1.84ペタビット/秒、全世界のインターネット帯域幅の2倍：単一レーザーで最速のデータ伝送記録を達成

ネットワークの効率について、「ハードドライブをトラックで輸送するほど良くない」と表現されることがあります。Amazon AWS にはスノーモービルと呼ばれるサービスがあり、実際にはコンテナ トラックを使用し、一度に 100 Pb を転送できます。この大容量USBメモリで転送されるデータ量は膨大ですが、別の側面からはネットワークのデータ転送に大きなボトルネックがあることが分かります。

最近、デンマーク工科大学 (DTU) とスウェーデンのヨーテボリにあるチャルマーズ工科大学の研究チームは、これまでで最高のデータ伝送効率を達成しました。単一のレーザーと単一の光学チップのみを使用して 1 ペタビット/秒 (Pbit/s) を超える伝送を達成する最初の研究。 実験では、研究者らは 1 つの光源のみを使用して、7.9 キロメートルの距離にわたって 1.8 ペタビット/秒の伝送速度を達成しました (1 ペタビットは 125,000 ギガバイトに相当します)。推定では、世界中で使用されている平均インターネット帯域幅は約 1 Pbit/s なので、世界の帯域幅のほぼ 2 倍になります。

1.84 Pbit/s がどれほど速いかを説明するのは難しいです。家庭のインターネット接続は通常、1 秒あたり数百メガビット、運が良ければ 1 ギガビット、さらには 10 ギガビットにもなります。 、ただし、1 ペタビットは 100 万ギガビットです。このデータ転送速度は、今年 5 月に樹立されたこれまでの記録である 1.02 Pbit/s をはるかに上回っています。

光源は、単一の赤外線レーザーからの光を使用して虹スペクトルの複数の色、つまり複数の周波数を出力できるカスタム設計の光学チップによって放射されます。したがって、単一のレーザーからの 1 つの周波数 (色) を、単一のチップ内で数百の周波数 (色) に増倍できます。すべての色は特定の周波数距離に固定されており、各色は櫛の歯のように互いに分離されているため、周波数コムと呼ばれます。最後に、すべての周波数が光ファイバーを介して送信され、データが送信されます。

数千を 1 つのレーザーで置き換える

実験デモンストレーションでは、1 つのチップで 1.8Pbit/s の速度を簡単に伝送でき、1.8Pbit/s の速度に達することが示されました。以前の最先端の商用機器によると、そのようなレベルには数千のレーザーが必要になります。

チャルマーズ工科大学の教授であるビクター・トーレス氏は、このチップを開発・製造した研究チームのリーダーです。 Victor Torres 氏によると、このチップの特別な点は、光ファイバー通信にとって理想的な特性、つまり高度な光通信に必要なスペクトル領域での非常に高い光パワーと広帯域幅のカバレッジを備えた周波数コムを生成することです。

# 通信システムのモデリング。 #興味深いことに、このチップはこの特定のアプリケーション向けに最適化されていません。 「実際、いくつかの特徴的なパラメータは設計によるものではなく、偶然によって実現されています」とビクター・トーレス氏は語った。 「しかし、チームの努力のおかげで、今ではリバースエンジニアリングして、電気通信分野の対象アプリケーション向けに再現性の高いマイクロコムを実現できるようになりました。」

さらに、研究者らは、A を作成しました。計算モデルは、実験で使用されたものと同じ単一チップを使用したデータ送信の潜在的な可能性を理論的に調査するために開発されました。計算結果は、スケーリング ソリューションには大きな可能性があることを示しています。

DTU の光通信シリコン フォトニクス センター オブ エクセレンス (SPOC) の所長であるレイフ カツオ オクセンローウェ教授は、次のように述べています。最大 100 Pbit/s の伝送速度が可能なレーザーです。その理由は、複数の周波数を作成するという点だけでなく、周波数コムを多くの空間コピーに分割し、それらを光学的に増幅するという点でも、当社のソリューションはスケーラブルであるためです。それらを送信データの並列ソースとして扱います。周波数コムのコピーは品質を損なうことなく増幅する必要がありますが、スペクトル効率の高いデータ送信に使用します。」

変調方式

電子または光の搬送信号に情報を追加し、そのデータを電波に変換するプロセスは「変調」と呼ばれます。このプロセスでは、次のような光の波動特性が利用されます。

• 振幅 (波の高さ/強さ);
• 位相 (波を早めたり遅らせたりする波の「リズム」)予想より到着);
• 偏光 (波の伝播方向)。

#これらのプロパティを変更することで、信号を作成できます。これらの信号は 1 または 0 に変換でき、データ信号として利用できます。

調査では、データ ストリームは 37 行に分割され、それぞれがケーブル内の異なる光スレッドに沿って送信されました。 37 本のデータ ラインはそれぞれ、「データ コーム」スペクトルの異なる領域に対応する 223 個のデータ ブロックに分割されます。言い換えれば、科学者たちは「大規模並列空間および波長多重データ伝送」システムを作成したのです。この複数の分割により、光ファイバー ケーブルでサポートされる潜在的なデータ スループットが大幅に増加します。

1.84 Pb/s の帯域幅をテストして検証するのは簡単な作業ではありません。これほど大量のデータを瞬時に処理できるコンピューターはまだなく、ストレージもありそうにありません。研究チームは、個々のチャネルでダミー データを使用して全帯域幅容量を検証し、各チャネルを個別にテストして、受信したデータと送信したデータが一致していることを確認しました。

フォトニック チップは単一のレーザーを多くの周波数に分割でき、37 個のデータ光ストリームのそれぞれの光データをエンコードするにはいくつかの処理が必要です。研究者らによると、コンパクトで完全に機能する光処理デバイスはマッチ箱ほどの大きさで構築できるという。これは、現在電気通信業界で使用されている単色レーザー送信デバイスと同じサイズです。

達成されたデータ転送速度 (赤い三角) と理論上のスループット(青い点)。 インターネットのエネルギー消費量の削減

このテクノロジーを使用すると、現在と同じ光ファイバー ケーブル インフラストラクチャを、同じ量だけ使用して使用できます。光子 このチップ デバイスは、元の光データ エンコーダ/デコーダを置き換えるもので、実効データ帯域幅が 8251 倍に増加すると予想されます。

非常に高速であることに加えて、新しい研究はインターネットのエネルギー消費の削減に役立つ可能性があります。

「当社のソリューションは、インターネットの中心部やデータセンターにある何十万もの光デバイスを置き換える可能性を秘めています。これらのデバイスはすべて大量の電力を消費し、熱を発生します。私たちには、業界の二酸化炭素排出量の削減に貢献する機会があります」と論文の著者の一人、レイフ・カツオ・オクセンローウェ氏は述べた。

研究者らはデモンストレーションで単一レーザー光源と単一チップのペタバイト規模のマイルストーンを突破しましたが、現在のコミュニケーションにソリューションを実装するにはまだ開発作業が必要です。システム やるべきこと。

「現在、世界はレーザー光源を光学チップに統合することに熱心に取り組んでいます。チップに統合できるコンポーネントが増えるほど、送信機全体の効率が向上します。送信機には次のものが含まれます。レーザー、コム周波数出力チップ、データ変調器、その他のアンプコンポーネントが含まれており、非常に効率的なデータ信号の光送信機となるでしょう」とレイフ・カツオ・オクセンロウ氏は語った。

この研究は、Nature Optics の最新号に掲載されました。

論文リンク: https://www.nature.com/articles/s41566-022-01082-z

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