44.2 Тб/с по оптоволокну — как это работает?23.05.2020 19:17

22 мая 2020 в Nature Communications была опубликована статья учёных, представляющих исследовательские и научные заведения Австралии, Китая и Канады, под названием "Ultra-dense optical data transmission over standard fibre with a single chip source".

Естественно, такой заголовок не подошел для широкой аудитории, потому в новостях все писали о 44.2 Тб/с — результате, которого удалось достичь (некоторые не дочитали и в заголовках появились ТБ/с, но правильное значение — терабиты/с). Давайте вместе разберёмся, как же это сделали и о чём на самом деле написали исследователи.

Начнём!

Я постараюсь объяснить ключевые пункты исследования, в том числе термины, устройства и так далее. Кроме того, в конце моей публикации будет список ссылок, пройдя по которым вы можете прочитать больше.

Не стоит на 100% доверять моему объяснению. Как и все, кроме журналистов, я могу ошибаться. Читайте настоящую научную литературу (Раздел 05).

01. Тезисы

Оригинальные тезисы публикации [l-1] (свободный доступ):

Micro-combs – optical frequency combs generated by integrated micro-cavity resonators – offer the full potential of their bulk counterparts, but in an integrated footprint. They have enabled breakthroughs in many fields including spectroscopy, microwave photonics, frequency synthesis, optical ranging, quantum sources, metrology and ultrahigh capacity data transmission. Here, by using a powerful class of micro-comb called soliton crystals, we achieve ultra-high data transmission over 75 km of standard optical fibre using a single integrated chip source. We demonstrate a line rate of 44.2 Terabits s−1 using the telecommunications C-band at 1550 nm with a spectral efficiency of 10.4 bits s−1 Hz−1. Soliton crystals exhibit robust and stable generation and operation as well as a high intrinsic efficiency that, together with an extremely low soliton micro-comb spacing of 48.9 GHz enable the use of a very high coherent data modulation format (64 QAM — quadrature amplitude modulated). This work demonstrates the capability of optical micro-combs to perform in demanding and practical optical communications networks.

Используя интегрированный оптический источник удалось по стандартному оптоволокну передавать информацию на расстояние более 75 км. При этом была достигнута «скорость» в 44.2 терабита/с (Тб/с) для C-полосы (1 550 нм) со спектральной эффективностью 10.4 (б/с)/Гц. Расстояние между соседними солитонами удалось сократить до 48.9 ГГц.

Проверка на 75 км проводилась с помощью оптического волокна в лаборатории. Кроме того, были проведены аналогичные "полевые" испытания на настоящей оптической линии (76.6 км) в Мельбурне, Австралия.

Что нужно знать:

Микро-гребень (micro-comb)
Простыми словами — оптический (читай "лазерный") источник. Его спектр состоит из серии дискретных линий, которые находятся на одинаковом расстоянии друг от друга (потому и называется гребень). Кроме того, также называется и сам импульс такого источника. Если вам интересно, вы можете прочитать обзор [l-2], который затрагивает основные достижения этой области (81 страница, да, основные достижения, свободный доступ). Кратко можно почитать в Википедии [n-1].

Оптический солитон
Это одиночный оптический импульс, который может распространятся в нелинейной среде на большие расстояния без изменения своей формы. Общие сведения можно узнать из статьи в Википедии [n-2].

Солитонный кристалл (soliton crystal)
Это упорядоченный во времени ансамбль солитонов, которые "расположены" периодически благодаря модуляции генерирующего их поля. Кристалл он только во времени.

Квадратурная амплитудная модуляция (QAM)
С помощью изменения фазы и амплитуды сигнала, можно увеличить количество передаваемой информации. Фазу смещают на $\pi / 2$ — четверть круга, потому "квадратурная". Число 64 означаем количество разных комбинаций при такой модуляции. Немного подробнее можно прочитать в Википедии [n-3].

Пожалуй, пока этого будет достаточно, а остальные термины или не самые очевидные вещи я буду объяснять по ходу.

02. Эксперимент

Рис. 1. Концепт эксперимента передачи данных с помощью солитонных кристаллов [l-1].

a. Иллюстрация состояния "солитонного кристалла", используемого в эксперименте.
b. Фото используемого чипа (5 х 9 мм, лишь около $1/4$ площади занято устройством и волноводами) + монета 2 AUD (20.5 мм) для масштаба. Вставка показывает кольцевой резонатор. Дисторсия, заметная на изображении, связана с клеем, фиксирующем оптоволокно.
c. Схема эксперимента. Непрерывно излучающий (CW [n-4]) лазер (1.8 Вт после усилителя) накачивает кольцевой резонатор (48.9 ГГц FSR [n-5]), генерируя микро-гребень при взаимодействии с солитонным кристаллом. Гребень выравнивается (имеется ввиду выравнивание амплитуды на разных частотах) и демультиплексируется [n-6], что позволяет дальнейшую его модуляцию. Далее сигнал снова уплотняется, передаётся по оптоволокну с использованием EDFA (см. ниже) усилителей и каждый канал вновь демультиплексируется (это антоним к уплотнению сигнала).

На Рис. 1 аббревиатуры:

ECL — edge-coupled laser — это лазер, соединённый с оптоволокном;
WSS — wavelength-selective switch — устройство, позволяющее селективное переключение длины волны [n-7];
Rx — receiver;
EDFA — Erbium Doped Fiber Amplifier — оптоволоконный усилитель, легированный ионами эрбия [n-8].

При излучении лазера (1 550 нм, непрерывный), микро-резонатор генерирует солитонный кристалл спектральной шириной более 80 нм (с периодом около 0.4 нм). Микро-гребень генерируется при автоматической подстройке лазера на нужное значение.

Рис. 2. Генерация солитонного кристалла. Для генерации, лазер плавно подстраивается с длинноволнового края резонанса на предопределённое значение [l-1].

a. Основной гребень. Генерируется, когда излучение лазера находится в резонансе с кольцом.
b. Спектр солитонного кристалла, который использовался в эксперименте. Такой "усечённый" спектр микро-гребня соответствует единичному временному дефекту, внесённому в кольцо (имеется ввиду вакансия вместо одной из линий гребня). На предопределённой частоте, генерируется солитонный кристалл со спектральными особенностями вокруг линий основного гребня. Таким образом добились линий по всей C-полосе оптической передачи данных.
c. Разница в интенсивности линий гребня для 10 разных параметров генерации (символы каждого вида на Рис. представляют один из 10 случаев). Поскольку интенсивность лежит в пределах ± 0.9 дБ от начального спектра, можно считать, что генерация требуемого солитонного кристалла надёжна.

Солитонные кристаллы генерировались для 10 разных длин волны от 1 550.300 до 1 550.527 нм и показано, что требуемый результат достигается для всех 10 вариаций.

Из всего микро-гребня были выбраны 80 линий в пределах C-полосы (спектральное окно шириной 32 нм от 1 536 до 1 567 нм, 3.95 ТГц). Эти полосы спектрально выровняли и после эффективно удвоили до 160 (что эквивалентно гребню 24.5 ГГц). Удваивание необходимо для оптимизации спектральной эффективности (спектральной полезной информации).

К исследуемому сигналу была добавлена тестовая полоса (6 каналов). Весь гребень модулировался в формате 64 QAM, что даёт символьную скорость [n-9] в 23 гигабод [n-10], что позволило использовать 94% доступного спектра.

Всего было проведено 2 эксперимента по передаче информации на 75 км. В обоих случаях использовалось одномодовое оптоволокно [n-11].

Эксперимент в лаборатории.
Полевые испытания с использованием муниципальной сети, которая соединяет мельбурнский кампус Мельбурнского королевского технологического университета и кампус Университета Монаша в Клейтоне.

Рис. 3. Многоканальные спектры и сигналы солитонного кристалла [l-1].

a. Спектр частотного гребня после выравнивания, измерянный с разрешением 12.5 ГГц, чтобы показать отдельные линии.
b. Лабораторные результаты для 75 км оптоволокна. Разрешение 50 ГГц. Вставка иллюстрирует тестовый канал (разрешение 150 МГц), показывая чётные и нечётные суб-полосы, присутствующие для каждой линии (результат удваивания, которое описывалось раньше).
c. Полевые результаты для 76.6 км оптоволокна. Разрешение 50 ГГц.
d. Сигнальное созвездие [n-12] для линии 193.4 ТГц (1550.1 нм) для двух поляризаций (X и Y). "Back-to-back" (B2B) соответствует напрямую подключённым передатчику и приёмнику, "75 km in-lab fibre" — лабораторному испытанию (b) и "76.6 km field fibre" — полевому испытанию (с).

На Рис. 3 аббревиатуры:

BER — bit error rate — коэффициент битовых ошибок [n-13];
(от величины вектора ошибки [n-14]) — характеризует качество сигнала.

03. Результаты

Рис. 4. Коэффициент битовых ошибок (BER), спектральная эффективность и обобщённая взаимная информация (GMI) [n-15] в эксперименте [l-1].

a. BER для каждой линии гребня. Синим обозначена B2B конфигурация, красным — лабораторный эксперимент, зелёным — полевой эксперимент. Штриховая линия обозначает 20% SD FEC, базирующиеся на кодах LDPC. Порог FEC выбран в $4*10^{-2}$ . После передачи, считается, что ошибки во всех каналах отсутствуют.
b. GMI и спектральная интенсивность для каждой линии гребня. GMI рассчитывается отдельно для каждой линии после их нормализации, которая позволяет учесть соотношение сигнал-шум полученного сообщения. Линии показывают 10% и 20% избыточных данных (OH). Спектральная эффективность (SE) рассчитывается из GMI и соотношения символьной скорости к расстоянию между гребнями. Поскольку GMI предполагает идеальный сигнал, она показывает большую общую ёмкость информации по сравнению с BER. В последовательности GMI (SE) для B2B значения варьируются от 11.3 б/символ (10.6 б/символ/Гц) до 10.9 б/символ (10.3 б/символ/Гц). Для передачи по оптоволокну в лабораторных условиях значения (для канала) составляли от 11.0 б/символ (10.4 б/символ/Гц) до 10.7 б/символ (10.1 б/символ/Гц). Такие же результаты были получены в полевых испытаниях.

На Рис. 4 аббревиатуры:

FEC — forward error correction — прямая коррекция ошибок [n-16];
SD FEC — soft decision FEC;
LDPC — low-density parity-check code — код с малой плотностью проверок на чётность [n-17].

Чистый битрейт, полученный в экспериментах оценен в 44.2 Тб/с. При пересчёте в кодированный битрейт (с добавлением избыточной информации для передачи данных) это значение падает до 40.1 Тб/с (B2B конфигурация), 39.2 Тб/с (в лаборатории) и 39.0 Тб/с ("в поле"). Это означает спектральную эффективность в 10.4, 10.2 и 10.1 б/с/Гц соответственно.

Такой результат почти на 50% превосходит результаты, полученные при использовании одиночного интегрального устройства [l-3]. При этом, спектральная эффективность выше в 3.7 раз.

04. Сравнение с другими результатами

Табл. 1. Сравнение результатов с другими публикациями.

05. Полезные ссылки

Научные публикации
l-1.Ultra-dense optical data transmission over standard fibre with a single chip source (OpenAccess)
l-2. Micro-combs: A novel generation of optical sources (OpenAccess)
l-3 Microresonator-based solitons for massively parallel coherent optical communications
l-4. High-order coherent communications using mode-locked dark-pulse Kerr combs from microresonators (OpenAccess)
l-5. Microresonator frequency comb optical clock (OpenAccess)
Может быть полезно (Википедия)
n-1. Frequency comb
n-2. Soliton (optics)
n-3. Quadrature amplitude modulation (QAM)
n-4. Continuous wave (CW)
n-5. Free spectral range (FSR)
n-6. Multiplexing
n-7. Wavelength selective switching (WSS)
n-8. Doped fiber amplifiers (DFA, EDFA)
n-9. Symbol rate
n-10. Baud
n-11. Single-mode optical fiber (SMF)
n-12. Constellation diagram
n-13. Bit error rate (BER)
n-14. Error vector magnitude
n-15. Multivariate mutual information (MMI, GMI)
n-16. Forward error correction (FEC)
n-17. Low-density parity-check code (LDPC)

Рекомендую также просмотреть ссылки на другие роботы в данной области, использованые в публикации [l-1].

06. Послесловие

Достижение скорости передачи данных в 44.2 Тб/с (даже если на практике это 39.0 Тб/с) — это впечатляющее достижение современной науки.

И даже не смотря на то, что использовать его в жизни мы вряд ли сможем скоро, возможность передачи данных с высокой скоростью — одна из немногих сфер науки, которая не вызывает у обычных людей вопросов «а зачем вы это делаете?» или «а как это применить в нашей жизни?».

Надеюсь, вам было интересно. Спасибо за внимание!

P.S. Если вы нашли опечатки или ошибки в тексте, пожалуйста, сообщите мне. Это можно сделать выделив часть текста и нажав "Ctrl / ⌘ + Enter", если у вас есть Ctrl / ⌘, либо через личные сообщения. Если же оба варианта недоступны, напишите об ошибках в комментариях. Спасибо!
P.P.S. Я буду признателен, если вы потратите ещё 60 секунд и ответите на 2 небольших опроса ниже. Спасибо!