1,84 Pb/s, doppelt so viel wie die gesamte globale Internetbandbreite: Ein einzelner Laser erreicht den schnellsten Datenübertragungsrekord

Manchmal wird die Effizienz des Netzwerks als „nicht so gut wie der Transport von Festplatten per LKW“ beschrieben: Amazon AWS verfügt über einen Dienst namens Snowmobile, der tatsächlich Container-LKWs verwendet und 100 Pb auf einmal übertragen kann . Das von diesem großen USB-Stick übertragene Datenvolumen ist riesig, zeigt uns aber auch aus einem anderen Blickwinkel, dass es einen großen Engpass bei der Datenübertragung im Netzwerk gibt.

Kürzlich erzielte ein Forschungsteam der Technischen Universität Dänemark (DTU) und der Chalmers University of Technology in Göteborg, Schweden, die bisher höchsten Ergebnisse bei der Datenübertragungseffizienz und ist die weltweit erste Forschung, die mit nur einem einzigen Laser und einem einzigen optischen Chip eine Übertragung von mehr als 1 Petabit pro Sekunde (Pbit/s) erreicht. Im Experiment erreichten die Forscher mit nur einer Lichtquelle eine Übertragungsrate von 1,8 Pbit/s in einer Entfernung von 7,9 Kilometern – 1 Petabit entspricht 125.000 Gigabyte Einigen Schätzungen zufolge beträgt die durchschnittliche weltweit genutzte Internetbandbreite etwa 1 Pbit/s und ist damit fast doppelt so schnell wie die globale Bandbreite.

Es ist schwer zu beschreiben, wie schnell 1,84 Pbit/s ist – Heim-Internetverbindungen betragen normalerweise ein paar hundert Megabit pro Sekunde, und wenn Sie Glück haben, 1 Gigabit A Bit sind sogar 10 Gigabit, aber ein Petabit ist eine Million Gigabit. Diese Datenübertragungsgeschwindigkeit übertrifft den bisherigen Rekord von 1,02 Pbit/s vom Mai dieses Jahres bei weitem.

Die Lichtquelle wird von einem speziell entwickelten optischen Chip emittiert, der das Licht eines einzelnen Infrarotlasers verwenden kann, um mehrere Farben des Regenbogenspektrums, also mehrere, auszugeben Frequenzen. Daher kann eine Frequenz (Farbe) eines einzelnen Lasers in einem einzigen Chip in Hunderte von Frequenzen (Farben) multipliziert werden. Alle Farben sind in einem bestimmten Frequenzabstand fixiert und jede Farbe ist voneinander isoliert – wie die Zähne eines Kamms – daher spricht man von einem Frequenzkamm. Schließlich werden alle Frequenzen über Glasfaser übertragen und so Daten übertragen.

Tausende durch einen einzigen Laser ersetzen

Die experimentelle Demonstration zeigte, dass ein einzelner Chip problemlos eine Geschwindigkeit von 1,8 Pbit/s erreichen kann Um dieses Niveau zu erreichen, wären bei fortgeschrittener kommerzieller Ausrüstung Tausende von Lasern erforderlich. Victor Torres, Professor an der Chalmers University of Technology, ist der Leiter des Forschungsteams, das den Chip entwickelt und hergestellt hat. Das Besondere an diesem Chip ist, sagt Victor Torres, dass er einen Frequenzkamm mit den idealen Eigenschaften für die Glasfaserkommunikation erzeugt – sehr hohe optische Leistung und breite Bandbreitenabdeckung im Spektralbereich, der für die fortgeschrittene optische Kommunikation von Interesse ist. Modellierung von Kommunikationssystemen.

Interessanterweise ist der Chip nicht für diese spezielle Anwendung optimiert. „Tatsächlich werden einige charakteristische Parameter eher durch Zufall als durch Design erreicht“, sagte Victor Torres. „Dank der Bemühungen des Teams sind wir nun jedoch in der Lage, es zurückzuentwickeln und eine hoch reproduzierbare Mikrokämmung für gezielte Anwendungen im Telekommunikationsbereich zu erreichen. Die Forscher haben ein Rechenmodell erstellt, das das zugrunde liegende Potenzial für die Datenübertragung mithilfe desselben theoretisch untersucht.“ einzelner Chip, der im Experiment verwendet wurde. Die Berechnungsergebnisse zeigen, dass die Skalierungslösung großes Potenzial hat.

Professor Leif Katsuo Oxenløwe, Leiter des Silicon Photonics Center of Excellence for Optical Communications (SPOC) der DTU, sagte: „Unsere Berechnungen zeigen, dass die Fertigung über die Chalmers University of Technology erfolgt Mit einem einzigen Chip und einem Laser sind Übertragungsgeschwindigkeiten von bis zu 100 Pbit/s möglich. Der Grund dafür ist, dass unsere Lösung skalierbar ist, sowohl hinsichtlich der Erzeugung mehrerer Frequenzen als auch hinsichtlich der Aufteilung des Frequenzkamms in viele räumliche Wir kopieren sie und verarbeiten sie dann optisch, um sie als parallele Quellen zur Datenübertragung zu verwenden. Wir nutzen sie jedoch für eine spektral effiziente Datenübertragung 🎜#

Der Vorgang, einem elektronischen oder optischen Trägersignal Informationen hinzuzufügen und die Daten in Funkwellen umzuwandeln, wird als „Modulation“ bezeichnet. Dabei werden die Welleneigenschaften des Lichts ausgenutzt, wie zum Beispiel:

• Amplitude (die Höhe/Stärke der Welle);
• Phase (der „Rhythmus“ der Welle, der dazu führen kann, dass die Welle früher oder später als erwartet eintrifft);
• Polarisation (die Richtung). der Ausbreitung der Welle).

Durch Ändern dieser Eigenschaften können Sie Signale erstellen. Diese Signale können in 1 oder 0 umgewandelt und somit als Datensignale genutzt werden.

In der Studie wurde der Datenstrom in 37 Leitungen aufgeteilt, die jeweils über einen anderen optischen Faden im Kabel gesendet wurden. Jede der 37 Datenleitungen ist in 223 Datenblöcke unterteilt, die verschiedenen Regionen im „Datenkamm“-Spektrum entsprechen. Mit anderen Worten: Die Wissenschaftler schufen ein „massiv paralleles räumliches und wellenlängenmultiplexiertes Datenübertragungssystem“. Diese mehrfache Aufteilung erhöht den potenziellen Datendurchsatz, der von Glasfaserkabeln unterstützt wird, erheblich.

Das Testen und Validieren einer Bandbreite von 1,84 Pb/s ist keine leichte Aufgabe – noch kann kein Computer so viele Daten sofort verarbeiten, und eine Speicherung ist unwahrscheinlich. Das Forschungsteam verwendete Dummy-Daten auf einzelnen Kanälen, um die volle Bandbreitenkapazität zu überprüfen, und jeder Kanal wurde einzeln getestet, um sicherzustellen, dass die empfangenen Daten mit den gesendeten Daten übereinstimmten.

Der photonische Chip kann einen einzelnen Laser in viele Frequenzen aufteilen, und es ist eine gewisse Verarbeitung erforderlich, um die optischen Daten in jedem der 37 optischen Datenströme zu kodieren. Den Forschern zufolge könnte ein kompaktes, voll funktionsfähiges Lichtverarbeitungsgerät in der Größe einer Streichholzschachtel gebaut werden. Dies entspricht in seiner Größe den monochromatischen Laserübertragungsgeräten, die derzeit in der Telekommunikationsbranche verwendet werden.

Erreichte Datenübertragungsrate (rotes Dreieck) im Vergleich zum theoretischen Durchsatz (blauer Punkt).

Reduzieren Sie den Internet-Energieverbrauch

Durch diese Technologie können wir die gleiche optische Kabelinfrastruktur wie jetzt verwenden und nur die gleiche Menge an Photonenchip-Geräten verwenden, um den ursprünglichen optischen Daten-Encoder/Decoder zu ersetzen, was erwartet wird Die effektive Datenbandbreite erhöht sich um das 8251-fache.

Neben extrem hohen Geschwindigkeiten könnten neue Forschungsergebnisse dazu beitragen, den Energieverbrauch des Internets zu senken.

„Unsere Lösung hat das Potenzial, Hunderttausende optische Geräte in Internetzentren und Rechenzentren zu ersetzen, die alle große Mengen Strom verbrauchen und Wärme erzeugen. Wir haben die Möglichkeit, zur Reduzierung des CO2-Ausstoßes der Internetbranche beizutragen.“ Fußabdruck", sagte Leif Katsuo Oxenløwe, einer der Autoren des Papiers.

Obwohl die Forscher in ihrer Demonstration den Petabyte-Meilenstein für eine einzelne Laserquelle und einen einzelnen Chip durchbrochen haben, muss noch einiges an Entwicklungsarbeit geleistet werden, bevor die Lösung in unsere aktuellen Kommunikationssysteme implementiert werden kann.

„Derzeit arbeitet die Welt hart daran, Laserquellen in optische Chips zu integrieren. Je mehr Komponenten wir in den Chip integrieren können, desto höher ist die Effizienz des gesamten Senders. Der Sender umfasst Laser, Kammfrequenz-Ausgangschip, Daten.“ „Es wird ein äußerst effizienter optischer Sender für Datensignale sein“, sagte Leif Katsuo Oxenløwe.

Diese Forschung wurde in der neuesten Ausgabe von Nature Optics veröffentlicht.

Papierlink: https://www.nature.com/articles/s41566-022-01082-z

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