MCF

661 Tbit/s data på lyset fra en enkelt optisk chip

Thursday 07 Jul 16
|
Ved den internationale konference "Conference on Lasers and Electro-Optics 2016", afholdt i San Jose, Californien 5-9 Juni 2016, præsenterede vores forskningsgruppe et rekordeksperiment i form af et prestigefyldt såkaldt postdeadline paper. Eksperimentet var en demonstration af verdens højeste bit rate genereret på lyset fra en enkelt lyskilde og transmitteret igennem en multi-kerne fiber. Vi opnåede at kunne generere 661 Tbit/s på lyset fra en enkelt optisk chip og transmittere det igennem en ny type fiber med 30 individuelle kerner i. Dette svarer til dobbelt så meget som den totale internettrafik over hele verden, som altså kan bæres af lyset fra en eneste chip, og demonstrerer på dramatisk vis styrken af optiske teknologier.

Internettet har eksisteret i godt 25 år og har fuldstændig ændret vores måde at interagere med hinanden, at arbejde og at underholde os på. Internettet er baseret på en rygrad af lys, hvor hundrede milliarder optiske bits sendes rundt på jordens overflade hvert sekund. Disse mange bits sendes i en optisk fiber, som Charles Kao fik Nobelprisen i Fysik i 2009 for at have udviklet, og som i dag regnes for et af det 20’de århundredes 20 største teknologiske landvindinger. Den optiske fiber har muliggjort at vi hver eneste dag i år 2016 skaber mere data end der blev skabt fra tidernes morgen til år 2000. Så hurtigt er internettet vokset, og internettrafikken vokser stadig med to-cifrede procenttal, cirka 35-50% per år – altså den faktiske trafik på internettet på verdensplan. Samtidig er energiforbruget af internettet samlet vokset så meget at 10% af al elektricitet i dag bruges på kommunikation, hvilket igen svarer til 2-3% af det globale CO2-udslip. Der er andre industrier (transport og byggeindustrierne f.eks.) der bruger ligeså meget energi eller mere (altså svarende til mere end 2-3% CO2-udledning), men de vokser bare ikke så hurtigt som internettrafikken. Derfor er det bydende nødvendigt, at ressourcerne udnyttes optimalt – det indebærer dels, at der skal bruges så lidt energi som muligt på datatransport og dels at der skal sendes så meget som muligt per tilgængeligt spektrum. At bruge færre lasere i en sender er derfor uhyre interessant.

Ved den internationale konference "Conference on Lasers and Electro-Optics 2016", afholdt i San Jose, Californien 5-9 Juni 2016, præsenterede vores forskningsgruppe et rekordeksperiment i form af et prestigefyldt såkaldt postdeadline paper. Postdeadline papers er omhyggeligt udvalgte papers der beskriver de seneste store landvindinger indenfor feltet, som får lov til at blive præsenteret i en særlig postdeadline session. Eksperimentet var en demonstration af verdens højeste bit rate genereret på lyset fra en enkelt lyskilde og transmitteret igennem en multi-kerne fiber. Vi opnåede at kunne generere 661 Tbit/s på lyset fra en enkelt optisk chip og transmittere det igennem en ny type fiber med 30 individuelle kerner i. Dette svarer til dobbelt så meget som den totale internettrafik over hele verden, som altså kan bæres af lyset fra en eneste chip, og demonstrerer på dramatisk vis styrken af optiske teknologier.

Nedenstående figur viser princippet:

661Tbit 

Figur: De essentielle dele af eksperimentet der muliggjorde at opnå en samlet transmissionskapacitet på 661 Tbit/s. Øverst: En enkelt pulset laser sender pulser med et spektrum på omkring 3 nm i bredde ind i en AlGaAs bølgeleder. Denne bølgeleder er så ulineær at den breder spektret til omtrent 40 nm ved en proces kendt som selvfasemodulation. Af dette forbredte spektrum skæres så med et programmerbart optisk filter 80 individuelle bølgelængdekanaler, som hver påtrykkes en 16 QAM data modulation. Nederst: De 80 bølgelængdekanaler multiplekses ydermere i polarisation (PDM) og derefter i rum (SDM), dvs. datasignalerne sendes igennem 30 individuelle fiberkerner i en ny type multikernefiber (MCF). Ved hjælp af særligt fabrikerede fan-in/fan-out koblere multiplekses og demultiplekses der rumligt, og endelig kommer der 80x30 PDM-16QAM datakanaler ud svarende til 661 Tbit/s.

For at opnå denne rekord, optimerede vi på flere optiske parametre, som vi kunne addere mere data i: Tid, frekvens, polarisation, kvadratur (kompleks modulation) og rum (multikerne fiber). Især frekvens, rum og den komplekse modulation blev der udviklet ekstra på i forhold til tidligere arbejder. I tid generede vi 40 Gbaud data kanaler, og i frekvens multipleksede vi 80 af disse kanaler ved forskellige bølgelængder sammen i et såkaldt bølgelængdemultiplekset signal (wavelength division multiplexed, WDM). Alle WDM kanaler blev polarisationsmultiplekset (PDM), og hver puls bar på 4 bit i kvadratur i dataformatet kaldet 16QAM (16 quaternary amplitude modulation) hvor amplituden og den optiske fase sammen kan antage 16 forskellige værdier i den komplekse plan, i stedet for det binære format med kun to værdier.  Endelig benyttede vi en særlig optisk fiber vi havde fået adgang til gennem et samarbejde med den japanske telegigant NTT og deres samarbejdspartner Fujikura – denne fiber havde 30 kerner indenfor en fiberdiameter på 228 mikrometer, og den var 9.6 km lang. Hver kerne bar hver på en kopi af WDM signalet. Samlet set blev der altså transmitteret 661 Tbit/s – alt sammen baseret på en enkelt laser i senderen.

Dette arbejde er et resultat af samarbejde mellem grundforskningscentret SPOC (Silicon Photonics for Optical Communications) og Villum Fondens center NATEC (NAnophotonics for TErabit Communications), og H2020/MIC EU-Japan projektet SAFARI. De omtalte eksperimenter foregik på DTU i Kgs. Lyngby i High-Speed Optical Communications gruppens laboratorium. 

http://www.spoc.dtu.dk/english/Nyheder/Nyhed?id=cc55809f-1931-4269-848d-4d773d237f8b
22 SEPTEMBER 2017