🥇44,2 Tb/s optickým vláknom — ako to funguje?

22. mája 2020 bola v časopise Nature Communications zverejnená štúdia vedcov z výskumných a vedeckých inštitúcií Austrálie, Číny a Kanady s názvom "Ultra-dense optical data transmission over standard fibre with a single chip source".

Pravdaže, takýto názov sa nehodil pre širokú verejnosť, preto v médiách všetci písali o 44,2 Tb/s — výsledku, ktorý bol dosiahnutý (niektorí si to ani neprečítali a v nadpisoch sa objavili TB/s, ale správna hodnota je terabity/s). Poďme sa spoločne pozrieť, ako to urobili a o čom vlastne písali vedci.

Začnime!

Obsah

01. Témy
02. Experiment
03. Výsledky
04. Porovnanie s inými výsledkami
05. Užitočné odkazy
06. Záver

Pokúsim sa vysvetliť kľúčové body výskumu, vrátane pojmov, zariadení a podobne. Na konci mojej publikácie bude tiež zoznam odkazov, po ktorých môžete prečítať viac.

Nenechávajte 100% dôveru v moje vysvetlenie. Rovnako ako všetci okrem novinárov, aj ja sa môžem mýliť. Čítajte skutočnú vedeckú literatúru (Sekcia 05).

01. Témy

Pôvodné tézy publikácie [l-1] (voľný prístup):

Mikro-kombinácie – optické frekvenčné kombinácie generované integrovanými mikrovlnnými rezonančnými zariadeniami – ponúkajú plný potenciál svojich veľkých protějškov, ale v integrovanom formáte. Umožnili prevratné objavy v mnohých oblastiach, vrátane spektroskopie, mikrovlnnej fotoniky, syntézy frekvencie, optického merania, kvantových zdrojov, metrológie a ultr vysokokapacitnej dátovej prenosu. Tu, pomocou mocného typu mikro-kombinácií nazývaného solitónové kryštály, dosahujeme ultra-vysoký prenos dát na vzdialenosť 75 km štandardného optického vlákna s použitím jedného integrovaného optického zdroja. Demonštrujeme prenosovú rýchlosť 44,2 terabitov za sekundu s použitím telekomunikačného pásma C pri 1550 nm so spektrálnou efektívnosťou 10,4 bitu za sekundu na Hertz. Solitónové kryštály vykazujú robustnú a stabilnú generáciu a prevádzku, ako aj vysokú vnútornú efektívnosť, ktorá spolu s extrémne nízkym rozostupom solitónov mikro-komínov 48,9 GHz umožňuje použitie veľmi vysoko koherentného formátu modulácie dát (64 QAM — kvadraturou modulovaná amplitúda). Táto práca demonštruje schopnosť optických mikro-kombinácií fungovať v náročných a praktických optických komunikačných sieťach.

Použitím integrovaného optického zdroja sa podarilo prenášať informácie cez štandardné optické vlákno na vzdialenosť viac ako 75 km. Pri tom bola dosiahnutá „rýchlosť“ 44,2 terabita/s (Tb/s) pre C-pásmo (1 550 nm) so spektrálnou efektívnosťou 10,4 (b/s)/Hz. Vzdialenosť medzi susednými solitónmi sa podarilo skrátiť na 48,9 GHz.

Test na 75 km bol vykonaný pomocou optického vlákna v laboratóriu. Okrem toho sa uskutočnili podobné "poľné" testy na skutočnej optickej linke (76,6 km) v Melbourne, Austrália.

Čo potrebujete vedieť:

Mikro-hrebienok (micro-comb)
Jednoducho povedané — optický (čítaj "laserový") zdroj. Jeho spektrum sa skladá zo série diskrétnych čiar, ktoré sú rovnako vzdialené od seba (preto sa nazýva hrebienok). Takisto sa nazýva aj samotný impulz takého zdroja. Ak máte záujem, môžete si prečítať prehľad [l-2], ktorý sa zaoberá hlavnými úspechmi v tejto oblasti (81. strana, áno, hlavné úspechy, voľný prístup). Stručne si môžete prečítať na Wikipédii [n-1].

Optický solitón
Je to jednotlivý optický impulz, ktorý sa môže šíriť v nelineárnom prostredí na veľké vzdialenosti bez zmeny svojej formy. Základné informácie si môžete prečítať v článku na Wikipédii [n-2].

Solitónový kryštál (soliton crystal)
Je to usporiadaný v čase ansámbl solitónov, ktoré sú "umiestnené" periodicky vďaka modulácii generujúceho poľa. Kryštál je len v čase.

Kvadruálna amplitúdová modulácia (QAM)
Zmenou fázy a amplitúdy signálu je možné zvýšiť množstvo prenášanej informácie. Fázu posúvame o — štvrtinu kruhu, preto "kvadruálna". Číslo 64 znamená počet rôznych kombinácií pri takejto modulácii. O niečo viac si môžete prečítať na Wikipédii [n-3].

Asi zatiaľ stačí, a ostatné termíny alebo menej zjavné veci budem vysvetľovať priebežne.

02. Experiment

Obr. 1. Koncept experimentu prenosu dát pomocou solitónových kryštálov [l-1].

a. Ilustrácia stavu "solitónového kryštálu", ktorý sa používa v experimente.
b. Fotografia používaného čipu (5 x 9 mm, zhruba len plocha obsadená zariadením a vlnovodmi) + minca 2 AUD (20,5 mm) pre mierku. Vloženie ukazuje krúžkový rezonátor. Skreslenie viditeľné na obrázku súvisí s lepidlom, ktoré drží optické vlákno.
c. Schéma experimentu. Neustále vyžarujúci (CW [n-4]) laser (1,8 W po zosilňovači) pumpuje krúžkový rezonátor (48,9 GHz FSR [n-5]), generujúc mikro-vlnu pri interakcii so solitónovým kryštálom. Vlna sa vyrovnáva (myslí sa tým vyrovnanie amplitúdy na rôznych frekvenciách) a demultiplexuje. [n-6], čo umožňuje jej ďalšiu moduláciu. Signál sa následne opäť komprimuje, prenáša sa optickým vláknom s použitím posilňovačov EDFA (pozri nižšie) a každý kanál sa opäť demultiplexuje (to je antonymom kompresie signálu).

Na Obr. 1 skratky:

ECL — edge-coupled laser — je laser spojený s optickým vláknom;
WSS — wavelength-selective switch — zariadenie umožňujúce selektívne prepínanie vlnovej dĺžky. [n-7];
Rx — prijímač;
EDFA — Erbium Doped Fiber Amplifier — optický posilňovač, dopovaný iónmi erbia. [n-8].

Pri vyžarovaní laseru (1 550 nm, kontinuálny), mikro-rezonátor generuje solitónový kryštál so spektrálnou šírkou viac ako 80 nm (s periódou okolo 0.4 nm). Mikro-vlna sa generuje pri automatickej ladenej hodnoty lasera na požadovanú hodnotu.

Obr. 2. Generácia solitónového kryštálu. Pre generáciu sa laser plynule ladí z dlhých vlnových dĺžok rezonančného okraja na preddefinovanú hodnotu. [l-1].

a. Hlavná vlna. Generuje sa, keď žiarenie lasera je v rezonancii s kruhom.
b. Spektrum solitónového kryštálu, ktorý bol použitý v experimente. Takéto „zúžené“ spektrum mikro-vlny zodpovedá jednému časovému defektu, ktorý bol vložený do kruhu (myslí sa tým vakancia namiesto jedného z riadkov vlny). Na preddefinovanej frekvencii sa generuje solitónový kryštál so spektrálnymi vlastnosťami okolo riadkov hlavnej vlny. Týmto spôsobom dosiahli riadky po celej C-pásme optického prenosu dát.
c. Rozdiel v intenzite vlnových riadkov pre 10 rôznych parametrov generácie (symboly každého typu na Obr. predstavujú jeden z 10 prípadov). Keďže intenzita sa pohybuje v rámci ± 0.9 dB od počiatočného spektra, možno považovať, že generácia požadovaného solitónového kryštálu je spoľahlivá.

Solitónové kryštály sa generovali pre 10 rôznych dĺžok vlny od 1 550.300 do 1 550.527 nm a ukázalo sa, že požadovaný výsledok sa dosahuje pre všetky 10 variácií.

Z celého mikrohrbca bolo vybraných 80 línií v rámci pásma C (spektrálne okno široké 32 nm od 1536 do 1567 nm, 3,95 THz). Tieto pásma boli spektrálne vyrovnané a následne efektívne zdvojené na 160 (čo zodpovedá hrbcu 24,5 GHz). Zdvojenie je nevyhnutné na optimalizáciu spektrálnej efektívnosti (spektrálne užitočné informácie).

K skúmanému signálu bola pridaná testovacia pásmo (6 kanálov). Celý hrbec bol modulovaný v formáte 64 QAM, čo poskytuje symbolovú rýchlosť [n-9] 23 gigabodov [n-10], čo umožnilo využiť 94% dostupného spektra.

Celkovo boli vykonané 2 experimenty na prenose informácií na 75 km. V oboch prípadoch sa používal jednovidový optický kábel [n-11].

Experiment v laboratóriu.
Terénne testy s využitím mestských sietí, ktoré spojujú melbournský kampus Kráľovskej technickej univerzity v Melbourne a kampus Monash University v Claytone.

Obr. 3. Viackanálové spektrá a signály solitónového kryštálu [l-1].

a. Spektrum frekvenčného hrbca po vyrovnaní, merané s rozlíšením 12,5 GHz, aby ukázalo jednotlivé línie.
b. Laboratórne výsledky pre 75 km optického vlákna. Rozlíšenie 50 GHz. Vložka ilustruje testovací kanál (rozlíšenie 150 MHz), ukazujúca párne a nepárne sub-pásma prítomné pre každú líniu (výsledok zdvojenia, ktoré bolo popísané skôr).
c. Terénne výsledky pre 76,6 km optického vlákna. Rozlíšenie 50 GHz.
d. Signálne súhvezdie [n-12] pre líniu 193,4 THz (1550,1 nm) pre dve polarizácie (X a Y). "Back-to-back" (B2B) zodpovedá priamo pripojenému vysielaču a prijímaču, "75 km v laboratóriu" — laboratórnemu testu (b) a "76,6 km terénne vlákno" — terénnemu testu (c).

Na Obr. 3 skratky:

BER — bit error rate — miera bitových chýb [n-13];
(od veľkosti vektora chyby [n-14]) — charakterizuje kvalitu signálu.

03. Výsledky

Obr. 4. Miera bitových chýb (BER), spektrálna efektívnosť a zhrnutá vzájomná informácia (GMI) [n-15] v experimente [l-1].

a. BER pre každú líniu hrbca. Modrou je označená B2B konfigurácia, červenou — laboratórny experiment, zelenou — terénny experiment. Čiarová línia označuje 20% SD FEC, založené na kódoch LDPC. Prah FEC bol nastavený na . Po prenose sa predpokladá, že v všetkých kanáloch nie sú chyby.
b. GMI a spektrálna intenzita pre každý hrebeň. GMI sa počíta samostatne pre každý hrebeň po ich normalizácii, čo umožňuje zohľadniť pomer signál-šum získaného signálu. Hrebeň ukazuje 10 % a 20 % nadbytočných údajov (OH). Spektrálna efektivita (SE) sa počíta z GMI a pomeru symbolovej rýchlosti k vzdialenosti medzi hrebeňmi. Keďže GMI predpokladá ideálny signál, ukazuje väčšiu celkovú kapacitu informácií v porovnaní s BER. V sekvencii GMI (SE) pre B2B sa hodnoty pohybujú od 11,3 b/symbol (10,6 b/symbol/Hz) do 10,9 b/symbol (10,3 b/symbol/Hz). Pre prenos optickým fiberom v laboratórnych podmienkach sa hodnoty (pre kanál) pohybovali od 11,0 b/symbol (10,4 b/symbol/Hz) do 10,7 b/symbol (10,1 b/symbol/Hz). Tie isté výsledky boli dosiahnuté aj v terénnych testoch.

Na Obr. 4 skratky:

FEC — priama korekcia chýb [n-16];
SD FEC — soft decision FEC;
LDPC — kód s nízkou hustotou kontrolných súčtov [n-17].

Čistá bitová prenosová rýchlosť, získaná v experimentoch, bola odhadnutá na 44,2 Tbit/s. Prepočítať vzorcom na kódovanú bitovú prenosovú rýchlosť (s pridaním nadbytočných informácií na prenos dát) klesá na 40,1 Tbit/s (B2B konfigurácia), 39,2 Tbit/s (v laboratóriu) a 39,0 Tbit/s ("v teréne"). To znamená spektrálnu efektivitu 10,4, 10,2 a 10,1 b/s/Hz v poradí.

Takýto výsledok prekonáva výsledky dosiahnuté použitím jedného integrovaného zariadenia takmer o 50 % [l-3]. Pri tomto, spektrálna efektivita je vyššia 3,7-krát.

04. Porovnanie s inými výsledkami

Čistá bitová prenosová rýchlosť
Kódovaná bitová prenosová rýchlosť
Modulácia
Spektrálna efektivita
Prenos
Zdroj

30,1 Tbit/s
28,0 Tbit/s
16 QAM
2,8 b/s/Hz
75 km SMF v laboratóriu
[l-3]

4,8 Tbit/s
4,4 Tbit/s
64 QAM
1,1 b/s/Hz
80 km SMF v laboratóriu
[l-4]

25,6 Tbit/s
22,0 Tbit/s
16 QAM
3,2 b/s/Hz
9,6 km, 30-kvadrátne optické vlákno
[l-5]

44,2 Tbit/s
40,1 Tbit/s
64 QAM
10,4 b/s/Hz
B2B (0 km)
Táto publikácia

44,2 Tbit/s
39,2 Tbit/s
64 QAM
10,2 b/s/Hz
75 km SMF v laboratóriu
Táto publikácia

44,2 Tbit/s
39,0 Tbit/s
64 QAM
10,1 b/s/Hz
76,6 km SMF na existujúcej mestskej linke
Táto publikácia

Tab. 1. Porovnanie výsledkov s inými publikáciami.

05. Užitočné odkazy

Vedecé publikácie

l-1. Ultra-hustý optický prenos dát cez štandardná vlákna s jedným čipovým zdrojom (OpenAccess)
l-2. Mikro-hrady: Nová generácia optických zdrojov (OpenAccess)
l-3 Mikrorezonátorové solitóny pre masívne paralelné koherentné optické komunikácie
l-4. Vysokordenné koherentné komunikácie pomocou režimu uzamknutých tmavých pulzov Kerr-hradov z mikrorezonátorov (OpenAccess)
l-5. Optický hodiny frekvenčného hrebeňa z mikrorezonátora (OpenAccess)

Môže byť užitočné (Wikipedia)

n-1. Frekvenčný hrebeň
n-2. Solitón (optika)
n-3. Modulácia mriežkového amplitúdy (QAM)
n-4. Kontinuálna vlna (KW)
n-5. Voľný spektroskopický rozsah (FSR)
n-6. Multiplexovanie
n-7. Prepinanie výberu vlnovej dĺžky (WSS)
n-8. Dopované optické zosilňovače (DFA, EDFA)
n-9. Symbolová rýchlosť
n-10. Baud
n-11. Jednovidová optická vlákna (SMF)
n-12. Konštelácia diagramu
n-13. Miera chybových bitov (BER)
n-14. Chybový vektor magnitúdy
n-15. Multivariátová vzájomná informácia (MMI, GMI)
n-16. Predaj opráv chýb (FEC)
n-17. Kód s nízkou hustotou parite (LDPC)

Odporúčam tiež pozrieť odkazy na ďalšie roboty v tejto oblasti, použité v publikácii [l-1].

06. Záver

Dosiahnutie rýchlosti prenosu dát 44,2 Tb/s (aj keď v praxi to je 39,0 Tb/s) je pôsobivé dosiahnutie modernej vedy.

A aj napriek tomu, že ho pravdepodobne v blízkej budúcnosti nebudeme môcť využiť, možnosť prenosu dát vysokou rýchlosťou je jednou z mála sférov vied, ktorá nevyvoláva otázky "prečo to robíte?" alebo "ako to aplikovať v našich životoch?".

Dúfam, že vás to zaujalo. Ďakujem za pozornosť!

P.S. Ak ste našli preklepy alebo chyby v texte, prosím, informujte ma. Môžete to urobiť zvýraznením časti textu a stlačením "Ctrl / ⌘ + Enter", ak máte Ctrl / ⌘, alebo cez súkromné správy. Ak nie sú obidva varianty dostupné, napíšte o chybách v komentároch. Ďakujem!
P.P.S. Budem vďačný, ak venujete ešte 60 sekúnd a odpoviete na 2 malé prieskumy nižšie. Ďakujem!

Len registrovaní používatelia sa môžu zúčastniť prieskumu. Prihláste sa, prosím.