🥇44.2 Tb/s pe fibră optică – cum funcționează?

Pe 22 mai 2020, în Nature Communications a fost publicat un articol al cercetătorilor din instituții de cercetare și științifice din Australia, China și Canada, intitulat "Transmiterea de date optice ultra-dense prin fibră standard cu o sursă dintr-un singur cip".

Desigur, un astfel de titlu nu a fost potrivit pentru un public larg, așa că în știri s-a vorbit despre 44,2 Tb/s — rezultatul pe care au reușit să-l obțină (unii nu au citit până la capăt și în titluri au apărut Tb/s, dar valoarea corectă este terabiți/s). Haideți să analizăm împreună cum au reușit să facă acest lucru și despre ce au scris cu adevărat cercetătorii.

Să începem!

Cuprins

01. Teze
02. Experiment
03. Rezultate
04. Comparația cu alte rezultate
05. Link-uri utile
06. Cuvânt înainte

Voi încerca să explic punctele cheie ale cercetării, inclusiv termenii, dispozitivele și așa mai departe. De asemenea, la sfârșitul publicării mele va fi o listă de link-uri, accesându-le puteți citi mai mult.

Nu ar trebui să vă încredeți 100% în explicația mea. Ca și toți ceilalți, în afară de jurnaliști, pot greși. Citiți literatura științifică reală (Secțiunea 05).

01. Teze

Tezele originale ale publicației [l-1] (acces liber):

Micro-comb-urile – compuneri optice generate de rezonatoare integrate cu micro-cavități – oferă întregul potențial al omologilor lor voluminoși, dar într-un format integrat. Ele au permis progrese în multe domenii, inclusiv spectroscopie, fotonica cu microunde, sinteza frecvenței, gama optică, surse cuantice, metrologie și transmiterea de date cu capacitate ultra-înalta. Aici, folosind o clasă puternică de micro-comb numită cristale solitonice, atingem o transmitere de date ultra-înaltă pe o distanță de 75 km de fibră optică standard folosind o sursă integrată dintr-un singur cip. Demonstrarea unei rate de linie de 44,2 Terabiți s−1 folosind banda de telecomunicații C la 1550 nm cu o eficiență spectrală de 10,4 biți s−1 Hz−1. Cristalele solitonice prezintă o generare robustă și stabilă, precum și o eficiență intrinsecă ridicată care, împreună cu un interval extrem de mic între solitoni de 48,9 GHz, permite utilizarea unui format de modulare a datelor foarte coerent (64 QAM — modulare amplitudinal în cadran). Această lucrare demonstrează capacitatea micro-comb-urilor optice de a funcționa în rețele optice de comunicație exigente și practice.

Folosind o sursă optică integrată, a fost posibilă transmiterea informației pe o fibră optică standard pe o distanță de peste 75 km. În acest context, s-a atins o „viteza” de 44,2 terabiți/s (Tb/s) pentru banda C (1550 nm) cu o eficiență spectrală de 10.4 (b/s)/Hz. Distanța dintre solitoni a fost redusă la 48,9 GHz.

Verificarea pe 75 km a fost efectuată cu ajutorul fibrei optice în laborator. De asemenea, au fost realizate teste similare "pe teren" pe o linie optică reală (76,6 km) în Melbourne, Australia.

Ce trebuie să știi:

Micro-pieptene (micro-comb)
Pe scurt — este o sursă optică (citește "laser") cu un spectru format dintr-o serie de linii discrete, care sunt la distanțe egale între ele (de aici denumirea de pieptene). De asemenea, se numește astfel și impulsul acestei surse. Dacă ești interesat, poți citi recenzia [l-2], care abordează realizările principale din acest domeniu (pagina 81, da, realizări importante, acces liber). Poți citi un rezumat pe Wikipedia. [n-1].

Soliton optic
Este un impuls optic singular, care se poate propaga într-un mediu neliniar pe distanțe mari fără a-și schimba forma. Informații generale pot fi găsite în articolul de pe Wikipedia. [n-2].

Cristal soliton (soliton crystal)
Este un ansamblu ordonat temporal de solitoni, care sunt „dispuși” periodic datorită modulației câmpului care îi generează. Este un cristal doar în timp.

Modulație în amplitudine cu cuadratură (QAM)
Prin schimbarea fazei și amplitudinii semnalului, se poate crește cantitatea de informație transmisă. Faza este dezlocată cu — un sfert de cerc, de aici denumirea „cuadratură”. Numărul 64 reprezintă numărul de combinații diferite pentru această modulație. Poți citi mai multe detalii pe Wikipedia. [n-3].

Probabil, pentru moment, aceasta va fi suficient, iar ceilalți termeni sau aspectele mai puțin evidente vor fi explicate pe parcurs.

02. Experiment

Fig. 1. Conceptul experimentului de transmitere a datelor folosind cristale solitonice [l-1].

a. Ilustrarea stării „cristalului solitonic” utilizat în experiment.
b. Foto a cipului utilizat (5 x 9 mm, ocupând doar suprafață cu dispozitivul și ghidurile de undă) + o monedă de 2 AUD (20.5 mm) pentru scară. Inserția arată rezonatorul în formă de inel. Distorsiunea vizibilă în imagine este legată de adezivul care fixează fibra optică.
c. Schema experimentului. Laserele cu emisie continuă (CW [n-4]) (1.8 W după amplificator) alimentează rezonatorul în formă de inel (48.9 GHz FSR [n-5]), generând micro-pieptene prin interacțiunea cu cristalul solitonic. Pieptenele este aliniat (se referă la alinierea amplitudinii pe diferite frecvențe) și demultiplexat. [n-6], care permite o modulare ulterioară. Apoi, semnalul este din nou comprimat, transmis prin fibră optică folosind amplificatoare EDFA (vezi mai jos) și fiecare canal este din nou demultiplexat (acesta este antonimul comprimării semnalului).

Pe Fig. 1 abrevieri:

ECL — laser cu cuplare pe margine — este un laser conectat la fibră optică;
WSS — switch selectiv pe lungimea de undă — dispozitiv care permite comutarea selectivă a lungimii de undă [n-7];
Rx — receptor;
EDFA — Amplificator pe fibră dopată cu erbiu — amplificator de fibră optică, dopat cu ioni de erbiu [n-8].

La emisia laserului (1 550 nm, continuu), micro-rezonatorul generează un cristal soliton cu o lățime spectrală de peste 80 nm (cu un parcurs de aproximativ 0.4 nm). Micro-grebenii sunt generați prin ajustarea automată a laserului la valoarea dorită.

Fig. 2. Generarea cristalului soliton. Pentru generare, laserul se ajustează treptat de la marginea lungimii de undă a rezonanței la o valoare predefinită [l-1].

a. Grebenul principal. Este generat când emisia laserului este în rezonanță cu inelul.
b. Spectrul cristalului soliton utilizat în experiment. Acest spectru "tăiat" al micro-grebenului corespunde unei defecte temporale unice introduse în inel (se referă la o vacanță în locul uneia dintre liniile grebenului). La o frecvență predefinită, se generează un cristal soliton cu caracteristici spectrale în jurul liniilor grebenului principal. Astfel, s-au obținut linii pe întreaga bandă C a transmisiei optice de date.
c. Diferența de intensitate a liniilor grebenului pentru 10 parametri diferiți de generație (simbolurile fiecărui tip din Fig. reprezintă unul dintre cele 10 cazuri). Deoarece intensitatea se află în intervalul ± 0.9 dB față de spectrul inițial, se poate considera că generarea cristalului soliton dorit este fiabilă.

Cristalele soliton au fost generate pentru 10 lungimi de undă diferite, de la 1 550.300 la 1 550.527 nm, și s-a arătat că rezultatul dorit este atins pentru toate cele 10 variații.

Din întregul micro-greben, au fost selectate 80 de linii în intervalul benzii C (fereastra spectrală având o lățime de 32 nm de la 1 536 la 1 567 nm, 3.95 THz). Aceste benzi au fost aliniate spectral și apoi au fost eficient dublate până la 160 (ceea ce echivalează cu un greben de 24.5 GHz). Dublarea este necesară pentru optimizarea eficienței spectrale (informații utile spectrale).

O bandă de testare (6 canale) a fost adăugată semnalului studiat. Întregul vârf a fost modulată în format 64 QAM, ceea ce oferă o viteză simbolică [n-9] de 23 gigaboduri [n-10], ceea ce a permis utilizarea a 94% din spectrul disponibil.

Au fost efectuate 2 experimente pentru transmiterea informației pe o distanță de 75 km. În ambele cazuri s-a folosit fibră optică monocrom. [n-11].

Experimentul în laborator.
Testele de teren folosind rețeaua municipală care conectează campusul din Melbourne al Universității Regale Tehnologice din Melbourne și campusul Universității Monash din Clayton.

Fig. 3. Spectre și semnale multi-canal ale cristalului soliton. [l-1].

a. Spectrul vârfului de frecvență după aliniere, măsurat cu o rezoluție de 12,5 GHz, pentru a arăta liniile individuale.
b. Rezultatele de laborator pentru 75 km de fibră optică. Rezoluție 50 GHz. Inserția ilustrează canalul de testare (rezoluție 150 MHz), arătând subbenzi pare și impare prezente pentru fiecare linie (rezultatul dublării, care a fost descris anterior).
c. Rezultatele de teren pentru 76,6 km de fibră optică. Rezoluție 50 GHz.
d. Constelația semnalului [n-12] pentru linia de 193,4 THz (1550,1 nm) pentru cele două polarizări (X și Y). "Back-to-back" (B2B) corespunde unui emițător și receptor conectați direct, "fibra de laborator de 75 km" este testul de laborator (b) iar "fibra de teren de 76,6 km" este testul de teren (c).

Pe Figura 3 abrevieri:

BER — rata de eroare pe bit — coeficientul de erori pe bit [n-13];
(de la magnitudinea vectorului de eroare [n-14]) — caracterizează calitatea semnalului.

03. Rezultate

Fig. 4. Coeficientul de erori pe bit (BER), eficiența spectrală și informația mutuală generalizată (GMI) [n-15] în experiment [l-1].

a. BER pentru fiecare linie de vârf. Configurația B2B este marcată în albastru, experimentul de laborator în roșu, experimentele de teren în verde. Linia punctată reprezintă 20% SD FEC, bazată pe codurile LDPC. Pragul FEC este ales la . După transmitere, se consideră că nu există erori în toate canalele.
b. GMI și intensitatea spectrală pentru fiecare linie a crestăturii. GMI este calculat separat pentru fiecare linie după normalizare, ceea ce permite luarea în considerare a raportului semnal-zgomot al mesajului obținut. Liniile arată 10% și 20% date redundante (OH). Eficiența spectrală (SE) este calculată din GMI și raportul vitezei simbolului la distanța dintre crestături. Deoarece GMI presupune un semnal ideal, aceasta indică o capacitate totală a informației mai mare în comparație cu BER. În secvența GMI (SE) pentru B2B, valorile variază de la 11.3 b/simbol (10.6 b/simbol/Hz) la 10.9 b/simbol (10.3 b/simbol/Hz). Pentru transmisia prin fibră optică în condiții de laborator, valorile (pentru canal) au fost de la 11.0 b/simbol (10.4 b/simbol/Hz) la 10.7 b/simbol (10.1 b/simbol/Hz). Aceleași rezultate au fost obținute în teste de teren.

Pe Figura 4 abrevieri:

FEC – corecția avansată a erorilor [n-16];
SD FEC – FEC cu decizie moale;
LDPC – cod de verificare cu densitate scăzută – cod cu o densitate scăzută de verificări de paritate [n-17].

Bitrate-ul net obținut în experimente a fost evaluat la 44.2 Tb/s. La recalcularea în bitrate-ul codificat (cu adăugarea informațiilor redundante pentru transmiterea datelor), această valoare scade la 40.1 Tb/s (configurație B2B), 39.2 Tb/s (în laborator) și 39.0 Tb/s ("în teren"). Acest lucru indică o eficiență spectrală de 10.4, 10.2 și 10.1 b/s/Hz, respectiv.

Acest rezultat depășește cu aproape 50% rezultatele obținute prin utilizarea unui singur dispozitiv de integrare [l-3]. În acest context, eficiența spectrală este mai mare de 3.7 ori.

04. Comparația cu alte rezultate

Bitrate net
Bitrate codificat
Modulație
Eficiență spectrală
Transfer
Sursa

30.1 Tb/s
28.0 Tb/s
16 QAM
2.8 b/s/Hz
75 km SMF în laborator
[l-3]

4.8 Tb/s
4.4 Tb/s
64 QAM
1.1 b/s/Hz
80 km SMF în laborator
[l-4]

25.6 Tb/s
22.0 Tb/s
16 QAM
3.2 b/s/Hz
9.6 km, fibră optică cu 30 de fire
[l-5]

44.2 Tb/s
40.1 Tb/s
64 QAM
10.4 b/s/Hz
B2B (0 km)
Această publicație

44.2 Tb/s
39.2 Tb/s
64 QAM
10.2 b/s/Hz
75 km SMF în laborator
Această publicație

44.2 Tb/s
39.0 Tb/s
64 QAM
10.1 b/s/Hz
76.6 km SMF pe o linie municipală activă
Această publicație

Tabel. 1. Compararea rezultatelor cu alte publicații.

05. Link-uri utile

Publicații științifice

l-1. Transmisie de date optice ultra-dense peste fibră standard cu o sursă de chip unic (OpenAccess)
l-2. Micro-grupuri: O nouă generație de surse optice (OpenAccess)
l-3 Solitonii bazat pe microrezonator pentru comunicații optice coerente masiv paralele
l-4. Comunicații coerente de ordin înalt folosind grupuri Kerr de pulsații întunecate blocate în modul din microrezonatoare (OpenAccess)
l-5. Ceas optic cu grupuri de frecvență bazat pe microrezonator (OpenAccess)

Poate fi util (Wikipedia)

n-1. Grup de frecvență
n-2. Soliton (optică)
n-3. Modularea amplitudinii în cuadratură (QAM)
n-4. Undă continuă (CW)
n-5. Intervalul spectral liber (FSR)
n-6. Multiplexare
n-7. Comutare selectivă pe lungimea de undă (WSS)
n-8. Amplificatoare cu fibră dopată (DFA, EDFA)
n-9. Rata simbolurilor
n-10. Baud
n-11. Fibra optică monomodă (SMF)
n-12. Diagrama constelației
n-13. Rata erorilor binare (BER)
n-14. Magnitudinea vectorului de eroare
n-15. Informație mutuală multivariată (MMI, GMI)
n-16. Corecția erorilor avansate (FEC)
n-17. Cod de verificare de paritate de densitate scăzută (LDPC)

Vă recomand să consultați și linkurile către alte lucrări din acest domeniu, utilizate în publicație. [l-1].

06. Cuvânt înainte

Obținerea unei viteze de transfer de date de 44,2 Tb/s (chiar dacă în practică este de 39,0 Tb/s) este o realizare impresionantă a științei moderne.

Și, chiar dacă nu ne vom putea folosi de aceasta în curând, posibilitatea de a transfera date la viteze mari este unul dintre puținele domenii ale științei care nu stârnește întrebări ca „de ce faceți asta?” sau „cum poate fi aplicată în viața noastră?”.

Sper că v-a fost interesant. Vă mulțumesc pentru atenție!

P.S. Dacă ați găsit greșeli sau erori în text, vă rog să-mi spuneți. Puteți face asta selectând o parte din text și apăsând „Ctrl / ⌘ + Enter”, dacă aveți Ctrl / ⌘, sau prin mesaje private. Dacă niciuna dintre opțiuni nu este disponibilă, vă rog să scrieți despre erori în comentarii. Vă mulțumesc!
P.P.S. Aș fi recunoscător dacă ați lua încă 60 de secunde pentru a răspunde la 2 mici sondaje de mai jos. Vă mulțumesc!

Numai utilizatorii înregistrați pot participa la sondaj. Conectați-vă, vă rugăm.