1,84 Pb/s, soit deux fois la bande passante Internet mondiale totale : un seul laser atteint le record de transmission de données le plus rapide

Parfois, les gens décrivent l'efficacité du réseau comme « moins bonne que le transport de disques durs par camion » : Amazon AWS dispose d'un service appelé motoneige, qui utilise en fait des camions porte-conteneurs et peut transférer 100 Pb à la fois. Le volume de données transmises par cette grande clé USB est énorme, mais il nous indique également sous un autre aspect qu'il existe un gros goulot d'étranglement dans la transmission des données sur le réseau.

Récemment, Une équipe de recherche de l'Université technique du Danemark (DTU) et de l'Université de technologie Chalmers à Göteborg, en Suède, a atteint la plus haute efficacité de transmission de données à ce jour et est la première au monde à utiliser uniquement un un seul laser et une seule Recherche sur des puces optiques pouvant transmettre plus de 1 pétabit par seconde (Pbit/s).

Dans l'expérience, les chercheurs ont atteint un taux de transmission de 1,8 Pbit/s sur une distance de 7,9 kilomètres en utilisant une seule source de lumière - 1 pétabit équivaut à 125 000 gigaoctets, et selon certaines estimations, la bande passante Internet moyenne utilisée dans le monde est d'environ 1 Pbit/s, soit près de deux fois la bande passante mondiale.

Il est difficile de décrire la vitesse de 1,84 Pbit/s – les connexions Internet domestiques sont généralement de quelques centaines de mégabits par seconde, et si vous avez de la chance, 1 gigabit ou même 10 gigabits, mais 1 pétabit équivaut à des millions de gigabits. . Cette vitesse de transfert de données dépasse de loin le précédent record de 1,02 Pbit/s établi en mai de cette année.

La source de lumière est émise par une puce optique conçue sur mesure, qui peut utiliser la lumière d'un seul laser infrarouge pour produire plusieurs couleurs du spectre arc-en-ciel, c'est-à-dire plusieurs fréquences. Par conséquent, une fréquence (couleur) provenant d’un seul laser peut être multipliée en centaines de fréquences (couleurs) dans une seule puce. Toutes les couleurs sont fixées à une distance de fréquence spécifique, et chaque couleur est isolée les unes des autres - comme les dents d'un peigne - c'est ce qu'on appelle un peigne de fréquence. Enfin, toutes les fréquences sont envoyées via des fibres optiques, transmettant ainsi les données.

Remplacement de milliers de

par un seul laser Une démonstration expérimentale montre qu'une seule puce peut facilement supporter une vitesse de 1,8 Pbit/s. Selon l'équipement commercial de pointe précédent, des milliers de lasers étaient nécessaires. pour atteindre un tel niveau.

Le professeur Victor Torres de l'Université de technologie Chalmers est le chef de l'équipe de recherche qui a développé et fabriqué la puce. Selon Victor Torres, la particularité de cette puce est qu'elle génère un peigne de fréquences doté des propriétés idéales pour les communications par fibre optique : une puissance optique très élevée et une large bande passante couvrant la région spectrale d'intérêt pour les communications optiques avancées.

Modélisation du système de communication.

Fait intéressant, la puce n'est pas optimisée pour cette application spécifique. "En fait, certains paramètres caractéristiques sont obtenus par coïncidence plutôt que par conception", a déclaré Victor Torres. "Cependant, grâce aux efforts de l'équipe, nous avons désormais la capacité de procéder à une ingénierie inverse et de réaliser des micropeignes hautement reproductibles pour des applications cibles dans le domaine des télécommunications."

De plus, les chercheurs ont créé un modèle informatique qui théoriquement le potentiel fondamental de le transfert de données utilisant la même puce unique que celle utilisée dans les expériences a été étudié. Les résultats du calcul montrent que la solution de mise à l'échelle présente un grand potentiel.

Le professeur Leif Katsuo Oxenløwe, directeur du Centre d'excellence en communications optiques photoniques sur silicium (SPOC) de la DTU, a déclaré : "Nos calculs montrent qu'avec une seule puce et un laser fabriqués à l'Université de technologie Chalmers, des vitesses de transmission allant jusqu'à 100 Pbit/s. La raison en est que notre solution est évolutive, à la fois en termes de création de plusieurs fréquences, mais également en divisant le peigne de fréquences en plusieurs copies spatiales, puis en les amplifiant optiquement et en les utilisant comme sources parallèles pour la transmission de données. la copie du peigne de fréquence doit être amplifiée, sa qualité n'est pas perdue et nous l'utilisons pour une transmission de données spectralement efficace.

La méthode de modulation

ajoute des informations au signal porteur électronique ou optique pour convertir les données. La façon de générer des ondes radio est appelée « modulation ». Dans ce processus, les caractéristiques ondulatoires de la lumière sont utilisées, telles que :

• Amplitude (la hauteur/force de la vague) ;
• Phase (le « rythme » de la vague, qui peut faire arriver la vague plus tôt ou plus tard que prévu) ; de propagation de l'onde) .
• En modifiant ces propriétés, vous pouvez créer des signaux. Ces signaux peuvent être convertis en 1 ou 0 et ainsi exploités comme signaux de données.

Dans l'étude, le flux de données a été divisé en 37 lignes, chacune envoyée le long d'un fil optique différent dans le câble. Chacune des 37 lignes de données est divisée en 223 blocs de données, correspondant à différentes régions du spectre « peigne de données ». En d’autres termes, les scientifiques ont créé un système de « transmission de données spatiales et multiplexées en longueur d’onde massivement parallèles ». Ces divisions multiples augmentent considérablement le débit de données potentiel pris en charge par les câbles à fibre optique.

Tester et valider une bande passante de 1,84 Pb/s n'est pas une tâche facile : aucun ordinateur ne peut encore traiter autant de données instantanément et le stockage est peu probable. L'équipe de recherche a utilisé des données factices sur des canaux individuels pour vérifier la capacité totale de la bande passante, et chaque canal a été testé individuellement pour garantir que les données reçues correspondaient aux données transmises.

La puce photonique peut diviser un seul laser en plusieurs fréquences, et un certain traitement est nécessaire pour coder les données optiques dans chacun des 37 flux optiques de données. Selon les chercheurs, un appareil de traitement de la lumière compact et entièrement fonctionnel pourrait être construit de la taille d’une boîte d’allumettes. Sa taille est similaire à celle des dispositifs de transmission laser monochromatiques actuellement utilisés dans l'industrie des télécommunications.

Taux de transfert de données atteint (triangle rouge) par rapport au débit théorique (point bleu).

Réduire la consommation d'énergie d'Internet

Grâce à cette technologie, nous pouvons utiliser la même infrastructure de câbles optiques qu'aujourd'hui et n'utiliser que le même volume d'équipement à puce photonique pour remplacer l'encodeur/décodeur de données optiques d'origine, ce qui est attendu faire La bande passante effective des données augmente de 8251 fois.

En plus des débits extrêmement élevés, de nouvelles recherches pourraient contribuer à réduire la consommation d'énergie d'Internet.

"Notre solution a le potentiel de remplacer des centaines de milliers de dispositifs optiques situés dans les centres Internet et les centres de données, qui consomment tous de grandes quantités d'énergie et génèrent de la chaleur. Nous avons l'opportunité de contribuer à réduire les émissions de carbone de l'industrie Internet. empreinte", a déclaré Leif Katsuo Oxenløwe, l'un des auteurs de l'article.

Bien que les chercheurs aient franchi le cap du pétaoctet pour une seule source laser et une seule puce dans leur démonstration, il reste encore du travail de développement à faire avant que la solution puisse être mise en œuvre dans nos systèmes de communication actuels.

"Actuellement, le monde travaille dur pour intégrer des sources laser dans des puces optiques. Plus nous pouvons intégrer de composants dans la puce, plus l'efficacité de l'ensemble de l'émetteur est élevée. L'émetteur comprend un laser, une puce de sortie de fréquence en peigne, des données modulateurs et tous les composants amplificateurs. Ce sera un émetteur optique de signaux de données extrêmement efficace », a déclaré Leif Katsuo Oxenløwe.

Cette recherche a été publiée dans le dernier numéro de Nature Optics.

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

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