25 Pb s-1 extreme-multiplexed fiber-optic communications enabled by orbital angular momentum physics
Questo articolo dimostra un sistema di trasmissione a singola fibra da 25,24 Pb/s su 10 km sfruttando i modi di momento angolare orbitale in una fibra a anello con 19 core per creare una matrice di canale a blocchi diagonali, superando così le sfide dell'accoppiamento inter-modale e dell'allineamento per raggiungere una capacità record con un'equalizzazione MIMO a bassa complessità e completamente automatizzata.
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Internet è un vasto, invisibile fiume di informazioni, ma le tubature che lo trasportano stanno raggiungendo il proprio limite. Per decenni, gli ingegneri hanno cercato di stipare più dati in un singolo filamento di vetro raggruppando insieme diversi colori di luce, in modo simile a come si impilano diverse stazioni radio sulla stessa banda di frequenza. Tuttavia, esiste un soffitto fisico a quanti colori possono entrare prima che inizino a interferire tra loro. Per superare questa barriera, gli scienziati si stanno rivolgendo alla forma della luce stessa. Invece di cambiare solo il colore, stanno torcendo la luce in spirali, creando fasci che trasportano un tipo specifico di rotazione noto come momento angolare orbitale. Immaginate un tappo di una bottiglia che si muove nello spazio; più la torsione è stretta e più la spirale è complessa, più il canale diventa distinto. Questo approccio permette ai ricercatori di trattare la luce non solo come un flusso, ma come una collezione di corsie separate, potenzialmente moltiplicando la capacità di un singolo cavo in fibra di centinaia di volte. La sfida, tuttavia, è stata evitare che queste corsie si fondessero in un caos disordinato durante il percorso della luce, e capire come allinearle perfettamente all'inizio e alla fine del viaggio senza spendere anni in regolazioni manuali.
Un team di ricercatori della Sun Yat-sen University, lavorando con partner dell'industria e di altre istituzioni, ha dimostrato un modo per rendere possibile questa massiccia espansione. Hanno costruito un sistema capace di trasmettere 25,24 petabit di dati al secondo attraverso un singolo cavo in fibra ottica. Per visualizzare la scala, un petabit è un milione di miliardi di bit; questo singolo cavo trasporta in un secondo più dati di quanto fosse l'intero traffico internet globale di qualche anno fa. I ricercatori ci sono riusciti utilizzando un cavo in fibra specializzato contenente 19 nuclei separati, ciascuno capace di trasportare simultaneamente più fasci di luce torcesa. In totale, il sistema è riuscito a gestire 266 canali spaziali distinti, ognuno dei quali trasportava 1.240 diverse lunghezze d'onda della luce, risultando in uno sbalorditivo flusso di 329.840 flussi paralleli di informazioni attraverso un unico cavo.
La svolta risiede nel modo in cui il team ha gestito l'interferenza tra questi centinaia di canali. Nei precedenti tentativi di scalare sistemi simili, le onde luminose finivano per mescolarsi a causa di minuscole imperfezioni nel vetro o del modo in cui il cavo veniva piegato, costringendo gli ingegneri a utilizzare un'elaborazione informatica incredibilmente complessa per districare il segnale. Questa elaborazione era così pesante da rendere impraticabile l'aggiunta di ulteriori canali. I ricercatori hanno risolto il problema progettando una fibra con un nucleo a forma di anello, che forza naturalmente la luce torcesa in gruppi specifici e stabili. Grazie alla fisica del comportamento di queste spirali, la luce in un gruppo non può facilmente saltare in un altro, anche su una distanza di 10 chilometri. Ciò ha creato una situazione in cui il segnale rimaneva organizzato, permettendo al team di utilizzare un modulo informatico molto semplice e di dimensioni fisse per pulire il segnale, piuttosto che un processore enorme e vorace di energia che avrebbe dovuto crescere con ogni nuovo canale aggiunto.
Alle estremità del cavo, dove la luce entra ed esce, i ricercatori hanno affrontato un altro ostacolo: allineare perfettamente centinaia di fasci è un compito che di solito richiede l'intervento tedioso e manuale di tecnici esperti. Il team ha trovato un modo per automatizzare questo processo sfruttando una proprietà unica della luce torcesa. Poiché queste spirali appaiono identiche indipendentemente dalla loro rotazione, il sistema non ha bisogno di tracciare l'angolo esatto del fascio. Inoltre, i ricercatori hanno scoperto che se correggevano la distorsione per un tipo di spirale, quella stessa correzione funzionava quasi perfettamente per gli altri tipi di spirali nello stesso gruppo. Ciò significava che dovevano solo calibrare un fascio per nucleo e poi applicare quella correzione a tutti gli altri. Hanno costruito un sistema automatizzato che utilizza un algoritmo informatico per trovare l'allineamento ottimale istantaneamente, eliminando la necessità di intervento umano e rendendo l'intera configurazione stabile e affidabile.
Il risultato è un sistema di trasmissione che opera con un livello di efficienza mai visto prima in una singola fibra. I ricercatori hanno misurato il flusso di dati su un tratto di 10 chilometri della loro fibra personalizzata a 19 nuclei e hanno confermato che il sistema poteva gestire l'estremo volume di dati senza che la qualità del segnale degradasse. Hanno raggiunto una densità di dati quasi quattrocento volte superiore rispetto agli attuali cavi standard, mantenendo al contempo la complessità dell'elaborazione del segnale bassa e costante. Questo lavoro dimostra che è possibile costruire una rete in fibra ottica che possa scalare a centinaia di canali senza diventare ingestibile. Utilizzando le leggi naturali della fisica per mantenere la luce organizzata, il team ha mostrato una via chiara verso il futuro della comunicazione globale, dove un singolo filamento di vetro può trasportare le necessità di dati di intere nazioni senza alcuna difficoltà.
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