🥇44.2 Tbps qua cáp quang - hoạt động như thế nào?

Vào ngày 22 tháng 2020 năm XNUMX, Nature Communications đã xuất bản một bài báo của các nhà khoa học đại diện cho các tổ chức nghiên cứu và khoa học ở Úc, Trung Quốc và Canada, có tựa đề “Truyền dữ liệu quang siêu dày đặc qua cáp quang tiêu chuẩn với một nguồn chip duy nhất”.

Đương nhiên, tiêu đề như vậy không phù hợp với nhiều đối tượng, vì vậy mọi người đều viết trong tin tức về 44.2 Tb/s - kết quả đạt được (một số chưa đọc xong và TB/s đã xuất hiện trên tiêu đề, nhưng giá trị chính xác là terabit/giây). Chúng ta hãy cùng nhau tìm hiểu xem họ đã làm điều đó như thế nào và các nhà nghiên cứu thực sự đã viết về điều gì.

Bắt đầu nào!

Mục lục

01. Luận văn
02. Thử nghiệm
03. Kết quả
04. So sánh với các kết quả khác
05. Liên kết hữu ích
06. Lời bạt

Tôi sẽ cố gắng giải thích những điểm chính của nghiên cứu, bao gồm các thuật ngữ, thiết bị, v.v. Ngoài ra, ở cuối ấn phẩm của tôi sẽ có danh sách các liên kết mà bạn có thể nhấp vào để đọc thêm.

Đừng tin lời giải thích của tôi 100%. Giống như tất cả mọi người ngoại trừ các nhà báo, tôi có thể sai. Đọc tài liệu khoa học thực sự (Phần 05).

01. Luận văn

Bản tóm tắt xuất bản gốc [l-1] (Kết nối miễn phí):

Lược siêu nhỏ – lược tần số quang được tạo ra bởi bộ cộng hưởng khoang vi mô tích hợp – cung cấp toàn bộ tiềm năng của các loại lược tương tự số lượng lớn nhưng ở dạng dấu chân tích hợp. Chúng đã tạo ra những đột phá trong nhiều lĩnh vực bao gồm quang phổ, lượng tử vi sóng, tổng hợp tần số, phạm vi quang học, nguồn lượng tử, đo lường và truyền dữ liệu dung lượng cực cao. Ở đây, bằng cách sử dụng một loại micro-comb mạnh mẽ được gọi là tinh thể soliton, chúng tôi đạt được khả năng truyền dữ liệu cực cao trên 75 km cáp quang tiêu chuẩn bằng cách sử dụng một nguồn chip tích hợp duy nhất. Chúng tôi chứng minh tốc độ đường truyền là 44.2 Terabit s−1 bằng cách sử dụng băng tần C viễn thông ở 1550 nm với hiệu suất phổ là 10.4 bit s−1 Hz−1. Các tinh thể Soliton thể hiện khả năng tạo và vận hành mạnh mẽ và ổn định cũng như hiệu suất nội tại cao, cùng với khoảng cách giữa các vi-comb soliton cực kỳ thấp ở 48.9 GHz cho phép sử dụng định dạng điều chế dữ liệu kết hợp rất cao (64 QAM - điều chế biên độ cầu phương) . Công trình này chứng tỏ khả năng hoạt động của các vi lược quang học trong các mạng truyền thông quang học thực tế và đòi hỏi khắt khe.

Sử dụng nguồn quang tích hợp, có thể truyền thông tin trên khoảng cách hơn 75 km thông qua cáp quang tiêu chuẩn. Đồng thời, đạt được “tốc độ” 44.2 terabit/s (Tb/s) đối với băng tần C (1 nm) với hiệu suất phổ là 550 (b/s)/Hz. Khoảng cách giữa các soliton lân cận đã giảm xuống còn 10.4 GHz.

Cuộc thử nghiệm dài 75 km được thực hiện bằng cáp quang trong phòng thí nghiệm. Ngoài ra, các thử nghiệm "thực địa" tương tự cũng được thực hiện trên một đường truyền quang thực tế (76.6 km) ở Melbourne, Australia.

Những gì bạn cần biết:

Lược siêu nhỏ
Nói một cách đơn giản - một nguồn quang học (đọc là "laser"). Quang phổ của nó bao gồm một loạt các vạch rời rạc có khoảng cách đều nhau (do đó có tên là sườn núi). Ngoài ra, bản thân xung của nguồn như vậy còn được gọi là xung. Nếu bạn quan tâm, bạn có thể đọc bài đánh giá [l-2], đề cập đến những thành tựu chính của lĩnh vực này (81 trang, vâng, những thành tựu chính, truy cập miễn phí). Bạn có thể đọc nó một cách ngắn gọn trên Wikipedia [n-1].

soliton quang học
Đây là một xung quang đơn có thể truyền đi khoảng cách xa trong môi trường phi tuyến mà không thay đổi hình dạng. Thông tin chung có thể được tìm thấy trong bài viết Wikipedia [n-2].

Tinh thể soliton
Đây là một tập hợp các soliton được sắp xếp theo thời gian, được “định vị” định kỳ do sự điều biến của trường tạo ra chúng. Nó chỉ là một tinh thể trong thời gian.

Điều chế biên độ cầu phương (QAM)
Bằng cách thay đổi pha và biên độ của tín hiệu, bạn có thể tăng lượng thông tin được truyền đi. Pha được dịch chuyển bởi - một phần tư hình tròn, do đó là "vuông góc". Số 64 có nghĩa là số lượng kết hợp khác nhau với cách điều chế này. Bạn có thể đọc thêm một chút trên Wikipedia [n-3].

Có lẽ bây giờ điều này là đủ và tôi sẽ giải thích các điều khoản còn lại hoặc những điều không rõ ràng nhất trong quá trình thực hiện.

02. Thử nghiệm

Hình 1. Khái niệm về thí nghiệm truyền dữ liệu sử dụng tinh thể soliton [l-1].

a. Minh họa trạng thái của "tinh thể soliton" được sử dụng trong thí nghiệm.
b. Ảnh của con chip được sử dụng (5 x 9 mm, chỉ khoảng. diện tích chiếm dụng của thiết bị và ống dẫn sóng) + 2 đồng xu AUD (20.5 mm) cho thang đo. Hình nhỏ cho thấy một bộ cộng hưởng vòng. Hiện tượng biến dạng dễ nhận thấy trong hình ảnh là do lớp keo giữ sợi quang tại chỗ.
c. Thiết kế thử nghiệm. Sóng liên tục (CW) [n-4]) bơm laser (1.8 W sau bộ khuếch đại) bộ cộng hưởng vòng (48.9 GHz FSR [n-5]), tạo ra một đường vân siêu nhỏ khi tương tác với tinh thể soliton. Đường vân được cân bằng (có nghĩa là biên độ được cân bằng ở các tần số khác nhau) và được phân kênh [n-6], cho phép điều chế thêm. Tiếp theo, tín hiệu lại được ghép kênh, truyền qua cáp quang bằng bộ khuếch đại EDFA (xem bên dưới) và mỗi kênh lại được phân kênh (đây là từ trái nghĩa của ghép kênh tín hiệu).

Trên Hình 1 Các từ viết tắt:

ECL - laser ghép cạnh - là laser được kết nối với sợi quang;
WSS - công tắc chọn lọc bước sóng - thiết bị cho phép chuyển đổi có chọn lọc bước sóng [n-7];
Rx - máy thu;
EDFA - Bộ khuếch đại sợi pha tạp Erbium - bộ khuếch đại sợi quang pha tạp ion erbium [n-8].

Khi được chiếu xạ bằng tia laser (1nm, sóng liên tục), khoang vi mô tạo ra tinh thể soliton có độ rộng phổ hơn 550 nm (với chu kỳ khoảng 80 nm). Đường vân siêu nhỏ được tạo ra khi tia laser được tự động điều chỉnh đến giá trị mong muốn.

Hình 2. Tạo ra tinh thể soliton Để phát laser, tia laser điều chỉnh trơn tru từ cạnh bước sóng dài của cộng hưởng đến giá trị được xác định trước [l-1].

a. Sườn chính. Được tạo ra khi bức xạ laser cộng hưởng với vòng.
b. Phổ của tinh thể soliton được sử dụng trong thí nghiệm. Phổ vi vân “cắt ngắn” như vậy tương ứng với một khiếm khuyết tạm thời duy nhất được đưa vào vòng (có nghĩa là một chỗ trống thay vì một trong các đường vân). Ở tần số xác định trước, một tinh thể soliton được tạo ra với các đặc điểm quang phổ xung quanh các đường vân chính. Bằng cách này, các đường truyền đã đạt được trên toàn bộ băng tần C của việc truyền dữ liệu quang.
c. Sự khác biệt về cường độ của các đường gờ đối với 10 thông số thế hệ khác nhau (ký hiệu của từng loại trong Hình đại diện cho một trong 10 trường hợp). Vì cường độ nằm trong khoảng ±0.9 dB của phổ ban đầu nên chúng ta có thể giả định rằng việc tạo ra tinh thể soliton cần thiết là đáng tin cậy.

Các tinh thể Soliton được tạo ra cho 10 bước sóng khác nhau từ 1 đến 550.300 nm và người ta đã chứng minh rằng tất cả 1 biến thể đều đạt được kết quả cần thiết.

Từ toàn bộ sườn núi siêu nhỏ, 80 dòng đã được chọn trong dải C (cửa sổ quang phổ rộng 32nm từ 1 đến 536 nm, 1 THz). Các dải tần này được căn chỉnh về mặt phổ và sau đó được nhân đôi một cách hiệu quả lên 567 (tương đương với dải tần 3.95 GHz). Việc tăng gấp đôi là cần thiết để tối ưu hóa hiệu suất phổ (tải trọng phổ).

Một dải thử nghiệm (6 kênh) đã được thêm vào tín hiệu đang nghiên cứu. Toàn bộ sườn núi được điều chế ở định dạng 64 QAM, mang lại tốc độ ký hiệu [n-9] ở mức 23 gigabods [n-10], cho phép sử dụng 94% phổ có sẵn.

Tổng cộng có 2 thí nghiệm được thực hiện để truyền tải thông tin trên quãng đường 75 km. Trong cả hai trường hợp, sợi quang đơn mode được sử dụng [n-11].

Thí nghiệm trong phòng thí nghiệm.
Thử nghiệm thực địa sử dụng mạng lưới thành phố kết nối cơ sở Melbourne của Đại học Công nghệ Hoàng gia Melbourne và cơ sở Clayton của Đại học Monash.

Hình 3. Phổ đa kênh và tín hiệu của tinh thể soliton [l-1].

a. Phổ dải tần số sau khi cân bằng, được đo ở độ phân giải 12.5 GHz để hiển thị từng vạch riêng lẻ.
b. Kết quả thí nghiệm cho 75 km sợi quang. Độ phân giải 50 GHz. Hình nhỏ minh họa kênh thử nghiệm (độ phân giải 150 MHz), hiển thị các băng tần con chẵn và lẻ có cho mỗi dòng (kết quả của việc nhân đôi được mô tả trước đó).
c. Kết quả hiện trường cho 76.6 km sợi quang. Độ phân giải 50 GHz.
d. Chòm sao tín hiệu [n-12] đối với đường 193.4 THz (1550.1 nm) cho hai phân cực (X và Y). "Back-to-back" (B2B) tương ứng với một máy phát và máy thu được kết nối trực tiếp, "75 km cáp quang trong phòng thí nghiệm" tương ứng với thử nghiệm trong phòng thí nghiệm (b) và "76.6 km cáp quang" tương ứng với thử nghiệm hiện trường (c).

Trên Hình 3 Các từ viết tắt:

BER - tỷ lệ lỗi bit - tỷ lệ lỗi bit [n-13];
(từ độ lớn của vectơ lỗi [n-14]) - đặc trưng cho chất lượng của tín hiệu.

03. Kết quả

Hình 4. Tỷ lệ lỗi bit (BER), hiệu suất phổ và thông tin chung tổng quát (GMI) [n-15] trong một thí nghiệm [l-1].

a. BER cho mỗi đường sườn núi. Màu xanh lam biểu thị cấu hình B2B, màu đỏ biểu thị thử nghiệm trong phòng thí nghiệm và màu xanh lá cây biểu thị thử nghiệm hiện trường. Đường đứt nét biểu thị 20% SD FEC dựa trên mã LDPC. Ngưỡng FEC được chọn trong . Sau khi truyền, giả định rằng không có lỗi ở tất cả các kênh.
b. GMI và cường độ quang phổ cho từng đường vân. GMI được tính riêng cho từng dòng sau khi chúng được chuẩn hóa, có tính đến tỷ lệ tín hiệu trên tạp âm của tin nhắn nhận được. Các dòng biểu thị dữ liệu vượt quá 10% và 20% (OH). Hiệu suất phổ (SE) được tính từ GMI và tỷ lệ tốc độ ký hiệu với khoảng cách vân. Vì GMI giả định tín hiệu lý tưởng nên nó cho thấy dung lượng thông tin tổng thể lớn hơn so với BER. Trong chuỗi GMI (SE) cho B2B, các giá trị nằm trong khoảng từ 11.3 bps/ký hiệu (10.6 bps/ký hiệu/Hz) đến 10.9 bps/ký hiệu (10.3 bps/ký hiệu/Hz). Đối với truyền dẫn cáp quang trong điều kiện phòng thí nghiệm, các giá trị (trên mỗi kênh) dao động từ 11.0 bps/ký hiệu (10.4 bps/ký hiệu/Hz) đến 10.7 bps/ký hiệu (10.1 bps/ký hiệu/Hz). Kết quả tương tự cũng thu được trong các thử nghiệm thực địa.

Trên Hình 4 Các từ viết tắt:

FEC - sửa lỗi chuyển tiếp - sửa lỗi chuyển tiếp [n-16];
SD FEC - quyết định mềm FEC;
LDPC - mã kiểm tra chẵn lẻ mật độ thấp - mã có kiểm tra chẵn lẻ mật độ thấp [n-17].

Tốc độ bit ròng thu được trong các thử nghiệm ước tính là 44.2 Tb/s. Khi được chuyển đổi sang tốc độ bit được mã hóa (có bổ sung thông tin dư thừa để truyền dữ liệu), giá trị này giảm xuống 40.1 Tb/s (cấu hình B2B), 39.2 Tb/s (trong phòng thí nghiệm) và 39.0 Tb/s (“tại hiện trường”) "). Điều này có nghĩa là hiệu suất phổ lần lượt là 10.4, 10.2 và 10.1 bps/Hz.

Kết quả này cao hơn gần 50% so với kết quả thu được khi sử dụng một thiết bị tích hợp duy nhất [l-3]. Đồng thời, hiệu suất quang phổ cao hơn 3.7 lần.

04. So sánh với các kết quả khác

Tốc độ bit ròng
Tốc độ bit được mã hóa
Điều chế
Hiệu quả quang phổ
Phát thanh
Nguồn

30.1 Tb/giây
28.0 Tb/giây
16 giờ sáng
2.8 b/s/Hz
75 km SMF trong phòng thí nghiệm
[l-3]

4.8 Tb/giây
4.4 Tb/giây
64 giờ sáng
1.1 b/s/Hz
80 km SMF trong phòng thí nghiệm
[l-4]

25.6 Tb/giây
22.0 Tb/giây
16 giờ sáng
3.2 b/s/Hz
9.6 km, cáp quang 30 lõi
[l-5]

44.2 Tb/giây
40.1 Tb/giây
64 giờ sáng
10.4 b/s/Hz
B2B (0 km)
Ấn phẩm này

44.2 Tb/giây
39.2 Tb/giây
64 giờ sáng
10.2 b/s/Hz
75 km SMF trong phòng thí nghiệm
Ấn phẩm này

44.2 Tb/giây
39.0 Tb/giây
64 giờ sáng
10.1 b/s/Hz
76.6 km SMF trên tuyến đô thị hiện tại
Ấn phẩm này

Chuyển hướng. một. So sánh kết quả với các ấn phẩm khác.

05. Liên kết hữu ích

Các công bố khoa học

l-1. Truyền dữ liệu quang siêu dày đặc qua cáp quang tiêu chuẩn với một nguồn chip duy nhất (Truy cập mở)
l-2. Micro-combs: Một thế hệ nguồn quang mới (Truy cập mở)
l-3 Soliton dựa trên bộ cộng hưởng vi mô để truyền thông quang kết hợp song song ồ ạt
l-4. Truyền thông mạch lạc bậc cao sử dụng lược Kerr xung tối được khóa chế độ từ bộ cộng hưởng vi mô (Truy cập mở)
l-5. Đồng hồ quang lược tần số vi cộng hưởng (Truy cập mở)

Có thể hữu ích (Wikipedia)

n-1. lược tần số
n-2. Soliton (quang học)
n-3. Điều chế biên độ cầu phương (QAM)
n-4. Sóng liên tục (Cw)
n-5. Dải phổ tự do (FSR)
n-6. multiplexing
n-7. Chuyển mạch chọn lọc bước sóng (WSS)
n-8. Bộ khuếch đại sợi pha tạp (DFA, EDFA)
n-9. tỷ lệ biểu tượng
n-10. Baud
n-11. Sợi quang đơn mode (SMF)
n-12. Sơ đồ chòm sao
n-13. Tỷ lệ lỗi bit (BER)
n-14. Độ lớn vectơ lỗi
n-15. Thông tin lẫn nhau đa biến (MMI, GMI)
n-16. Sửa lỗi chuyển tiếp (FEC)
n-17. Mã kiểm tra chẵn lẻ mật độ thấp (LDPC)

Tôi cũng khuyên bạn nên xem các liên kết tới các robot khác trong lĩnh vực này được sử dụng trong ấn phẩm [l-1].

06. Lời bạt

Đạt được tốc độ truyền dữ liệu 44.2 Tb/s (ngay cả khi trên thực tế là 39.0 Tb/s) là một thành tựu ấn tượng của khoa học hiện đại.

Và mặc dù chúng ta khó có thể sớm sử dụng nó trong cuộc sống, nhưng khả năng truyền dữ liệu ở tốc độ cao là một trong số ít lĩnh vực khoa học không khiến người bình thường đặt ra câu hỏi: “Tại sao bạn lại làm điều này?” hoặc “làm thế nào chúng ta có thể áp dụng điều này vào cuộc sống của mình?”

Tôi hy vọng bạn thấy nó thú vị. Cám ơn vì sự quan tâm của bạn!

PS Nếu bạn tìm thấy lỗi chính tả hoặc lỗi trong văn bản, vui lòng cho tôi biết. Điều này có thể được thực hiện bằng cách chọn một phần văn bản và nhấn "Ctrl / ⌘ + Nhập" nếu bạn có Ctrl / ⌘, hoặc thông qua tin nhắn riêng tư. Nếu cả hai tùy chọn đều không khả dụng, hãy viết về các lỗi trong phần nhận xét. Cảm ơn!
PPS Tôi sẽ đánh giá cao nếu bạn dành thêm 60 giây để trả lời 2 cuộc khảo sát ngắn dưới đây. Cảm ơn!

Chỉ những người dùng đã đăng ký mới có thể tham gia khảo sát. Đăng nhập, xin vui lòng.