25 Pb s-1 extreme-multiplexed fiber-optic communications enabled by orbital angular momentum physics
Dit artikel demonstreert een single-fibre transmissiesysteem van 25,24 Pb/s over 10 km door gebruik te maken van orbital angular momentum-modi in een 19-kern ringkernvezel om een blokdiagonaal kanaalmatrix te creëren, waardoor inter-modale koppeling en uitdagingen op het gebied van uitlijning worden overwonnen om een recordbrekende capaciteit te bereiken met laag-complexe, volledig geautomatiseerde MIMO-equalisatie.
Oorspronkelijk artikel gelicentieerd onder CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). Dit is een AI-gegenereerde uitleg van het onderstaande artikel. Het is niet geschreven of goedgekeurd door de auteurs. Raadpleeg het oorspronkelijke artikel voor technische nauwkeurigheid. Lees de volledige disclaimer
Het internet is een enorme, onzichtbare rivier van informatie, maar de buizen die het vervoeren bereiken hun limiet. Decennialang hebben ingenieurs geprobeerd meer data in een enkele glasvezel te persen door verschillende kleuren licht bij elkaar te pakken, vergelijkbaar met het stapelen van verschillende radiostations op hetzelfde frequentieband. Er is echter een fysieke plafond voor hoeveel kleuren er passen voordat ze met elkaar gaan interfereren. Om deze barrière te doorbreken, richten wetenschappers zich op de vorm van het licht zelf. In plaats van alleen de kleur te veranderen, draaien ze het licht in spiralen, waardoor bundels ontstaan die een specifieke soort draai met zich meebrengen, bekend als orbitale impulsmoment. Stel je een kurkentrekker voor die door de ruimte beweegt; hoe strakker de draai en hoe complexer de spiraal, hoe duidelijker het kanaal wordt. Deze aanpak stelt onderzoekers in staat om het licht niet alleen als een stroom te behandelen, maar als een verzameling afzonderlijke rijstroken, wat de capaciteit van een enkele glasvezelkabel potentieel honderden keren kan vermenigvuldigen. De uitdaging is echter geweest om te voorkomen dat deze rijstroken samensmelten tot een chaotische bende terwijl het licht reist, en om uit te vogelen hoe ze aan het begin en het einde van de reis perfect uitgelijnd kunnen worden zonder jaren aan handmatige aanpassingen te moeten besteden.
Een team van onderzoekers aan de Sun Yat-sen Universiteit, werkend met partners uit de industrie en andere instellingen, heeft een manier gedemonstreerd om deze enorme expansie mogelijk te maken. Ze bouwden een systeem dat in staat is om 25,24 petabit aan gegevens per seconde door een enkele optische vezel te sturen. Om de schaal te visualiseren: een petabit is een biljoen biljoen bits; deze enkele kabel draagt in één seconde meer data dan het gehele wereldwijde internetverkeer van enkele jaren geleden. De onderzoekers bereikten dit door een gespecialiseerde glasvezelkabel te gebruiken die 19 afzonderlijke kernen bevat, die elk meerdere gedraaide lichtbundels tegelijkertijd kunnen dragen. In totaal beheerde het systeem 266 verschillende ruimtelijke kanalen, die elk 1.240 verschillende golflengten van licht droegen, wat resulteerde in een verbijsterende 329.840 parallelle informatiestromen die door één kabel vloeien.
De doorbraak ligt in de manier waarop het team deze honderden kanalen heeft voorkomen dat ze met elkaar interfereren. Bij eerdere pogingen om dergelijke systemen op te schalen, zouden de lichtgolven uiteindelijk mengen door minuscule imperfecties in het glas of de manier waarop de kabel gebogen was, waardoor ingenieurs extreem complexe computerverwerking moesten gebruiken om het signaal te ontwarren. Deze verwerking was zo zwaar dat het onpraktisch werd om meer kanalen toe te voegen. De onderzoekers losten dit op door een vezel te ontwerpen met een ringvormige kern, die het gedraaide licht van nature in specifieke, stabiele groepen dwingt. Vanwege de natuurkunde van hoe deze spiralen zich gedragen, kan het licht in de ene groep simpelweg niet gemakkelijk overspringen naar een andere groep, zelfs niet over een afstand van 10 kilometer. Dit creëerde een situatie waarin het signaal georganiseerd bleef, waardoor het team een zeer eenvoudige, vaste computermodule kon gebruiken om het signaal op te schonen, in plaats van een enorme, energieverslindende processor die met elk nieuw kanaal mee zou moeten groeien.
Aan de uiteinden van de kabel, waar het licht de vezel binnenkomt en verlaat, stuitten de onderzoekers op een andere hindernis: het perfect uitlijnen van honderden bundels is een taak die gewoonlijk tijdrovende, handmatige aanpassingen vereist door bekwame technici. Het team vond een manier om dit proces te automatiseren door een unieke eigenschap van het gedraaide licht uit te buiten. Omdat deze spiralen er hetzelfde uitzien, ongeacht hoe ze gedraaid zijn, hoeft het systeem de exacte hoek van de bundel niet te volgen. Bovendien ontdekten de onderzoekers dat als ze de vervorming voor één type spiraal corrigeerden, diezelfde correctie bijna perfect werkte voor de andere typen spiralen in dezelfde bundel. Dit betekende dat ze slechts één bundel per kern hoefden te kalibreren en die fix vervolgens op alle andere konden toepassen. Ze bouwden een geautomatiseerd systeem dat een computeralgoritme gebruikt om de beste uitlijning direct te vinden, waardoor de noodzaak voor menselijke tussenkomst verdween en de hele opstelling stabiel en betrouwbaar werd.
Het resultaat is een transmissiesysteem dat werkt met een niveau van efficiëntie dat nog nooit eerder in een enkele vezel is gezien. De onderzoekers maten de datastroom over een traject van 10 kilometer van hun op maat gemaakte 19-kernige vezel en bevestigden dat het systeem de extreme hoeveelheid gegevens kon verwerken zonder dat de signaalkwaliteit achteruitging. Ze bereikten een datadichtheid die bijna vierhonderd keer hoger is dan die van de huidige standaardkabels, terwijl ze de complexiteit van de signaalverwerking laag en constant hielden. Dit werk bewijst dat het mogelijk is om een glasvezelnetwerk te bouwen dat opschaalt naar honderden kanalen zonder onbeheersbaar te worden. Door gebruik te maken van de natuurwetten om het licht georganiseerd te houden, heeft het team een duidelijke weg gewezen naar de toekomst van wereldwijde communicatie, waarbij een enkele glasvezel de databehoeften van hele naties kan dragen zonder er moeite mee te hebben.
Verdrinkt u in papers in uw vakgebied?
Ontvang dagelijkse digests van de nieuwste papers die bij uw onderzoekswoorden passen — met technische samenvattingen, in uw taal.