1.84Pb/s, 전체 글로벌 인터넷 대역폭의 두 배: 단일 레이저로 가장 빠른 데이터 전송 기록 달성

때때로 사람들은 네트워크 효율성을 "하드 드라이브를 트럭으로 운반하는 것만큼 좋지 않다"고 설명합니다. Amazon AWS에는 실제로 컨테이너 트럭을 사용하고 한 번에 100Pb를 전송할 수 있는 스노우모빌이라는 서비스가 있습니다. 이 대용량 USB 플래시 드라이브가 전송하는 데이터의 양은 엄청나지만, 이는 또 다른 측면에서 네트워크 데이터 전송에 큰 병목 현상이 있음을 말해줍니다.

최근 덴마크 공과대학교(DTU)와 스웨덴 예테보리에 위치한 찰머스 공과대학 연구팀은 현재까지 최고의 데이터 전송 효율성을 달성했으며, 세계 최초로 단일 레이저와 단일 초당 1페타비트(Pbit/s) 이상을 전송할 수 있는 광학 칩에 대한 연구입니다.

실험에서 연구원들은 단 하나의 광원을 사용하여 7.9km 거리에서 1.8Pbit/s의 전송 속도를 달성했습니다. 1페타비트는 125,000기가바이트에 해당하며 일부 추정에 따르면 사용되는 평균 인터넷 대역폭 전 세계 대역폭은 대략 1Pbit/s이므로 글로벌 대역폭의 거의 두 배입니다.

1.84 Pbit/s가 얼마나 빠른지 설명하기는 어렵습니다. 가정용 인터넷 연결은 일반적으로 초당 수백 메가비트이며 운이 좋다면 1기가비트 또는 심지어 10기가비트일 수도 있지만 1페타비트는 수백만 기가비트입니다. . 이 데이터 전송 속도는 올해 5월 세운 종전 최고 기록인 1.02Pbit/s를 크게 웃돈다.

광원은 단일 적외선 레이저의 빛을 사용하여 무지개 스펙트럼의 여러 색상, 즉 여러 주파수를 출력할 수 있는 맞춤 설계된 광학 칩에서 방출됩니다. 따라서 단일 레이저에서 나오는 하나의 주파수(색상)를 단일 칩에서 수백 개의 주파수(색상)로 곱할 수 있습니다. 모든 색상은 특정 주파수 거리에 고정되어 있으며 각 색상은 빗의 이빨처럼 서로 분리되어 있으므로 이를 주파수 빗이라고 합니다. 마지막으로 모든 주파수는 광섬유를 통해 전송되어 데이터를 전송합니다.

수천 개의

을 단일 레이저로 대체 실험적 시연을 통해 단일 칩이 1.8Pbit/s의 속도를 쉽게 전달할 수 있음을 보여줍니다. 이전의 최첨단 상용 장비에 따르면 수천 개의 레이저가 필요했습니다. 그런 수준에 도달하려면.

찰머스 공과대학의 빅터 토레스 교수는 칩을 개발하고 제조한 연구팀의 리더입니다. Victor Torres는 이 칩의 특별한 점은 광섬유 통신을 위한 이상적인 특성, 즉 고급 광 통신을 위한 관심 스펙트럼 영역에서 매우 높은 광 출력과 넓은 대역폭 범위를 갖춘 주파수 빗을 생성한다고 말합니다.

통신 시스템 모델링.

흥미롭게도 이 칩은 이 특정 애플리케이션에 최적화되어 있지 않습니다. "실제로 일부 특징적인 매개변수는 설계보다는 우연에 의해 달성됩니다."라고 Victor Torres는 말했습니다. "그러나 팀의 노력으로 이제 우리는 이를 역설계하고 통신 분야의 대상 응용 분야에 대해 재현성이 높은 마이크로콤을 달성할 수 있게 되었습니다."

또한 연구원들은 이론적으로 실험에서와 동일한 단일 칩을 사용한 데이터 전송을 조사했습니다. 계산 결과는 스케일링 솔루션이 큰 잠재력을 가지고 있음을 보여줍니다.

DTU의 SPOC(실리콘 포토닉스 광통신 우수 센터) 소장인 Leif Katsuo Oxenløwe 교수는 다음과 같이 말했습니다. 그 이유는 우리의 솔루션이 여러 주파수를 생성하는 것뿐만 아니라 주파수 빗을 여러 공간 복사본으로 분할한 다음 이를 광학적으로 증폭하고 데이터 전송을 위한 병렬 소스로 사용하는 측면에서 확장 가능하기 때문입니다. 주파수 콤 복사는 증폭되어야 하며 품질이 손실되지 않으며 이를 스펙트럼 효율적인 데이터 전송에 사용합니다.

변조 방법

은 전자 또는 광학 반송파 신호에 정보를 추가하여 데이터를 변환합니다. 전파를 생성하는 것을 '변조'라고 합니다. 이 과정에서 다음과 같은 빛의 파동 특성이 활용됩니다.

• 진폭(파도의 높이/강도);
• 위상(파동의 "리듬"으로 인해 파동이 예상보다 일찍 또는 늦게 도착할 수 있음)
• 편파(방향) 파동의 전파).

이러한 속성을 변경하면 신호를 생성할 수 있습니다. 이러한 신호는 1 또는 0으로 변환되어 데이터 신호로 활용될 수 있습니다.

연구에서 데이터 스트림은 37개의 라인으로 분할되었으며 각 라인은 케이블의 서로 다른 광학 스레드를 따라 전송되었습니다. 37개의 데이터 라인 각각은 "데이터 빗" 스펙트럼의 서로 다른 영역에 해당하는 223개의 데이터 블록으로 나뉩니다. 즉, 과학자들은 "대규모 병렬 공간 및 파장 다중화 데이터 전송" 시스템을 만들었습니다. 이러한 다중 분할은 광섬유 케이블이 지원하는 잠재적인 데이터 처리량을 크게 증가시킵니다.

1.84Pb/s 대역폭을 테스트하고 검증하는 것은 쉬운 작업이 아닙니다. 아직까지 그 정도의 데이터를 즉시 처리할 수 있는 컴퓨터는 없으며 저장 공간도 거의 없습니다. 연구팀은 전체 대역폭 용량을 확인하기 위해 개별 채널에 대한 더미 데이터를 사용했으며, 수신된 데이터가 전송된 데이터와 일치하는지 확인하기 위해 각 채널을 개별적으로 테스트했습니다.

포토닉 칩은 단일 레이저를 여러 주파수로 분할할 수 있으며, 37개 데이터 광학 스트림 각각의 광학 데이터를 인코딩하려면 일부 처리가 필요합니다. 연구원들에 따르면, 작고 완전한 기능을 갖춘 광 처리 장치를 성냥갑 크기로 제작할 수 있다고 합니다. 이는 현재 통신업계에서 사용되고 있는 단색 레이저 송신장치와 크기가 비슷하다.

달성된 데이터 전송 속도(빨간색 삼각형)와 이론적 처리량(파란색 점).

인터넷 에너지 소비 감소

이 기술을 통해 우리는 지금과 동일한 광케이블 인프라를 사용할 수 있으며, 동일한 양의 광 칩 장비만 사용하여 원래의 광 데이터 인코더/디코더를 대체할 수 있을 것으로 예상됩니다. 유효 데이터 대역폭이 8251배 증가합니다.

새로운 연구는 극도로 빠른 속도 외에도 인터넷의 에너지 소비를 줄이는 데 도움이 될 수 있습니다.

"저희 솔루션은 많은 양의 전력을 소비하고 열을 발생시키는 인터넷 센터와 데이터 센터에 위치한 수십만 개의 광 장치를 대체할 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다. 인터넷 산업의 탄소 감소에 기여할 수 있는 기회를 얻었습니다. 발자국"이라고 논문의 저자 중 한 명인 Leif Katsuo Oxenløwe가 말했습니다.

연구원들이 시연에서 단일 레이저 소스와 단일 칩에 대한 페타바이트 규모의 이정표를 깨뜨렸음에도 불구하고 솔루션이 현재 통신 시스템에 구현되기 전에 아직 수행해야 할 몇 가지 개발 작업이 있습니다.

"현재 세계는 레이저 소스를 광학 칩에 통합하기 위해 열심히 노력하고 있습니다. 칩에 통합할 수 있는 구성 요소가 많을수록 전체 송신기의 효율성이 높아집니다. 송신기에는 레이저, 빗 주파수 출력 칩, 데이터 변조기 및 모든 증폭기 구성 요소는 데이터 신호의 매우 효율적인 광 송신기가 될 것입니다."라고 Leif Katsuo Oxenløwe는 말했습니다.

이 연구는 Nature Optics 최신호에 게재되었습니다.

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

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