Исследователи из Японии и Австралии разработали новое многожильное оптическое волокно, способное передавать рекордные 1,7 петабита в секунду, сохраняя при этом совместимость с существующей оптоволоконной инфраструктурой.

Команда из японского Национального института информационных и коммуникационных технологий (NICT), Sumitomo Electric Industries и Университета Маккуори в Сиднее и Австралии добилась успеха, используя волокно с 19 ядрами. Это самое большое количество жил, упакованных в кабель со стандартным диаметром оболочки 0,125 микрометра.

«Мы считаем, что 19 жил — это максимальное практическое количество жил или пространственных каналов, которое можно иметь в стандартном волокне с диаметром оболочки и при этом сохранить хорошее качество передачи», — говорит Георг Радемахер, который ранее возглавлял проект в NICT, но недавно вернулся в Германию, чтобы занять должность директора по оптическим коммуникациям в Штутгартском университете.

Для растущего трафика нужны многожильные волокна

Большинство оптоволоконных кабелей, которые используют сегодня для передачи данных на большие расстояния, — это одножильные одномодовые стекловолокна (SMF). Но SMF приближается к своему практическому пределу, потому что сетевой трафик быстро растет из-за приложений искусственного интеллекта, облачных вычислений и IoT. 

Поэтому многие исследователи проявляют интерес к многожильному волокну в сочетании с мультиплексированием с разделением пространства (SDM) — техникой передачи данных, которая позволяет использовать несколько пространственных каналов в кабеле.

«Пропускная способность нового волокна со случайными связями не так уж примечательна. Замечательно то, что в нем используется стандартная оболочка», — отметил Говинд Агравал, Университет Рочестера.

Существует два распространенных типа многожильных волокон (MCF). В слабосвязанном MCF жилы точно отделены друг от друга для подавления перекрестных помех. Но это обычно ограничивает количество жил, которые помещаются в кабель.

Девятнадцать жил — это оптимальный вариант

Компания Sumitomo Electric разработала и изготовила случайно соединенные MCFs, в которых сердечники намеренно расположены случайным образом. Благодаря отсутствию необходимости в точном расстоянии между жилами их можно укладывать ближе друг к другу. Это увеличивает пространственную плотность кабеля и количество используемых жил. Случайное расположение также расширяет взаимодействие между жилами, позволяя свету от одной жилы соединяться со светом от других, расположенных рядом.

Как объясняет Радемахер, сигнал, передаваемый в любую из жил MCF Sumitomo Electric, одновременно использует все 19 жил, поэтому волокно достигает большей пропускной способности за счет использования более высокой плотности пространственных каналов. Цифровая обработка сигнала с множественным входом и множественным выходом (MIMO) затем используется для разделения и демодуляции отдельных сигналов на приемной стороне.

«Девятнадцать жил — это оптимальный вариант, потому что все каналы ведут себя одинаково, чему способствует случайная связь, которая помогает усреднить колебания свойств волокна. По сравнению со слабосвязанными MCF, которые требуют индивидуальной обработки сигнала для каждого ядра, здесь требуется лишь минимальная цифровая обработка, что значительно снижает энергопотребление», — говорит Радемахер.

Количество жил можно увеличить, но тогда диаметр будет нестандартный

Независимые отраслевые обозреватели отмечают, что другие исследователи разработали нестандартное волокно с целыми 32 жилами и реализовали 1 петабит в секунду на расстоянии 200 километров.

Говинд Агравал, эксперт по оптике из Рочестерского университета в Нью-Йорке, отмечает, что слабосвязанные сердечники, поддерживающие несколько мод, достигли пропускной способности более 10 Пб/с. Опять же, для этого использовалось волокно с нестандартным диаметром оболочки, а расстояние было ограничено 11,3 км. «Этот подход также требует интенсивной автономной цифровой обработки сигнала», — добавляет он.

Использование нестандартного волокна потребует перестройки существующей инфраструктуры оптического волокна. С другой стороны, MFC со стандартной оболочкой остается совместимым с широко используемыми оптическими компонентами, оборудованием и системами и может использовать преимущества существующих методов массового производства кабелей.

«Мы считаем, что 19 жил — это максимальное практическое количество жил или пространственных каналов, которое можно иметь в волокне со стандартным диаметром оболочки и при этом сохранить хорошее качество передачи», — говорит Георг Радемахер, Университет Штутгарта.

Поставлен рекорд как по емкости данных, так и по расстоянию передачи

«Наряду с новым кабелем еще одним важным элементом установки являются оптические чипы, которые направляют свет на отдельные жилы МФЦ и собирают сигналы с жил на приемной стороне. Большинство современных оптических чипов изготавливают методами, аналогичными стандартной обработке интегральных схем на пластинах. Но это ограничивает схемы двумерной планарной структурой, которая не подходит для геометрии новых MCF», — говорит Симон Гросс, исследователь из Исследовательского центра фотоники Университета Маккуори.

Для сопряжения MCF со стандартным оборудованием SMF, которое используют в настоящее время, включая приемник передачи для сбора данных испытаний NICT, Гросс и его коллеги разработали компактный стеклянный чип с лазерной гравировкой, который включает в себя трехмерный волновод, соответствующий геометрии отдельных сердечников MCF.

«Мы используем лазер, чтобы вытравить волноводный рисунок в блоке стекла размером с ноготь. Волноводы позволяют одновременно подавать сигналы в 19 отдельных жил волокна с равномерно низкими потерями», — объясняет Гросс.

Процесс травления можно автоматизировать, и он быстрый. Нанесение надписей на волноводы для 19-ядерного MCF занимает менее 30 секунд одним нажатием кнопки, хотя на обработку и упаковку потребуется гораздо больше времени.

Чтобы продемонстрировать эффективность передачи нового MCF, компания NICT построила оптическую систему передачи в своей штаб-квартире в Коганей, Токио. Используя диапазоны C- и L-волн, а также методы кодирования сигналов, такие как поляризационно-мультиплексированные 64-квадратурно-амплитудно-модулированные (QAM) сигналы, исследователи достигли скорости передачи 1,7 Пбит/с на расстояние 63,5 км.

Это стало рекордом как по емкости данных, так и по расстоянию при использовании стандартного плакированного волокна. Чтобы разделить сигналы на приемной стороне, цифровая обработка сигналов MIMO была выполнена в автономном режиме. Результаты были представлены на 46-й конференции по оптоволоконным коммуникациям в Сан-Диего в марте 2023 года.

Экономическая проблема, с которой сталкиваются исследователи

По словам Радемахера, самая большая проблема, с которой все еще сталкиваются исследователи, скорее экономическая, чем технологическая. Потому что для коммерциализации технологии необходимо, чтобы компания инвестировала в несколько ключевых компонентов. В качестве примера он приводит специальный чип для цифровой обработки сигнала, которая в настоящее время осуществляется в автономном режиме, и необходимость в подходящих усилителях для усиления сигнала на больших расстояниях.

Агравал соглашается со своим коллегой: «Даже для короткого расстояния в 63,5 километра нынешняя цифровая обработка сигнала занимает слишком много времени, чтобы быть практичной. Но при дальнейшем развитии такие волокна, вероятно, найдут применение в телекоммуникационных системах».