🥇44.2 Tbps 光纖 - 它是如何運作的？

22年2020月XNUMX日，《自然通訊》雜誌發表了澳洲、中國和加拿大三國科學研究機構科學家的論文，題為《透過單晶片源在標準光纖上實現超密集光資料傳輸》。

當然，這樣的標題並不適合廣大受眾，所以新聞里大家都寫的是44.2 Tb/s——這個結果（有些人沒有讀到最後，標題裡出現了TB/s，但正確的值是terabits/s）。讓我們一起弄清楚他們是如何做到的以及研究人員實際上寫了什麼。

讓我們開始吧！

01. 論文

出版品的原始摘要 [l-1] （免費存取）：

微梳——由整合式微腔諧振器產生的光頻率梳——具有體梳的全部潛力，但體積卻很小。它們在光譜學、微波光子學、頻率合成、光學測距、量子源、計量學和超大容量數據傳輸等許多領域都取得了突破。在這裡，透過使用稱為孤子晶體的強大微梳，我們使用單一整合晶片源實現了超過 75 公里標準光纖的超高資料傳輸。我們證明了使用 44.2 nm 電信 C 波段的線路速率為 1 Terabits s−1550，頻譜效率為 10.4 Bits s−1 Hz−1。孤子晶體表現出穩健而穩定的產生和運行以及高固有效率，再加上 48.9 GHz 的極低孤子微梳間距，可以使用非常高的相干數據調製格式（64 QAM - 正交幅度調製）。這項工作證明了光學微梳在要求嚴格且實用的光通訊網路中的性能。

使用整合光源，可以透過標準光纖在超過 75 公里的距離內傳輸訊息。在這種情況下，C 波段（44.2 nm）實現了 1 太比特/秒（Tb/s）的“速度”，頻譜效率為 550（b/s）/Hz。相鄰孤子之間的距離減少到 10.4 GHz。

在實驗室中利用光纖進行了75公里的測試。此外，在澳洲墨爾本的一條真實光纖鏈路（76.6公里）上也進行了類似的「現場」測試。

你需要知道的：

微梳
簡單來說，它是一種光學（讀作“雷射”）來源。它的光譜由一系列彼此等距的離散線組成（因此得名梳子）。此外，這種源的脈衝也稱為。如果你有興趣，你可以閱讀評論 [l-2]，涵蓋了該領域的主要成果（81頁，是的，主要成果，免費訪問）。您可以在維基百科上閱讀簡短的摘要 [n-1].

光孤子
它是一種單一的光脈衝，可以在非線性介質中長距離傳播而不會改變其形狀。一般資訊可以在維基百科文章中找到 [n-2].

孤子晶體
這是一組按時間順序排列的孤子集合，它們由於產生它們的場的調製而週期性地「排列」。水晶只是及時的。

正交幅度調變（QAM）
透過改變訊號的相位和幅度，可以增加傳輸的資訊量。相位偏移 - 圓的四分之一，因此為「正交」。數字 64 表示此調製的不同組合的數量。您可以在維基百科上閱讀更多相關內容 [n-3].

也許現在這就足夠了，我會在後面解釋其餘的術語或不太明顯的東西。

02. 實驗

圖。 1。 使用孤子晶體進行資料傳輸的實驗概念 [l-1].

a. 實驗中所使用的「孤子晶體」狀態的說明。
b. 所用晶片的照片（5 x 9 毫米，僅約設備和波導所佔面積）+ 2 澳元硬幣（20.5 毫米）作為刻度。插圖顯示了一個環形諧振器。影像中可見的扭曲是由於固定光纖的黏合劑造成的。
c. 實驗設計。連續波（CW） [n-4]) 雷射 (放大器後 1.8 W) 泵浦環形諧振腔 (48.9 GHz FSR [n-5])，與孤子晶體相互作用時產生微梳狀結構。梳狀訊號被均衡（意味著振幅在不同頻率上均衡）並被解復用 [n-6]，從而可以對其進行進一步的調製。然後再次壓縮訊號，使用 EDFA（見下文）放大器通過光纖傳輸，並再次對每個通道進行解復用（這與訊號壓縮相反）。

上 圖。 1 縮寫：

ECL——邊緣耦合雷射——是一種與光纖耦合的雷射；
WSS — 波長選擇開關 — 允許選擇性切換波長的設備 [n-7];
Rx — 接收器；
EDFA — 摻鉺光纖放大器 — 摻鉺離子的光纖放大器 [n-8].

當以雷射（1nm，連續）照射時，微諧振器會產生光譜寬度大於550nm（週期約80nm）的孤子晶體。透過自動調整雷射到所需值來產生微梳。

圖。 2。 孤子晶體的產生。為了產生，將雷射從諧振的長波長邊緣平滑地調整到預定值 [l-1].

a. 主山脊。當雷射與環共振時產生。
b. 實驗中所使用的孤子晶體的光譜。微梳的這種「截斷」光譜對應於引入環中的一個臨時缺陷（意味著空位而不是其中一條梳狀線）。在預定頻率下，會產生一個孤子晶體，其主脊線周圍具有光譜特徵。這樣，就實現了全C波段光線路的資料傳輸。
c. 10 種不同生成參數的脊線強度差異（圖中每種類型的符號代表 10 種情況中的一種）。由於強度在初始光譜的±0.9 dB範圍內，因此可以認為所需孤子晶體的生成是可靠的。

針對從 10 至 1 nm 的 550.300 種不同波長產生了孤子晶體，結果表明，所有 1 種變化均可達到所需的結果。

從整個微梳中，選擇了 C 波段內的 80 條線（32 nm 寬光譜窗口，從 1 至 536 nm，1 THz）。這些波段在光譜上對齊，然後有效地加倍至 567（相當於 3.95 GHz 波峰）。為了優化頻譜效率（頻譜有用資訊），必須加倍。

將測試條（6通道）加入所研究的訊號中。整個梳狀訊號採用 64 QAM 格式調製，其符號率為 [n-9] 23 千兆波特 [n-10]，這使得可以利用94％的可用頻譜。

共進行了2次實驗，實現了75公里以上資訊傳輸。在兩種情況下，均使用了單模光纖。 [n-11].

在實驗室裡進行實驗。
使用連接皇家墨爾本理工大學墨爾本校區和莫納什大學克萊頓校區的市政網路進行現場試驗。

圖。 3。 孤子晶體的多通道光譜與訊號 [l-1].

a. 均衡後的頻率梳頻譜，以 12.5 GHz 解析度測量以顯示單獨的線條。
b. 75 公里光纖的實驗室結果。解析度50GHz。插圖展示了一個測試通道（150 MHz 解析度），顯示了每條線路的偶數和奇數子帶（前面描述的加倍的結果）。
c. 76.6 公里光纖的現場結果。解析度50GHz。
d. 信號星座 [n-12] 對於兩種極化（X 和 Y）的 193.4 THz 線（1550.1 nm）。「背靠背」（B2B）對應於直接連接的發射器和接收器，「75 公里實驗室光纖」對應於實驗室測試（b），「76.6 公里現場光纖」對應於現場測試（c）。

上 圖。 3 縮寫：

BER — 誤碼率 — 誤碼率 [n-13];
（從誤差向量的幅度 [n-14]) — 表徵訊號的品質。

03. 結果

圖。 4。 誤碼率 (BER)、頻譜效率和廣義互資訊 (GMI) [n-15] 在實驗中 [l-1].

a. 每條脊線的 BER。藍色表示B2B配置，紅色表示實驗室實驗，綠色表示現場實驗。虛線表示基於 LDPC 碼的 20% SD FEC。 FEC閾值選擇。傳輸完畢後，認為所有通道均無錯誤。
b. 每條脊線的 GMI 和光譜強度。對每條線路進行標準化後，分別計算 GMI，其中考慮了接收訊息的信噪比。線條顯示 10% 和 20% 的過度數據 (OH)。頻譜效率 (SE) 是根據 GMI 以及符號率與脊間距的比率計算得出的。由於 GMI 假設訊號是理想的，因此它顯示出比 BER 更大的整體資訊容量。在用於 B2B 的 GMI（SE）序列中，值範圍從 11.3 bps（10.6 bps/Hz）到 10.9 bps（10.3 bps/Hz）。對於實驗室條件下的光纖傳輸，該值（每個通道）範圍從 11.0 b/symbol（10.4 b/symbol/Hz）到 10.7 b/symbol（10.1 b/symbol/Hz）。在現場試驗中也獲得了相同的結果。

上 圖。 4 縮寫：

FEC — 前向糾錯 [n-16];
SD FEC — 軟判決 FEC；
LDPC — 低密度奇偶校驗碼 — 具有低密度奇偶校驗的代碼 [n-17].

實驗中獲得的淨比特率估計為44.2 Tb/s。當轉換為編碼位元率（添加了資料傳輸的冗餘資訊）時，該值下降到 40.1 Tb/s（B2B 配置）、39.2 Tb/s（在實驗室中）和 39.0 Tb/s（在現場）。這分別相當於 10.4、10.2 和 10.1 bps/Hz 的頻譜效率。

這結果比使用單一整合設備所獲得的結果幾乎好50%。 [l-3]。而且頻譜效率提高了3.7倍。

04. 與其他結果的比較

純比特率
編碼比特率
調製
頻譜效率
轉讓
源

30.1 Tb/秒
28.0 Tb/秒
第16話
2.8 bps/Hz
實驗室中的 75 公里 SMF
[l-3]

4.8 Tb/秒
4.4 Tb/秒
第64話
1.1 bps/Hz
實驗室中的 80 公里 SMF
[l-4]

25.6 Tb/秒
22.0 Tb/秒
第16話
3.2 bps/Hz
9.6公里，30芯光纖
[l-5]

44.2 Tb/秒
40.1 Tb/秒
第64話
10.4 bps/Hz
B2B（0公里）
本出版品

44.2 Tb/秒
39.2 Tb/秒
第64話
10.2 bps/Hz
實驗室中的 75 公里 SMF
本出版品

44.2 Tb/秒
39.0 Tb/秒
第64話
10.1 bps/Hz
現有市政線路上 76.6 公里 SMF
本出版品

桌子。 1. 與其他出版物的結果比較。

05. 有用的鏈接

科學出版品

升-1。 透過單晶片來源透過標準光纖進行超密集光資料傳輸（開放存取）
升-2。 微梳：新一代光源（開放存取）
1-3 基於微諧振器的孤子用於大規模並行相干光通信
升-4。 利用微諧振器鎖模暗脈衝克爾梳進行高階相干通信（開放存取）
升-5。 微諧振器頻率梳光鐘（開放存取）

可能有用（維基百科）

n-1。 頻率梳
n-2。 孤子（光學）
n-3。 正交調幅（正交調幅）
n-4。 連續波（順時針）
n-5。 自由光譜範圍（FSR）
n-6。 复
n-7。 波長選擇性開關（WSS）
n-8。 摻雜光纖放大器（DFA、EDFA）
n-9。 符號率
n-10。 波特
n-11。 單模光纖（單模光纖）
n-12。 星座圖
n-13。 誤碼率（誤碼率）
n-14。 誤差向量幅度
n-15。 多元互資訊（MMI、GMI）
n-16。 前向糾錯 (前向糾錯碼)
n-17。 低密度奇偶校驗碼（低密度奇偶校驗碼）

我還建議您查看出版物中使用的該領域其他機器人的連結。 [l-1].

06. 後記

實現 44.2 Tb/s 的資料傳輸速率（即使實際上只有 39.0 Tb/s）是現代科學的一項令人印象深刻的成就。

儘管我們不太可能很快就能在現實生活中使用它，但高速傳輸資料的能力是少數幾個不會讓普通人問「為什麼要這樣做？」的科學領域之一。或“我們如何在生活中運用它？”

我希望你覺得它很有趣。感謝您的關注！

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來源： www.habr.com

44.2 Tb/s 光纖 - 它是如何工作的？

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