Kredit:CC0 Public Domain
Dagens samhälle genererar allt mer internetdatatrafik för applikationer som ultrahögupplöst video, molntjänster och 5G-mobilanslutningar. Denna decennier långa ständiga exponentiella tillväxten av datatrafik har underbyggts av optiska fibrer. Sjoerd van der Heide utforskade hur den rumsliga dimensionen i optiska och digitala överföringstekniker kan användas i framtida optiska överföringslänkar med ultrahög kapacitet.
Optiska fibrer möjliggör lågförlustöverföring av extremt höga bandbredder över långa avstånd. Därför tillhandahåller optiska fibrer numera nästan all datauppkoppling, till exempel i trans-oceaniska kablar, inom och mellan datacenter, mellan 5G-cellmaster och i fiber till hemmet. Följaktligen krävs nya tekniker för att upprätthålla denna tillväxt under de kommande decennierna.
För att stödja trafiktillväxten kommer framtida optiska transmissionssystem att behöva överföra storleksordningar mer data och samtidigt möjliggöra övergången till energieffektiva gröna nät. Moderna trans-oceaniska fiberoptiska kablar kan överföra 10s Terabits per sekund per fiberpar. Dessa datahastigheter möjliggörs genom omfattande parallellisering genom multiplexering av fysiska dimensioner.
Spatial multiplexing
Nuvarande optiska system utnyttjar laserljusets amplitud, fas, våglängd och polarisering. Endast en fysisk dimension används ännu inte:rymden. Spatial multiplexing krävs för att stödja framtida Petabit per sekund per fiberoptiska överföringslänkar. Space-division multiplexing använder lägen av till exempel multi-mode optiska fibrer för att modulera data till, vilket ökar datahastigheterna med en storleksordning eller mer.
För att rymddivisionsmultiplexering ska kunna utnyttjas krävs avancerad digital signalbehandling (DSP). Ljus i flermodsfibrer upplever linjära och icke-linjära effekter och mottagaren ser en förvrängd kombination av de sända signalerna. Således krävs MIMO-filtrering (multiple-input multiple-output), liknande den som används i WiFi och 5G, för att reda ut lägesblandning i den optiska fiberöverföringskanalen.
I sin Ph.D. Avhandlingen utvecklade Van der Heide en avancerad digital signalbehandlingskedja inklusive MIMO som använder offline-bearbetning i Python för optiska överföringslänkar i både enkelläge och multiläge. Den digitala signalbehandlingskedjan användes i singelmods optiska överföringsexperiment med en återcirkulerande fiberslinga.
200 Gigabit per sekund per våglängdsöverföring uppnås över 11 700 km fiber med hjälp av avancerade fyrdimensionella moduleringsformat. Den digitala signalbehandlingskedjan användes också för experiment i flera lägen, som sänder 1 terabit per sekund per våglängd över 130 km utan in-line optiska förstärkare, med den nya Kramers-Kronig koherenta mottagaren.
Testad över 10 000 km
Dessutom designade och tillverkade Van der Heide en helfibermultiplexer för att koppla samman singelmodsfibrer med nya trekärniga kopplade kärnfibrer. Dessa multiplexorer användes sedan för att sända 172 terabit per sekund över 2040 km, vilket motsvarar ungefär 10 miljoner ultrahögupplösta videoströmmar.
Förutom avancerad digital signalbehandling kräver flermodsfiberenheter nya karaktäriseringsverktyg. En off-axis digital holografiuppsättning utvecklades av Van der Heide för att karakterisera optiska strålar med fritt utrymme. Med hjälp av en infraröd kamera och en referensstråle för att mäta amplituden och fasen för båda polarisationerna av en optisk stråle, användes en fullständig karaktärisering av ljusets fas och amplitud för att erhålla nyckelmått.
Slutligen implementerade han en optisk realtidsmottagare med avancerad digital signalbehandling på en kommersiell standard-GPU med CUDA. Mottagaren använder det nya Kramers-Kronig koherenta detektionsschemat för att ta emot signaler på upp till 5 Gigabit per sekund. Konceptet testas med hjälp av en 91 km lång fältförsökslänk i Tokyo, Japan och i en laboratorielänk över 10 000 km rak fiberlänk.
Fler än 50 publikationer
Tekniker som undersöktes under denna Ph.D. Projektet förväntas användas i framtida optiska överföringslänkar med ultrahög kapacitet. Forskningen utfördes vid High-Capacity Optical Transmission Laboratory vid Eindhovens tekniska universitet och kulminerade i mer än 50 publikationer, som fick två studentutmärkelser, ett pris för bästa papper och ett Nokia Bell Labs Innovation Project Award.
En del av forskningen genomfördes i samarbete med internationella partners under två forskarpraktikplatser vid Nokia Bell Labs i Holmdel, New Jersey, USA, och vid National Institute of Information and Communications Technology (NICT) i Tokyo, Japan.
Sjoerd van der Heide försvarar sin doktorsavhandling med titeln Space-division multiplexed optical transmission som möjliggörs av avancerad digital signalbehandling den 21 april. + Utforska vidare
