התנועה לאינטרנט העולמית ממשיכה לטפס האקספוננציאלית שלה, מונע על ידי הזרמת וידאו, מחשוב ענן, האינטרנט של הדברים (IoT), ואינטליגנציה מלאכותית.רשתות אופטיות סיבים, עמוד השדרה של התקשורת המודרנית, נמצאים תחת לחץ עצום לספק יכולות גבוהות יותר מתמיד.טכניקות כמו גלידת גליגל (WDM) ו- Polarization Divisionxing (PDM) כבר דחפו קרוב למגבלות היסוד שלהם כדי לפרוץ דרך המהנדסים האלה, ו-F-1, כמו מחסומים חדשים של מספר 1F) ו-F-1, כמו LTM (ממדיקפים) ו- 1DM) ו-F) ו- 1DM) ו-F-1, לעומת מספר גדול יותר, לעומת מספר גדול יותר, הוא מכפליים, ו-F) ו-F (מחדש, 000 של מספר גדול יותר, 000 של מספר גדול יותר, 000) ו-F) ו-F) ו-F) ו-DM) ו-F) ו-F) ו-F) ו-F) ו-F-1, הוא כבר נדחק כבר נדחק כבר נדחק כבר נדחק כבר נדחק כבר נדחק קרוב ל-F (מחדש של מספר גדול יותר ויותר, כמו LT 1 מכפל אור דרמטי יותר ויותר,

מה זה Mode Division Multiplexing?

שיטת מדידה מודאלית (SMF), המשתמשת במצבי מרחבי שונים הנתמכות על ידי סיבים אופטיים כערוצי נתונים עצמאיים.בסיבים חד-פעמיים סטנדרטיים (SMF), רק במצב הבסיסי (LP01) propagates.עם זאת, שעוצב במיוחד על ידי LT:0few-mode סיבים (FLT:1 או רב-MFs) יכולים לתמוך בעשרות או אפילו בשלב ייחודי של צינורות.

גישה זו שונה באופן יסודי מ-WDM. WDM מפרידה אותות על ידי אורכי גל ( ⁇ ) והוא כבר פרוס נרחב MDM מפריד אותות על ידי מבנה מרחבי.השתי טכניקות משלימים: הם יכולים להיות משולבים כדי להכפיל את היכולת קדימה. לדוגמה, באמצעות 10 ערוצי WDM ו 10 מצבי מרחבי מניבים 100 ערוצי נתונים עצמאיים על סיבים אחד.

הפיזיקה של מצבים בסיבים אופטיים

כדי להבין MDM, יש להבין תחילה מצבי גל מונחה.כאשר אור מוגבל בגליון דיאלקטרי דיאלקטרי (הסיבים), רק התפלגות שדה חשמלי מסוימת מספקת את תנאי הגבול.פתרונות דיסקרטיים אלה נקראים מודים.במצבים מנחים חלש (שם ההבדל בין ליבת וחיפוי הוא קטן), המצבים דומים כמו: 2, 000) כולל סדר עליון (Lyl) (Lylerteerd) 2, 2, 2, 000) מאופיין (L) הוא יותר (S) מאופיין ב-tortelteernernlernlerteertelerterte) הוא מספר (Verteerte) הוא יותר (Verteerte) הוא מספר גדול יותר (Vertelteerteerteerteerteerte) (Vern) עם סדר גבוה יותר (Verte) מאופיין ב-torte) מאופיין ב-to) הוא מספר גדול יותר (Kerteerteerteerteerteerteltelteerteertelte) הוא מספר (Verteerteltelteerteerteerteerteerte

ב סיבי מעטים טיפוסיים המיועדים לMDM, פרופיל אינדקס מחדש מתוכנן בקפידה מבטיח כי קבוצה נבחרת של מצבי (למשל, 6 או 10 מצבי LP) propagate עם עיכוב קבוצתי שונה לחלוטין (DGD) את הסיבים יש להתאים למזער את המעבר בין מצבי, אם כי חלק מהלח הוא בלתי נמנע וחייב להיות בלתי-נפרד על ידי עיבוד דיגיטלי (DSP).

כיצד MDM עובד: מ Transmitter to Getr

יישום MDM דורש רכיבים מיוחדים בשני הקצוות של הקישור.האדריכלות הבסיסית מראה מערכת אופטית סטנדרטית קוהרנטית אבל עם ערוצי מרחבי מרובים.

Transmitter: Making and Multiplexing Modes

בזרם הנתונים המקבילים, הם מוצבים על נושאים אופטיים נפרדים (או אותו אורך גל או אורכי גל שונים) אותות אלה משוגרים בסיבים כגון שכל אחד מהם מפיץ מצב מסוים.זה מושג באמצעות התפלגות:0mode MultiplexersFLT:1.

  • (FLT:0) lanterns פוטושופניים: FLT:1 A photonic lantern adiabatly tantern adiabatly t חבילה של סיבים חד-פעמיים (SMF) לתוך סיבי מעטים בלבד.כל אחד SMF מתאים למצב מסוים של FMF.
  • (FLT:0) אופטיקאים מרחביים עם מודולים אור מרחבי (SLMs) או לוחות שלב: FLT:1 Beams מעוצבים באמצעות הולוגרמות או אלמנטים שלב בינארי כדי לייצר את דפוסי המצב הרצוי, ולאחר מכן בשילוב עם מתפצלים או מראות. גישה זו מציעה גמישות בניסויים אבל היא גדולה יותר.
  • (FLT:0) שילוב של סיליקון מצב פוטוני מרוביםxers: ההרחבה 1 (On-chip) באמצעות זוגים סימטריים או Y-junctions יכול באופן סלקטיבי מצבי גל כמה ממות.זה אזור מפתח עבור miniaturization וכדאיות מסחרית.

כל ערוץ נתונים מקודד על מצב שהוקצה שלו. פורמטים מתקדמים כמו DP-16QAM (Dual Polarization 16-ary Quadrature Amplitude Modulation) משמשים בדרך כלל כדי למקסם את היעילות ספקטרלית.הסימנים עשויים גם להיות pre-distorted כדי לפצות על ליקויים במצב של סיבים.

המונחים: Propagation in Few-Modefi

סיבים מעטים עצמם חייבים להיות מעוצבים בקפידה. פרמטרים מרכזיים כוללים:

  • (FLT:0) מספר מצבי תמיכה:FLT:1Build-off בין יכולת למורכבות.יותר מצבים להגדיל את יכולת העצירה, אך גם להגדיל את הקרוסדור ודג'ד.
  • (FLT:0 (DGDigue): מצבים שונים לנסוע במהירויות מעט שונות בשל קבועות הקידום הייחודי שלהם.זה גורם פיזור בין-ממדי, אשר חייב להיות פיצוי אלקטרוני (כמו פיזור chromatic). סיבים עם DGD נמוך (למשל, באמצעות פרופילים של כיתה-inexed) לפשט את המקלט.
  • (FLT:0)Mode הפיכה: FLT:1 Imperfections in the סיבים (מיקרובונדים, ליבת חמקמקות, מתח) לגרום לאנרגיה להעביר בין מצבים. זה צולב על איכות אות.עם זאת, כל עוד הפיכה מוד אינה חמורה מדי, MIMO (Multiple Input Output) DSP לא יכול לעשות זאת, בדומה ל-MIMO בתקשורת אלחוטית.

מערכות MDM ארוכות טווח כוללות לעתים קרובות את ההגברה תקופתית באמצעות מספר סיבים erbium-doped סיבים מגבר (FM-EDFAs) אשר משמרת את התוכן המודולאלי. Raman amplification הוא גם נחקר.

המונחים: Demultiplexing and MIMO Digital Signal Processing

ב המקלט, האות חייב להיות מופרד בחזרה למצבים בודדים.זה יכול להיעשות עם אותו סוג של lannic lantern (שמשתמשים בו הפוך) או עם אופטיקה חופשית של חלל חופשי.עם זאת, בשל הפיכה מודאלית במהלך השידור, האותות המתקבלים מעורבים.

מקלט MDM טיפוסי משתמש בפלט:0 (Galderal WaveFLT) 1 עבור כל ערוץ מרחבי.האות החשמליות מכל הגלאים (כל אחד שמתאים לתפוקה מרחבית של הגלאיפלקסר) הם דיגיטציה מעובדים על ידי ערוץ MIMO שווה ערך.זה שווה פותר את ממטריקס ערבוב, למעשה מסובבים עם מספר הריבועים של NCM=N.

DSP מטפל גם ב-Coltization demultiplexing (מכיוון שלכל מצב יש שני קוטביזציה) ושיקום נושאות. ביעילות, קישור MDM מתנהג כמו מערכת אלחוטית MIMO אבל מעל ערוץ סיבים.

היתרונות של מצב דיפרזיה מרובותxing

היתרון העיקרי של MDM הוא עלייה מסיבית ביכולת סיבים לסטראנד. בניסויים מעבדה, MDM הראה יכולות מעל 1 Petabit לשנייה על סיבים בודדים. Beyond Rawקיבולת, MDM מציע כמה יתרונות מעשיים:

  • (FLT:0)Leverages קיימות תשתיות:FLT:1rea MDM ניתן לפרוס בקווי המתאר הקיימים הקיימים, ללא משיכת כבלי סיבים חדשים, כל עוד ה סיבים קיימים מוחלפים או סיבים חדשים של כמה ממות מותקנים מותקנים לאורך אותה הדרך.
  • (FLT:0) תאימות עם WDM: ההרחבה 1 (MDM) מכפילה את היכולת של WDM. מערכת עם 100 ערוצי WDM ו-10 מצבי תשואות 1000.זהו התפתחות טבעית עבור קישורים טרה-class.
  • (FLT:0)פונטני לצריכת חשמל מופחתת:FreaLT:1) על ידי העברת נתונים נוספים סיבים, MDM יכול להפחית את מספר הטרנזקצירים ומגברים ל bit, פוטנציאל להפחית אנרגיה לפחות בהשוואה לספא של סיבים חד-פעמיים נפרדים רבים.
  • (FLT:0Spectral יעילות מדרג: FLT:1 MDM מוסיף תואר חדש של חופש (מרחב) לממדים הקיימים של זמן, אורך גל, וקוטביזציה.זה חיוני להמשיך את הצמיחה של יכולת סיבים בחוק מור (ירידה) לתקשורת אופטית.
  • (FLT:0) lexibility בעיצוב רשת:FLT:1 MDM ניתן להשתמש עבור "סופר ערוצים על פני-על" (Spatial Superchannels) שבו מצבי מרובים משולבים כדי להעביר שיעורי נתונים גבוהים מאוד, פשט ניהול רשת.

אתגרים וההורדות

למרות הבטחתו, MDM ניצב בפני כמה אתגרים טכניים ומסחריים משמעותיים שמנעו פריסה נרחבת מאמצע שנות ה-20.

מצב קופלינג וקרוס

בכל סיבים אמיתיים, מודים אינם אוטוקונים מושלמים עקב פגמים.זה מוביל להפיכה אקראית בין מצבים, גרימת צחצוצרה. בעוד MIMO DSP יכול לפצות על הפיכה סטטית לאט לאט לאט לאט, דינמיות מהירה (למשל, מרטטים מכניים) דורש אלגוריתמים הסתגלות.עבור מערכות ארוכות-היפוך יכול לצבור, הדורשות מסננים גדולים של MIMO חייב להיות מצמצם מאוד, עם עלויות הפיכה גבוהות מאוד, למזעריות.

קבוצת ניו-די

גם בסיבים נמוכים-DGD, ההבדל העיכוב בין מצבים יכול להיות עשרות או מאות של פיקו השניות לקילומטר.עבור מרחקים ארוכים, פיזור בין-ממדי זה חייב להיות שווה, הדורש מסנני זיכרון ארוכים בDSP. זה מגביר את הגמישות וצריכת החשמל.

Amplification

הגדלת מצבים מרובים בו זמנית ללא גרימת צולב או רווח לא אחיד הוא קשה.מעט-מודל סיבים מוגדלים (FM-EDFAs) חייב להיות נועד לספק רווח אחיד על פני מצבים. Raman amplification יכול לשמש אבל דורש כוח משאבה גבוה שליטה זהירה.

שילוב ועלויות

מוד מספרקסרים / demultiplexers, FM-EDFAs, ו MIMO DSP ASICs עדיין לא ממוספרים המוני עלות נמוכה. הדור הנוכחי של רכיבים הוא ברמה מעבדה, לעתים קרובות באמצעות אופטיקה חופשית של חלל.עבור MDM לחדור רשתות מסחריות, מעגלים משולבים פוטוניקה (PICs) אשר מטפלות במגוון מצבים על שבב הם הכרחיים.

סטנדרט

אין סטנדרטים מאומצים נרחב עבור סוגים של סיבים מעטים, ממשקי המחבר, או מפרטים transceiver. מפעילי רשת הם Hesitant לפרוס טכנולוגיות קנייניות. Standardization מאמצי ITU-T ו- IEC הם מתמשכים אך איטי.

מחקר וניסויים ב-Mistones

מאז תחילת 2010, MDM היה נושא חם במחקר תקשורת אופטית. אבני דרך מפתח כוללים:

  • (FLT:02011: FigFLT:1) הדגמה ראשונה של MDM עם 6 מצבים מעל 40 ק"מ באמצעות MIMO DSP.
  • (FLT:02015:03: LILT:1 ; Nkia) השיג 1 Pb /s על סיבים רב-core 12-core בשילוב עם MDM (באמצעות 2 מצבי ליבה).
  • חוקרים ביפן הוכיחו 10 מ"מ מעל 1000 ק"מ עם FM-EDFAs מתקדם.
  • (FLT:0)2021:03FLT:1 קיבולת שיא של 1.01 Pb/s מעל סיבים 10 מומדה אחד באמצעות 100 ערוצי WDM (10 מצבי × 100 λ × DP-16QAM).
  • צוות משותף (University of Tokyo, NTT) השיג 10.66 Pb/s על סיבי 15 מ"ד מעל 13 ק"מ באמצעות 100 ננומטר רוחב פס.
  • (FLT:0 ;2024:03:03: ⁇ 1) ממסמכים התמקדו בסיבים דלים-DGD עם 6 מצבים עבור חיבורי מרכז נתונים, במטרה ליישומים קצרים יותר, זולים יותר.

יש גם מחקר פעיל לשימוש באפליקציות MDM עבור קיצור של רשתות מרכז נתונים, שבו המורכבות של MIMO DSP ניתן להפחית כי המרחקים קצרים (100m-10 ק"מ) וסיבים יכולים להיות פשוטים יותר.

תחזית: איפה MDM יוחזר?

קיצור של Short-Term (1-3 שנים): מרכזי נתונים ורשתות מטרופוליטן

האימוץ המוקדם ביותר של MDM יהיה באיכות גבוהה מרכז נתונים חיבורים (DCIs) קישורים אלה הם בדרך כלל קצרים (pw ק"מ) ודורש רוחב פס מסיבי.האתגרים של DGD ו-Modering הם פחות חמורים על פני מרחקים קצרים. Simpler MIMO תוכניות (למשל, 2×2 MIMO עבור שני מצבי אינטרנט כמו LP ו-11a) ניתן להשתמש בהם שימוש בתוכנות מרובות עבור משתמשי DCRIR.

בינוני-טווח (3-7 שנים): רשתות טרסטרימליות ארוכות-הול

כמו FM-EDFAs בוגר ו MIMO DSP הופך יעיל יותר, ארוך-הול פריסה הופכת להיות אפשרית. כבלים submarine, שהם מאוד הון-intensive ויש להם מחזורי שדרוג ארוכים (20+ שנים), יכול להפיק תועלת מ MDM כדי למנוע הנחת כבלים חדשים. קהילות המחקר היפני והאירופיות דוחפות עבור מספר סיבים סטנדרטיים של צוללות.

זמן ארוך (7+ שנים): שילוב עם ממדים אחרים

היכולת הסופית של סיבים תושג על ידי שילוב כל דרגות החופש הזמינות: אורך הגל (WDM), קיטוב (PDM), מצבי מרחבי (MDM), ו ליבות מרובות (MCF) זה נקרא לעתים קרובות:0 מלא החטיבה ספאטיבית מרובותxingFLT:1 חוקרים כבר הוכיחו מערכות SDM היברידיות עם 7-core ו 3 מצבי ליבה, נייתן 21 ערוצים עתידיים, 000 יכול לדחוף את יכולת הליבה של 50+.

תקשורת קוונטית ו Sensing

MDM אינו רק לתקשורת קלאסית.מצבי ספאטי יכולים לשאת מידע קוונטי, המאפשר הפצה קוונטית גבוהה ממדים קוונטית (QKD) בנוסף, MDM יכול לשפר את הסיבים מבוזרים על ידי מתן ערוצי מרובות אוטגוניים עבור זנים רגישים, טמפרטורה, רטט.

מסקנה

מחלקת מוד מספרקסינג עומדת על גבול מחקר תקשורת אופטית, המציעה דרך להכפיל את היכולת של תשתיות סיבים קיימות מבלי להניח כבלים חדשים.על ידי רתום את מצבי המרחב של כמה סיבים מתודים, MDM מוסיף מימד חדש לתמסורת נתונים התואמת ל- WDM וטכניקות מרובותxing אחרות, בעוד שמכשולים טכניים משמעותיים נשארים - בעיקר הפיכה, עלייה, ועלות - התקדמות קבועה של מחזור של פעילות גופנית, כמו ניתוח מתקדם, לא צפוי, כלומר, כמו ניתוח רדיו-מי, לא מציע, כמו בדיקות מעבדה אמיתית, כלומר, כלומר, כלומר, כמו בדיקות מעבדה מתקדמת, עיצוב מתקדם של טכנולוגיות מתקדמות, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, לא מתאים יותר ויותר.