O número 64 indica a quantidade de combinações diferentes nessa modulação. Você pode ler um pouco mais na Wikipédia [n-3].

Provavelmente, isso será suficiente por enquanto, e os outros termos ou coisas menos óbvias eu explicarei ao longo do caminho.

02. Experimento

Fig. 1. Conceito do experimento de transmissão de dados usando cristais de solitões [l-1].

a. Ilustração do estado do 'cristal solitrão' usado no experimento.
b. Foto do chip utilizado (5 x 9 mm, ocupando apenas cerca de a área é ocupada pelo dispositivo e guias de onda) + moeda de 2 AUD (20,5 mm) para escala. A inserção mostra o ressonador em anel. A distorção visível na imagem está relacionada à cola que fixa a fibra óptica.
c. Esquema do experimento. Um laser contínuo (CW [n-4]) (1,8 W após o amplificador) bombeia o ressonador em anel (48,9 GHz FSR [n-5]), gerando o micro-grebe ao interagir com o cristal solitrão. O grebe se alinha (refere-se ao alinhamento da amplitude em diferentes frequências) e é demultiplexado [n-6], o que permite sua posterior modulação. Em seguida, o sinal é novamente comprimido, transmitido pela fibra óptica usando amplificadores EDFA (veja abaixo) e cada canal é novamente demultiplexado (este é o antônimo da compressão do sinal).

Sobre Fig. 1 abreviações:

ECL — laser acoplado por borda — é um laser conectado à fibra óptica;
WSS — switch seletivo de comprimento de onda — dispositivo que permite a comutação seletiva de comprimento de onda [n-7];
Rx — receptor;
EDFA — Amplificador de Fibra Dopada de Érbio — amplificador de fibra óptica, dopado com íons de érbio [n-8].

Ao emitir o laser (1.550 nm, contínuo), o micro-resonador gera um cristal soliton de largura espectral superior a 80 nm (com um período de cerca de 0,4 nm). Um micro-pico é gerado quando o laser é ajustado automaticamente para o valor desejado.

Fig. 2. Geração do cristal soliton. Para a geração, o laser é ajustado gradualmente da borda de comprimento de onda mais longo da ressonância para um valor predefinido [l-1].

a. Pico principal. É gerado quando a emissão do laser está em ressonância com o anel.
b. Espectro do cristal soliton utilizado no experimento. Este espectro 'cortado' do micro-pico corresponde a um único defeito temporal inserido no anel (refere-se a uma vacância em vez de uma das linhas do pico). Em uma frequência predefinida, um cristal soliton é gerado com características espectrais em torno das linhas do pico principal. Assim, foram alcançadas linhas por toda a banda C de transmissão de dados ópticos.
c. Diferença na intensidade das linhas do pico para 10 diferentes parâmetros de geração (os símbolos de cada tipo na Fig. representam um dos 10 casos). Como a intensidade varia em ± 0,9 dB do espectro inicial, pode-se considerar que a geração do cristal soliton desejado é confiável.

Cristais soliton foram gerados para 10 comprimentos de onda diferentes de 1.550.300 a 1.550.527 nm e foi mostrado que o resultado desejado é alcançado para todas as 10 variações.

Do micro-pico total, 80 linhas foram selecionadas dentro da banda C (janela espectral de 32 nm de 1.536 a 1.567 nm, 3,95 THz). Essas faixas foram espectralmente alinhadas e posteriormente duplicadas de forma eficaz para 160 (o que equivale a um pico de 24,5 GHz). A duplicação é necessária para otimizar a eficiência espectral (informação útil espectral).

Uma faixa de teste (6 canais) foi adicionada ao sinal em estudo. Todo o pente foi modulado no formato 64 QAM, resultando em uma taxa de símbolo [n-9] em 23 gigabits [n-10], permitindo o uso de 94% do espectro disponível.

No total, foram realizados 2 experimentos de transmissão de informações a 75 km. Em ambos os casos, foi utilizado fibra óptica monomodo. [n-11].

Experimento em laboratório.
Testes de campo usando a rede municipal que conecta o campus da Royal Melbourne Institute of Technology ao campus da Monash University em Clayton.

Fig. 3. Espectros multicanal e sinais de cristal solitônico [l-1].

a. O espectro do pente de frequência após alinhamento, medido com resolução de 12,5 GHz, mostra as linhas individuais.
b. Resultados de laboratório para 75 km de fibra óptica. Resolução de 50 GHz. O gráfico ilustra o canal de teste (resolução de 150 MHz), mostrando as subfaixas pares e ímpares presentes para cada linha (resultado da duplicação descrita anteriormente).
c. Resultados de campo para 76,6 km de fibra óptica. Resolução de 50 GHz.
d. Constelação de sinal [n-12] para a linha de 193,4 THz (1550,1 nm) para duas polarizações (X e Y). "Back-to-back" (B2B) refere-se a um transmissor e receptor conectados diretamente, "75 km in-lab fibre" — teste em laboratório (b) e "76,6 km field fibre" — teste de campo (c).

Sobre Fig. 3 abreviações:

BER — taxa de erro de bit — coeficiente de erros de bit [n-13];
(da magnitude do vetor de erro [n-14]) — caracteriza a qualidade do sinal.

03. Resultados

Fig. 4. Taxa de erro de bits (BER), eficiência espectral e informação mútua generalizada (GMI) [n-15] no experimento [l-1].

a. BER para cada linha do pente. A configuração B2B está marcada em azul, o experimento de laboratório em vermelho e o experimento de campo em verde. A linha tracejada representa 20% de SD FEC, baseado em códigos LDPC. O limite de FEC foi escolhido em . Após a transmissão, assume-se que não há erros em todos os canais.
b. GMI e a intensidade espectral para cada linha de crista. O GMI é calculado separadamente para cada linha após a normalização, o que permite levar em conta a relação sinal-ruído da mensagem recebida. As linhas mostram 10% e 20% de dados redundantes (OH). A eficiência espectral (SE) é calculada a partir do GMI e da relação entre a taxa de símbolos e a distância entre as cristas. Como o GMI pressupõe um sinal ideal, ele mostra uma capacidade total de informação maior em comparação com o BER. Na sequência GMI (SE) para B2B, os valores variam de 11,3 b/símbolo (10,6 b/símbolo/Hz) a 10,9 b/símbolo (10,3 b/símbolo/Hz). Para transmissão por fibra óptica em condições de laboratório, os valores (para o canal) variaram de 11,0 b/símbolo (10,4 b/símbolo/Hz) a 10,7 b/símbolo (10,1 b/símbolo/Hz). Resultados semelhantes foram obtidos em testes de campo.

Sobre Fig. 4 abreviações:

FEC — correção de erros direta [n-16];
SD FEC — FEC de decisão suave;
LDPC — código de verificação de paridade de baixa densidade [n-17].

A taxa líquida de bits obtida nos experimentos foi avaliada em 44,2 Tb/s. Ao converter para a taxa de bits codificada (com a adição de informações redundantes para a transmissão de dados), este valor cai para 40,1 Tb/s (configuração B2B), 39,2 Tb/s (em laboratório) e 39,0 Tb/s ("no campo"). Isso significa uma eficiência espectral de 10,4, 10,2 e 10,1 b/s/Hz, respectivamente.

Esse resultado supera em quase 50% os resultados obtidos com um único dispositivo integrado. [l-3]. Nesse caso, a eficiência espectral é superior em 3,7 vezes.

04. Comparação com outros resultados

Taxa líquida de bits
Taxa de bits codificada
Modulação
Eficiência espectral
Transferência
Fonte

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

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

25,6 Tb/s
22,0 Tb/s
16 QAM
3,2 b/s/Hz
9,6 km, fibra óptica de 30 fibras
[l-5]

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

44,2 Tb/s
39,2 Tb/s
64 QAM
10,2 b/s/Hz
75 km SMF em laboratório
Esta publicação

44,2 Tb/s
39,0 Tb/s
64 QAM
10,1 b/s/Hz
76,6 km SMF em linha municipal ativa
Esta publicação

Tabela 1. Comparação de resultados com outras publicações.

05. Links úteis

Publicações científicas

l-1. Transmissão de dados ópticos ultra-densa sobre fibra padrão com uma fonte de chip único (OpenAccess)
l-2. Micro-pentes: Uma nova geração de fontes ópticas (OpenAccess)
l-3 Solitons baseados em micro-resonadores para comunicações ópticas coerentes massivamente paralelas
l-4. Comunicações coerentes de alta ordem usando pentes de pulso escuro bloqueadas em modo a partir de micro-resonadores (OpenAccess)
l-5. Relógio óptico de pente de frequência de micro-resonador (OpenAccess)

Pode ser útil (Wikipedia)

n-1. Pente de frequência
n-2. Soliton (óptica)
n-3. Modulação por amplitude em quadratura (QAM)
n-4. Onda contínua (CW)
n-5. Faixa espectral livre (FSR)
n-6. Multiplexação
n-7. Comutação seletiva de comprimento de onda (WSS)
n-8. Amplificadores de fibra dopada (DFA, EDFA)
n-9. Taxa de símbolo
n-10. Baud
n-11. Fibra ótica monomodo (SMF)
n-12. Diagrama de constelação
n-13. Taxa de erro de bits (BER)
n-14. Magnitude do vetor de erro
n-15. Informação mútua multivariada (MMI, GMI)
n-16. Correção de erro para frente (FEC)
n-17. Código de verificação de paridade de baixa densidade (LDPC)

Recomendo também dar uma olhada em outros trabalhos nesta área, utilizados na publicação. [l-1].

06. Conclusão

Alcançar uma taxa de transmissão de dados de 44,2 Tb/s (mesmo que na prática seja 39,0 Tb/s) é uma conquista impressionante da ciência moderna.

E mesmo que não possamos usá-la em breve na vida cotidiana, a possibilidade de transmitir dados em alta velocidade é uma das poucas áreas da ciência que não suscitam perguntas como 'para que você está fazendo isso?' ou 'como isso pode ser aplicado em nossas vidas?'.

Espero que você tenha achado interessante. Obrigado pela atenção!

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