25 Pb s-1 extreme-multiplexed fiber-optic communications enabled by orbital angular momentum physics
Diese Arbeit demonstriert ein 25,24 Pb/s Single-Faser-Übertragungssystem über 10 km, indem sie Bahndrehimpulsmomente (Orbital Angular Momentum Modes) in einer 19-Kern-Ringkernfaser nutzt, um eine blockdiagonale Kanalmatrix zu erzeugen und dadurch die Herausforderungen der intermodalen Kopplung sowie der Ausrichtung zu überwinden, um eine rekordverdächtige Kapazität mit komplexitätsarmem, vollautomatisiertem MIMO-Equalization zu erreichen.
Originalarbeit lizenziert unter CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). Dies ist eine KI-generierte Erklärung des untenstehenden Papers. Sie wurde nicht von den Autoren verfasst oder gebilligt. Für technische Genauigkeit konsultieren Sie das Originalpaper. Vollständigen Haftungsausschluss lesen
Das Internet ist ein riesiger, unsichtbarer Informationsfluss, doch die Rohre, die ihn transportieren, stoßen an ihre Grenzen. Jahrzehntelang haben Ingenieure versucht, mehr Daten in einen einzelnen Glasstrang zu pressen, indem sie verschiedene Farben des Lichts zusammenpackten, ähnlich wie das Übereinanderstapeln verschiedener Radiosender auf demselben Frequenzband. Es gibt jedoch eine physikalische Obergrenze dafür, wie viele Farben hineinpassen, bevor sie beginnen, sich gegenseitig zu stören. Um diese Barriere zu durchbrechen, wenden sich Wissenschaftler der Form des Lichts selbst zu. Anstatt nur die Farbe zu ändern, verdrehen sie das Licht zu Spiralen und erzeugen Strahlen, die eine bestimmte Art von Drehimpuls, den sogenannten Bahndrehimpuls, tragen. Stellen Sie sich eine Korkenzieherbewegung im Raum vor; je enger die Drehung und je komplexer die Spirale, desto deutlicher wird der einzelne Kanal. Dieser Ansatz ermöglicht es den Forschern, das Licht nicht nur als einen Strom, sondern als eine Sammlung separater Fahrspuren zu behandten, was die Kapazität eines einzelnen Glasfaserkabels potenziell um das Hundertfache vervielfachen könnte. Die Herausforderung bestand jedoch darin, zu verhindern, dass diese Spuren während des Weges des Lichts zu einem chaotischen Durcheinander verschmelzen, und herauszufinden, wie man sie am Anfang und am Ende der Reise perfekt aufeinander ausrichtet, ohne Jahre für manuelle Anpassungen aufwenden zu müssen.
Ein Forschungsteam der Sun Yat-sen Universität, das mit Partnern aus der Industrie und anderen Institutionen zusammenarbeitet, hat einen Weg aufgezeigt, um diese massive Erweiterung möglich zu machen. Sie bauten ein System, das in der Lage ist, 25,24 Petabit an Daten pro Sekunde durch eine einzige Glasfaser zu senden. Um die Größenordnung zu verdeutlichen: Ein Petabit ist eine Billion Billion Bits; dieses einzelne Kabel trägt in einer Sekunde mehr Daten als der gesamte weltweite Internetverkehr von vor einigen Jahren. Die Forscher erreichten dies durch den Einsatz eines speziellen Glasfaserkabels, das 19 separate Kerne enthält, von denen jeder in der Lage ist, mehrere verdrehte Lichtstrahlen gleichzeitig zu übertragen. Insgesamt bewältigte das System 266 verschiedene räumliche Kanäle, wobei jeder Kanal 1.240 verschiedene Wellenlängen des Lichts trug, was zu einem atemberaubenden Fluss von 329.840 parallelen Informationsströmen durch ein einziges Kabel führte.
Der Durchbruch liegt darin, wie das Team diese hunderte von Kanälen daran hinderte, sich gegenseitig zu stören. Bei früheren Versuchen, solche Systeme hochzufahren, vermischten sich die Lichtwellen aufgrund winziger Unvollkommenheiten im Glas oder der Art und Weise, wie das Kabel gebogen war, schließlich miteinander, was Ingenieure dazu zwang, unglaublich komplexe Computerverarbeitung einzusetzen, um das Signal zu entwirren. Diese Verarbeitung war so schwerfällig, dass es unpraktisch wurde, mehr Kanäle hinzuzufügen. Die Forscher lösten dieses Problem, indem sie eine Faser mit einem ringförmigen Kern entwarfen, der das verdrehte Licht auf natürliche Weise in spezifische, stabile Gruppen zwingt. Aufgrund der Physik, wie diese Spiralen funktionieren, kann das Licht in einer Gruppe einfach nicht so leicht in eine andere Gruppe springen, selbst über eine Distanz von 10 Kilometern. Dies schuf eine Situation, in der das Signal organisiert blieb, was es dem Team ermöglichte, ein sehr einfaches, fest dimensioniertes Computermodul zur Reinigung des Signals zu verwenden, anstatt eines massiven, energiehungrigen Prozessors, der mit jedem neu hinzugefügten Kanal mitwachsen müsste.
An den Enden des Kabels, wo das Licht eintritt und austritt, standen die Forscher vor einer weiteren Hürde: Hunderte von Strahlen perfekt auszurichten, ist eine Aufgabe, die normalerweise mühsame, manuelle Justierungen durch geschulte Techniker erfordert. Das Team fand einen Weg, diesen Prozess zu automatisieren, indem es eine einzigartige Eigenschaft des verdrehten Lichts ausnutzte. Da diese Spiralen gleich aussehen, egal wie sie rotiert werden, muss das System nicht den exakten Winkel des Strahls verfolgen. Darüber hinaus entdeckten die Forscher, dass, wenn sie die Verzerrung für eine Art von Spirale korrigierten, dieselbe Korrektur fast perfekt für die anderen Arten von Spiralen im selben Bündel funktionierte. Dies bedeutete, dass sie nur einen Strahl pro Kern kalibrieren mussten und diese Korrektur dann auf alle anderen anwenden konnten. Sie bauten ein automatisiertes System, das einen Computeralgorithmus nutzt, um die beste Ausrichtung sofort zu finden, wodurch die Notwendigkeit eines menschlichen Eingreifens entfiel und das gesamte Setup stabil und zuverlässig wurde.
Das Ergebnis ist ein Übertragungssystem, das mit einem Effizienzniveau arbeitet, das in einer einzelnen Faser noch nie zuvor gesehen wurde. Die Forscher maßen den Datenfluss über eine 10 Kilometer lange Strecke ihrer maßgeschneiderten 19-Kern-Faser und bestätigten, dass das System das extreme Datenvolumen bewältigen konnte, ohne dass sich die Signalqualität verschlechterte. Sie erreichten eine Datendichte, die fast vierhundertmal höher ist als die heutiger Standardkabel, und hielten gleichzeitig die Komplexität der Signalverarbeitung niedrig und konstant. Diese Arbeit beweist, dass es möglich ist, ein Glasfasernetz aufzubauen, das auf hunderte von Kanälen skaliert, ohne unhandlich zu werden. Durch die Nutzung der natürlichen Naturgesetze, um das Licht organisiert zu halten, hat das Team einen klaren Weg in die Zukunft der globalen Kommunikation aufgezeigt, in der ein einzelner Glasstrang die Datenbedarfe ganzer Nationen bewältigen kann, ohne dabei ins Schwitzen zu geraten.
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