La domanda insaziabile di larghezza di banda è una caratteristica distintiva dell'era digitale moderna.Da 8K streaming video e cloud computing ai veicoli autonomi e Internet of Things (IoT), ogni aspetto della nostra vita collegata si basa sulla capacità di trasmettere vaste quantità di dati a velocità sempre crescenti.

Barriera fisica fondamentale per i tassi di dati ultra-alto

Il viaggio verso i tassi di dati ultra-alti inizia con la fisica della trasmissione della luce attraverso la fibra ottica. Mentre la fibra monomodale rimane il mezzo di trasmissione di scelta, impone tre vincoli critici che diventano sempre più gravi come i tassi di dati escalano: attenuazione, dispersione e effetti non lineari.

Rapporto di attenuazione e segnale a rumore

L'ottenimento, la perdita di potenza ottica come la luce viaggia attraverso la fibra, è gestito in reti moderne da amplificatori a fibra erbium-doped (EDFAs). Tuttavia, a velocità di dati ultra-alte, il rapporto di segnale ottico-to-noise richiesto (OSNR) al ricevitore aumenta notevolmente.

Dispersione: un problema multi-paciuto

La dispersione è stata a lungo un fattore limitante nella trasmissione ottica ad alta velocità. Esistono due forme principali: dispersione cromatica (CD) e dispersione della modalità di polarizzazione (PMD). dispersione cromatica, causata dall'indice di rifrazione a lunghezza d'onda della fibra, risulta in diversi componenti spettrali di un impulso che viaggia a velocità diverse, portando ad un'espansione dell'impulso e inter-simbolo (ISI).

Effetti non lineari: Il collo di bottiglia finale

La ricerca, che è estremamente insidiosa, è l'insorgenza di non-lineari fibre. Quando l'energia ottica è alta, spesso necessario per mantenere OSNR su lunghi collegamenti, l'effetto Kerr provoca l'indice di rifrazione della fibra a variare con l'intensità del segnale istantanea.

Limitazioni di livello

Oltre alla fibra stessa, i componenti ottici ed elettronici discreti che formano un ricetrasmettitore impongono restrizioni di velocità e larghezza di banda rigide.

Modulatori ad alta velocità

I modulatori a banda larga (LiNbO3) sono stati il cavallo di lavoro delle comunicazioni ottiche per decenni, ma la loro banda elettro-ottica è limitata a circa 40-60 GHz. Per i tassi a ultra-alto del simbolo che superano 130 GBd, le nuove tecnologie di modulazione sono essenziali.

Laser e sorgenti di Pettine

Per i supercanali multi-termico, i pettini di frequenza ottica forniscono più vettori bloccati a fase, ma generano uno spettro piatto con potenza sufficiente per linea è impegnativo.

Fotodetetectori e Elettronica analogica

I sistemi di rilevamento di velocità di trasmissione di dati sono spesso utilizzati per la conversione di sistemi di trasmissione di dati e di altri dispositivi di elaborazione.

Imballaggio e gestione termica

A terabit per secondo, anche i disallineamenti su micrometri possono causare una significativa perdita di inserimento. Inoltre, la potenza dissipata da driver ad alta velocità, chip DSP e circuiti di controllo laser genera calore sostanziale che deve essere efficacemente rimosso per mantenere la stabilità.

Superare la distanza-Rate Trade-off

Nei pratici dispiegamenti di rete, la distanza su cui i tassi di dati ultra-alti possono essere sostenuti è critica come la capacità raw. I cavi subsea, i collegamenti della metropolitana e il data center interconnesse hanno ciascuno vincoli unici, ma tutti affrontano un trade-off fondamentale: i tassi di simbolo più elevati e i formati di modulazione più avanzati riducono la perdita di collegamento tollerabile e la penalità OSNR.

Compensazione e rigenerazione

Per i collegamenti molto lunghi, come i cavi sottomarini che spaziano dalle distanze transoceaniche, l'amplificazione periodica è essenziale, ma deve essere abbinato alla gestione della dispersione e alla mappatura non lineare.

Detezione digitale e DSP

Per i tassi di dati ultra-alti, DSP deve evolversi per gestire quantità ancora più grandi di dati per corsia, mentre funziona a più alto rendimento in tempo reale.

Le direzioni e le tecnologie emergenti

Nonostante le formidabili sfide, la comunità di ricerca sulle comunicazioni ottiche continua a proporre e dimostrare soluzioni che spingono la busta. Diversi viali promettenti potrebbero consentire il prossimo salto a tassi di dati veramente ultra-alti:

  • Il niobate di litio di Thin-film (TFLN) fotonici[]: Questa piattaforma combina l'alto coefficiente elettro-ottico di niobate di litio con la compattezza e la fabbricazione compatibile CMOS di fotonici di silicio.
  • I fotonici di tipo silicio con integrazione eterogenea[]: Collegando materiali III-V come fosforo indio su guide d'onda di silicio, laser e amplificatori ad alte prestazioni possono essere co-integrati con modulatori di silicio, rilevatori e componenti passivi.
  • Innovazioni di fibra[: Le fibre multicore e a pochi modi, combinate con MIMO DSP, offrono un percorso di scalabilità aumentando il numero di percorsi spaziali. Le fibre cave-core antiresonanti hanno anche dimostrato la promessa per la latenza estremamente bassa e la non linearità ridotta, ma attualmente hanno una maggiore attenuazione rispetto alle fibre di silice standard.
  • Combeni di frequenza ottici[[]: Come fonte di vettori multipli con una precisa distanza di frequenza, i pettini possono sostituire le banche di singoli laser, semplificando i sistemi WDM e consentendo piani di canale densi.
  • DSP avanzato e AI[[]: L'implementazione in tempo reale di compensazione non lineare a 100+ GBd rimane una grail santa. I progressi nei processori specifici per il dominio (DPU) o l'elaborazione analogica del segnale potrebbero fornire il throughput necessario senza il consumo di energia proibitiva.

Ciascuna di queste tecnologie è dotata di un proprio set di trade-off di ingegneria. Ad esempio, aumentare il numero di modalità spaziali in una fibra richiede materiali sofisticati e demultiplexers, così come MIMO DSP ad alta velocità che scala quadraticamente con il numero di modi. Allo stesso modo, fibre di syn-core cavo, che possono guidare la luce in aria, ridurre il coefficiente non lineare da ordini di magnitudo, ma hanno una maggiore perdita e più maneggiano il sistema di forward.

Conclusioni

Il gioco tra attenuazione, dispersione e non linearità in fibra ottica impone un soffitto duro su capacità realizzabili per canale. I fattori di banda dei componenti devono essere spinti oltre 100 GHz, esigendo nuovi materiali di modulatore e rivelatore come niodi di scalata del litio del film sottile e driver di fotoriscaldamento UTCN.

Il progresso dimostrato negli esperimenti di laboratorio negli ultimi anni è incoraggiante. Lo sforzo multi-Tb/s su singoli canali è stato dimostrato utilizzando modulazione avanzata, combi di frequenza e tecnologie SDM. Il rilevamento coherent con potente DSP è diventato lo standard del settore, e la scalabilità incessante di elettronica CMhighOS promette continui ostacoli in velocità ADC e DAC. Il prossimo decennio probabilmente vedrà una transizione da componenti discreti a tassi fotonici altamente integrati.

Per ulteriori informazioni su questi argomenti, vedere ] Analisi di Lightwave di fibre non lineari, ] La cartaIEEE sulla compensazione digitale non lineare, e Natura Photonics recensione di modulatori di niobate di lito sottile[FLT] [[FLT]]]]