Avanceret digital signalbehandling til optisk transmission med ultrahøj kapacitet

Nutidens samfund genererer stadig mere internetdatatrafik til applikationer som ultra-high-definition video, cloud-tjenester og 5G-mobilforbindelser. Denne årtier lange kontinuerlige eksponentielle vækst i datatrafik er blevet understøttet af optiske fibre. Sjoerd van der Heide udforskede, hvordan den rumlige dimension i optiske og digitale transmissionsteknikker kan bruges i fremtidige optiske transmissionsforbindelser med ultrahøj kapacitet.

Optiske fibre giver mulighed for lav-tab transmission af ekstremt høje båndbredder over lange afstande. Derfor leverer optiske fibre i dag næsten al dataforbindelse, for eksempel i trans-oceaniske kabler, i og mellem datacentre, mellem 5G-celletårne ​​og i fiber til hjemmet. Derfor er der behov for nye teknikker til at opretholde denne vækst i de kommende årtier.

For at understøtte trafikvæksten vil fremtidige optiske transmissionssystemer skulle transmittere størrelsesordener flere data og samtidig muliggøre overgangen til energieffektive grønne netværk. Moderne trans-oceaniske fiberoptiske kabler kan transmittere 10s Terabits per sekund per fiberpar. Disse datahastigheder aktiveres af omfattende parallelisering gennem multipleksing af fysiske dimensioner.

Spatial multipleksing

Nuværende optiske systemer udnytter laserlysets amplitude, fase, bølgelængde og polarisering. Kun én fysisk dimension er ikke brugt endnu:rummet. Spatial multipleksing er påkrævet for at understøtte fremtidige Petabit per sekund pr. fiberoptiske transmissionsforbindelser. Space-division multiplexing bruger tilstande af for eksempel multi-mode optiske fibre til at modulere data på, hvilket øger datahastigheder med en størrelsesorden eller mere.

For at udnytte rumdelingsmultipleksing kræves avanceret digital signalbehandling (DSP). Lys i multi-mode fibre oplever lineære og ikke-lineære effekter, og modtageren ser en krypteret kombination af de transmitterede signaler. Således kræves MIMO-filtrering (multiple-input multiple-output), svarende til den, der bruges i WiFi og 5G, for at optrevle tilstandsblanding i den optiske fibertransmissionskanal.

I sin ph.d. afhandling udviklede Van der Heide en avanceret digital signalbehandlingskæde, herunder MIMO, der bruger offline-behandling i Python til både single-mode og multi-mode optiske transmissionslinks. Den digitale signalbehandlingskæde blev brugt i single-mode optiske transmissionseksperimenter ved brug af en recirkulerende fibersløjfe.

200 Gigabit pr. sekund pr. bølgelængdetransmission opnås over 11.700 km fiber ved hjælp af avancerede firedimensionelle moduleringsformater. Den digitale signalbehandlingskæde blev også brugt til multi-mode eksperimenter, der transmitterede 1 terabit pr. sekund pr. bølgelængde over 130 km uden in-line optiske forstærkere ved hjælp af den nye Kramers-Kronig kohærente modtager.

Testet over 10.000 km

Derudover designet og fremstillede Van der Heide en all-fiber multiplexer til at forbinde single-mode fibre med nye tre-core koblede kerne fibre. Disse multipleksere blev derefter brugt til at transmittere 172 terabit pr. sekund over 2040 km, hvilket svarer til cirka 10 millioner ultra-high-definition videostreams.

Ud over avanceret digital signalbehandling kræver multi-mode fiberenheder nye karakteriseringsværktøjer. En off-akse digital holografi-opsætning blev udviklet af Van der Heide for at karakterisere optiske stråler med frirum. Ved at bruge et infrarødt kamera og en referencestråle til at måle amplituden og fasen af ​​begge polariseringer af en optisk stråle, blev en fuld karakterisering af lysets fase og amplitude brugt til at opnå nøglemålinger.

Til sidst implementerede han en optisk realtidsmodtager med avanceret digital signalbehandling på en kommerciel off-the-shelf GPU ved hjælp af CUDA. Modtageren bruger det nye Kramers-Kronig kohærente detektionsskema til at modtage signaler på op til 5 Gigabit pr. sekund. Konceptet er testet ved hjælp af en 91 km lang feltforsøgsforbindelse i Tokyo, Japan og i en laboratorieforbindelse over 10.000 km lineær transmissionsfiberforbindelse.

Mere end 50 publikationer

Teknikker undersøgt i løbet af denne ph.d. Projektet forventes at blive brugt i fremtidige optiske transmissionsforbindelser med ultrahøj kapacitet. Forskningen blev udført på High-Capacity Optical Transmission Laboratory ved Eindhoven University of Technology og kulminerede i mere end 50 publikationer, der modtog to studerende papirpriser, en pris for bedste papir og en Nokia Bell Labs Innovation Project Award.

En del af forskningen blev udført i samarbejde med internationale partnere under to forskningspraktikophold hos Nokia Bell Labs i Holmdel, New Jersey, USA, og ved National Institute of Information and Communications Technology (NICT) i Tokyo, Japan.

Sjoerd van der Heide forsvarer sin ph.d.-afhandling med titlen Space-division multiplexed optical transmission enabled by advanced digital signal processing den 21. april. + Udforsk yderligere

Verdens første transmission på 1 Petabit/s ved hjælp af en single-core multimode optisk fiber