Ein Forscherteam aus Japan und dem Vereinigten Königreich hat den Weltrekord für Glasfaserkommunikation mithilfe von Glasfasern kommerzieller Qualität gebrochen. Durch die Erweiterung der Glasfaser-Kommunikationsbandbreite erzielte das Team viermal schnellere Datenraten als bestehende kommerzielle Systeme und 33 % mehr als der bisherige Weltrekord.
Der Erfolg der Forscher ist zum Teil auf ihren innovativen Einsatz optischer Verstärker zur Verstärkung von Signalen auf Kommunikationsbändern zurückzuführen, die heute von der herkömmlichen Glasfasertechnologie seltener genutzt werden. „Es handelt sich mehr oder weniger nur um ein breiteres Spektrum“, sagt Ben Puttnam, leitender wissenschaftlicher Mitarbeiter am National Institute of Information and Communications Technology (NICT) in Koganei, Japan.
Laut Puttnam bauten die Forscher ihren Kommunikations-Hardware-Stack aus optischen Verstärkern und anderen Geräten auf, die teilweise von Nokia Bell Labs und dem in Hongkong ansässigen Unternehmen Amonics entwickelt wurden. Die zusammengesetzte Technologie umfasst sechs separate optische Verstärker, die optische Signale über C-Band-Wellenlängen (das heutige Standard- und Hochleistungskommunikationsband) sowie die weniger beliebten L-, S- und E-Bänder komprimieren können. (Das E-Band liegt im nahen Infrarot, während die S-, C- und L-Bande im sogenannten kurzwelligen Infrarot liegen.)
Insgesamt ermöglicht die Kombination der E-, S-, C- und L-Bänder der neuen Technologie die Übertragung eines beeindruckenden Durchsatzes von 402 Terabit pro Sekunde (Tbps) über die Arten von Glasfaserkabeln, die bereits im Boden und unter den Ozeanen vorhanden sind. Was im Vergleich zur Konkurrenz beeindruckend ist.
„Die besten kommerziellen Systeme der Welt arbeiten mit 100 Terabit pro Sekunde“, sagt Puttnam. „Wir schneiden also bereits etwa viermal besser ab. » Anfang dieses Jahres erreichte ein Forscherteam der Aston University in Birmingham, England, einen damaligen Rekord von 301 Tbit/s, wobei es weitgehend die gleiche Technologie wie die japanischen und britischen Forscher verwendete und eine bestimmte Anzahl von Forschern auf die beiden Gruppen aufteilte.
Puttnam fügt hinzu, dass, wenn man alles bis an seine Grenzen bringen wollte, man sogar noch mehr Bandbreite aus den vorhandenen Kabeln herausholen könnte, selbst wenn man nur das aktuelle E-Band, S-Band, C-Band und L-Band (kurz: ESCL) verwendet. Technologien.
„Wenn Sie wirklich alles vorantreiben, alle Lücken schließen und jeden Kanal von höchster Qualität haben, den Sie organisieren können, dann wahrscheinlich 600 [Tbps] „Das ist die absolute Grenze“, sagt Puttnam.
Erreichen Sie 402 Tbit/s oder 600
Das „C“ im C-Band steht für „konventionell“ und C-Band ist das herkömmliche Kommunikationsband in der Glasfaser, teilweise weil Signale in diesem Bereich des Spektrums einen geringen Signalverlust durch die Glasfaser erfahren. „Der Faserverlust ist umso höher, je weiter man sich in beide Richtungen vom C-Band entfernt“, sagt Puttnam.
Beispielsweise führt das gleiche Phänomen, das den Himmel blau und Sonnenuntergänge rosa und rot färbt (Rayleigh-Streuung), dazu, dass Fasern in weiten Teilen des E-Bands für diese Bereiche des Infrarotspektrums weniger transparent sind. Und so wie eine neblige Nacht manchmal Nebelscheinwerfer erfordert, ist eine starke Signalverstärkung in den E-, S- und L-Bändern ein entscheidender Bestandteil des ESCL-Stacks.
„Die besten kommerziellen Systeme der Welt arbeiten mit 100 Terabit pro Sekunde. Es geht uns bereits etwa viermal besser. » —Ben Puttnam, NICT
Frühere Bemühungen, die Bandbreite optischer Fasern zu erhöhen, stützten sich oft auf sogenannte Doped Fiber Amplifiers (DFA), bei denen ein optisches Signal in einen Abschnitt einer modifizierten Faser gelangt, der mit einem Ion seltener Erden wie Erbium dotiert wurde. Wenn ein Pumplaser auf die Faser gerichtet wird, werden die Dotierungselemente in der Faser in höhere Energiezustände gebracht. Dadurch können Photonen des optischen Signals, die durch die Faser laufen, eine durch die Dotierungselemente stimulierte Emission auslösen. Das Ergebnis ist ein stärkeres (d. h. verstärktes) Signal, das aus dem DFA-Faserabschnitt austritt als in ihn eintritt.
Bismut ist der Dotierstoff der Wahl für E-Band-Signale. Aber selbst Bismut-DFAs sind immer noch die am wenigsten schlechte Option zur Verstärkung von E-Band-Signalen.Sie können manchmal ineffizient sein, mit höheren Rauschraten und begrenzteren Bandbreiten.
Puttnam erklärt, dass das Team einen mit Wismut und Germanium dotierten Leistungsverstärker entwickelt habe. Anschließend fügten sie dieser Mischung eine Art von Nokia entwickelter Filter hinzu, der die Leistung des Verstärkers optimiert und die Signalqualität verbessert.
„So kann man das Spektrum steuern, um Verstärkerschwankungen auszugleichen“, sagt Puttnam.
Letztlich, sagt er, könne der Verstärker seine Aufgabe trotzdem erfüllen, ohne das Originalsignal zu überlasten.
Steigende Datengeschwindigkeiten auf der ganzen Welt
Puttnam weist darauf hin, dass das Forschungsteam kein Signal über eine kommerzielle Glasfaserleitung gesendet hat, die selbst 402 Billionen Bits pro Sekunde an Daten enthielt. Stattdessen testete das Team jeden Bereich des Spektrums und alle verschiedenen Verstärker und Filter der Leitung, die als Teil des gesamten ESCL-Pakets implementiert werden mussten, separat.
Was aber am wichtigsten ist, sagt er, ist der inhärente Nutzen der Technologie für vorhandene Glasfasern in kommerzieller Qualität.
„Das Hinzufügen zusätzlicher Wellenlängenbänder ist etwas, was man tun kann, ohne Fasern ausgraben zu müssen“, sagt Puttnam. „Idealerweise könnte man einfach die Enden, den Transceiver, den Sender und den Empfänger austauschen. Oder vielleicht möchten Sie mittendrin die Verstärker wechseln. Und das ist das Beste, was Sie tun können. [need to] MACHEN.”
„Glasfasernetze müssen intelligent, aber auch sicher und belastbar sein. » —Polina Bayvel, University College London
Laut Polina Bayvel, Professorin für optische Kommunikation und Netzwerke am University College London, stellen dieselben Transceiver, auf die sich Puttnam bezieht, eine nächste Herausforderung für diesen Bereich dar.
„Transceiver müssen intelligent sein, ähnlich wie selbstfahrende Autos, in der Lage sein, ihre Umgebung zu erkennen und sich an sie anzupassen und Kapazität bereitzustellen, wann und wo sie benötigt wird“, sagt Bayvel, der zuvor mit Mitgliedern des Teams zusammengearbeitet hat, aber nicht mit dem Team verbunden war aktuelle Forschung.
Zu diesem Zweck können Techniken der KI und des maschinellen Lernens (ML) dazu beitragen, dass die Bemühungen der nächsten Generation noch mehr Bits über Glasfaserleitungen quetschen, sagt sie.
„KI/ML-Techniken können dabei helfen, Verzerrungen zu erkennen und zu korrigieren und sollten in Kombination mit Hochleistungsfähigkeiten entwickelt werden“, fügt Bayvel hinzu. „Wir müssen verstehen, dass Glasfasersysteme und -netzwerke nicht nur Pipelines mit hoher Kapazität sind. Glasfasernetze müssen intelligent, aber auch sicher und belastbar sein. »
Die Forscher erläuterten ihre Ergebnisse Anfang des Jahres auf der Fiber Optic Communication Conference 2024 in San Diego.
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