CC BY
12
172 ТБИТ/С ПЕРЕДАЧА В ДИАПАЗОНЕ C + L НА 2040 КМ ПО ТРЕХЖИЛЬНОМУ
ОПТОВОЛОКНУ С СИЛЬНОЙ СВЯЗЬЮ
И.А. Шарый, студент
A.А. Шарый, студент
B.А. Бурдин, д-р техн. наук, профессор
Поволжский государственный университета телекоммуникаций и информатики (Россия, г. Самара)
DOI:10.24412/2500-1000-2021-5-1-86-90
Аннотация. Продемонстрирована передача по многожильному волокну со связанными сердцевинами по 359 каналам ^ и L-диапазона с низкой пространственной модовой дисперсией. Достигнута чистая скорость передачи данных 172 Тбит/с на расстоянии 2040 км, что удваивает рекордное произведение скорости передачи данных на расстояние для волокон SDM со стандартным диаметром оболочки.
Ключевые слова: передача данных, скоростная передача, длинна волны.
1. Введение. Мультиплексирование с пространственным разделением каналов (SDM) интенсивно исследуется как технология увеличения скорости передачи данных в волоконно-оптических системах связи [1]. Хотя для SDM было предложено несколько типов волокна, многожильные волокна со связанной сердцевиной (CC-MCF) и маломодовые волокна (FMF) являются единственными типами SDM-волокна, которые были продемонстрированы с более чем 10 пространственными каналами [2, 3] со стандартным диаметром оболочки (125 мкм). Поддержание стандартного диаметра оболочки считается выгодным для долгосрочной надежности и выгодным для краткосрочного коммерческого применения [4].
CC-MCF - единственный тип SDM-волокна, которое, как было продемонстрировано, превосходит одномодовые волокна из-за пониженной нелинейности волокна в результате сильной случайной статистической связи сигналов между соединенными сердцевинами [5]. Более того, из-за сильной связи CC-MCF демонстрируют значительно уменьшенную пространственную модовую дисперсию (SMD) и модовые потери (MDL), которые растут пропорционально квадратному корню из расстояния передачи, в отличие от линейного роста слабосвязанные волокна SDM. Сильная связь зависит от тщательного проектирования и изготовления геометрии CC-MCF. Поскольку ограничение мод зависит от
длины волны, оптимальная конструкция волокна для сильной связи зависит от целевой рабочей длины волны, и большая зависимость SMD от длины волны наблюдалась в C- и L-диапазонах [3].
На сегодняшний день передача по CC-MCF ограничена частью C-диапазона (ширина полосы <5 нм) [3, 5]. Чтобы продемонстрировать потенциал для передачи с высокой скоростью передачи данных, необходимо также продемонстрировать, что преимущества CC-MCF могут быть сохранены в широком диапазоне длин волн (например, C- и L-диапазоны). В этой работе мы демонстрируем трехъядерную передачу CC-MCF сигналов 16-квадратурной амплитудной модуляции (QAM) 359 х 24,5 Гбод, занимающих длину волны более 75 нм в C- и L-диапазонах. По сравнению с недавно сообщенными данными о передаче 159 Тбит/с на 1045 км [6] и 40 Тбит/с на 3060 км [7] в FMF, мы достигаем скорости передачи данных более 172 Тбит/с на расстоянии 2040 км, что это самая высокая зарегистрированная скорость передачи данных при многопролетной передаче в любом волокне стандартного диаметра, увеличивающая рекордное значение произведения данных на расстояние для любого SDM-волокна с диаметром оболочки 125 мкм более чем в два раза. Эта демонстрация подчеркивает большой потенциал CC-MCF для широкополосных систем передачи большой емкости и большой протяженности.
Рис. 1. Установка для эксперимента CC-MCF с рециркуляционной петлевой передачей в
полосе C + L на большие расстояния
2. Экспериментальная установка
Экспериментальная установка для петлевой передачи в трехъядерном CC-MCF показана на рис. 1. Выходной сигнал гребенки оптических частот с полосой пропускания> 100 нм с интервалом 25 ГГц был разделен на один тракт для скользящего теста. band и один для генерации фиктивных каналов. В первом случае настраиваемый фильтр выбирал три гребенчатые линии, которые были разделены на нечетные и четные каналы для независимой модуляции с двойной поляризацией (DP) 16-QAM 24,5 Гбод в двух модуляторах DP-IQ. Для создания управляющих сигналов использовались четыре генератора сигналов произвольной формы (AWG), работающие со скоростью 49 Гвыб/с, которые имели форму косинуса с приподнятым корнем и спадом 0,01 и имели длину последовательности 218. Нечетные и четные каналы были оптически декоррелиро-ванный. Фиктивные каналы модулировались однополяризационным IQ-модулятором с сигналами 16-QAM 24,5 Гбод, который управлялся одним AWG с электрически декоррелированны-ми выходами. Сигналы с двойной поляризацией эмулировались путем разделения сигнала, задержки одного плеча на 20 нс и объединения двух путей в сумматоре поляризационных лучей (PBC). Оптические процессоры (OP) использовались для спектрального выравнивания фиктивных каналов и для вырезания выемки в спектре фиктивных каналов, используемой для размещения тестовой полосы. Затем сигналы были разделены на три оптически декоррелированных копии (0 нс, 94 нс,
193 нс) для имитации независимых данных для каждого пространственного канала.
Для передачи на большие расстояния использовались три рециркулирующих контура, содержащие усилители на волокне, легированном эрбием, в диапазонах C и L (EDFA) и оптические процессоры для выравнивания спектра усиления EDFA. Акустооптические модуляторы (АОМ) использовались для контроля времени нагрузки и времени прохождения цикла рециркуляции. Время обхода трех петель было согласовано в пределах менее 50 пс. Волокно представляло собой одно-пролетный трехжильный CC-MCF протяженностью 60 км [8]. Каждая жила имела эффективную площадь 129 мкм2, потери 0,18 дБ/км и хроматическую дисперсию 19,5 пс/нм/ км на длине волны 1550 нм. Оптоволоконные мультиплексоры с сердечником из фотонных фонарей [9] использовались для ввода сигналов в оптоволокно. Средняя потеря в трех пространственных каналах составила 14,2 дБ, включая мультиплексоры. Общая мощность запуска на ядро составила 24 дБмВт.
Три тракта приемника содержали два каскада EDFA с перестраиваемыми оптическими фильтрами между ними для выбора тестируемого канала длины волны. Сигналы смешивались с гетеродином (LO) с номинальной шириной линии 60 кГц в трех когерентных приемниках. Электрические сигналы оцифровывались с помощью 12-канального осциллографа реального времени с электрической полосой пропускания 36 ГГц, работающей со скоростью 80 Гвыб/с. Автономная цифровая обработка сигналов включала статическую ком-
пенсацию хроматическом дисперсии, оценку сдвига частоты и М1МО-эквалайзер 6*6 во временной области с 350 отводами, разнесенными на полсим-вла, работающими в цикле с алгоритмом фазового поиска. Эквалайзер был инициализирован в режиме обработки данных перед переключением в режим принятия решения. Q-факторы были рассчитаны для каждого канала длины волны путем прямого подсчета ошибок более чем на 10 миллионов бит. Далее мы использовали обобщенную взаимную информацию ^М!) для оценки максимально достижи-
мой скорости передачи данных с учетом побитового декодирования и идеальных кодов. Мы также реализовали схему кодирования с использованием кода LDPC из стандарта DVB-S2 [10] с выкалыванием кодовой скорости для гранулярности кодовой скорости 0,01 для достижения коэффициента ошибок по битам (BER) менее 2,19*10-5. Дополнительные 2,8% накладных расходов на кодирование для внешнего кода с жестким решением предполагались для безошибочной передачи [11]. Схема кодирования подробно описана
в [6].
% 7
§■ б у
га с
■Q* Э
<у л
£•5 500
450
400
_ N • •
-*
(b)
»r a «WAV • -
• Decoded data-rate ♦ Data-rate estimated from GMI 1 1 •ъ # у. 1
1530
1540
1550
1560
1570
1580
1590
1600
1610
Длина волны (нм)
Рис. 2: (а) Q-факторы и (Ь) скорость передачи данных, рассчитанная на основе обобщенной взаимной информации (красные ромбы) и реализованная схема кодирования (синие
точки) для всех 359 каналов с длиной волны.
Время (не)
Рис. 3. Характеристики канала передачи через 2040 км: (а) Шесть квадратов сингулярных значений канальной матрицы 6*6 канала WDM на длине волны 1550 нм в частотной области. (b) Модозависимые потери (MDL) всех 359 каналов с длиной волны. (с) Импульсная характеристика с гауссовой аппроксимацией и полушириной на полувысоте (FWHM) канала на длине волны 1550 нм. (d) FWHM импульсных характеристик всех 359 каналов с
длиной волны.
3. Результаты
На рис. 2а показана добротность всех 359 каналов с длиной волны от 1529,16 до 1608,5 нм в диапазоне от 3,8 до 7,2 дБ. Снижение производительности в высокой L-полосе объясняется повышенным фазовым шумом и уменьшением OSNR на несущих, отличных от начальной длины волны гребенчатого источника, в сочетании со спектральной формой усиления усилителей. На рисунке 2b показана скорость передачи данных для каждого канала с длиной волны, оцененная на основе обобщенной взаимной информации (GMI, красные ромбы) и полученная в результате реализованной схемы кодирования (синие точки). Скорость передачи данных для каждого канала составляла от 400 до 540 Гбит/с в зависимости от схемы кодирования и от 450 до 560 Гбит/с по оценке GMI. Общая скорость передачи данных составила 172,25 Тбит/с со схемой кодирования и 185,96 Тбит/с по оценке GMI.
На рисунке 3 а показаны квадраты сингулярных значений матрицы канала для канала WDM на длине волны 1550 нм. MDL рассчитывается для всех каналов WDM как отношение максимума и минимума средней частоты квадратов сингулярных значений [6], показанных на рис. 3b. MDL немного увеличивается на более длинных волнах, вероятно, также влияя на зависимость характеристик от длины волны. На рисунке 3 c показан импульсный отклик, рассчитанный как сумма
Библиографический список
1. Ричардсон Д.Дж. и др. Мультиплексирование с пространственным разделением в оптических волокнах // Nature Photonics. 2013. №7. С. 354-362.
2. Ryf R. и др. Передача с мультиплексированием мод с высокой спектральной эффективностью по многомодовому волокну с градиентным показателем преломления. Proc. ECOC, Th3B.1, 2018.
3. Сакамото Т. и др. Одномодовое 12-жильное волокно с оболочкой 125 мкм с контролируемой скоростью скручивания // J. Lightw. Technol. 2018. №36. С. 325-330.
4. Мацуо С. и др. Многоядерные волокна с высокой пространственной кратностью для будущих плотных систем мультиплексирования с пространственным разделением // J. Lightw. Technol. 2016. №34. С. 1464-1475.
5. Ryf R. и др., «Передача со связанными сердцевинами по 7-жильному оптоволокну», Proc. OFC, Th4B.3, 2019.
6. Радемахер Г. и др. Передача с высокой пропускной способностью с использованием маломодовых волокон // J. Lightw. Technol. 2019. №37. С. 425-432.
квадратов 36 обратных эквалайзеров MIMO [6] канала WDM на длине волны 1550 нм, с гауссовой аппроксимацией и его полушириной на полувысоте (FWHM). На рисунке 3d показана полуширина импульсных характеристик для всех каналов WDM после передачи на 2040 км, что подтверждает сильную связь и, следовательно, короткие импульсные характеристики по всем каналам WDM.
4. Выводы
Мы продемонстрировали широкополосную передачу 16-QAM каналов 359^24,5 Гбод в диапазонах C и L на расстояние более 2040 км по сильно связанному трехжильному многожильному оптоволокну. Результирующая скорость передачи данных более 172 Тбит/с является рекордной скоростью передачи данных при многопролетной передаче для волокон со стандартным диаметром оболочки. Произведение скорости передачи данных на расстояние, равное 351 Пб/схкм, увеличивает текущий рекорд в SDM-волокнах со стандартным диаметром оболочки более чем в два раза. Подтверждая сильную связь и, следовательно, короткие импульсные характеристики в диапазонах C и L, этот эксперимент подчеркивает высокий потенциал волокон со связанной сердцевиной для широкополосной передачи с высокой пропускной способностью на средние и большие расстояния.
7. Шибахара К. и др. Неуправляемая трехрежимная передача DMD на 3060 км в полном диапазоне C с пропускной способностью 40,2 Тб/с с использованием циклической перестановки режимов // J. Lightw. Technol. 2020. №38. С. 514-521.
8. Райф Р. и др., «Мультиплексированная передача с пространственным разделением каналов по 3-жильному микроструктурированному волокну длиной 4200 км», Proc. OFC, PDP5C.2, 2012.
9. S. v. D. Heide et al., «Мультиплексор ядра с низким уровнем потерь и низким значением MDL для трехжильного многожильного волокна со связанными ядрами», Proc. OFC, T3A.3, 2020.
10. Цифровое видеовещание (DVB); Структура кадрирования второго поколения, системы кодирования каналов и модуляции для вещания, интерактивных услуг, сбора новостей и других широкополосных спутниковых приложений (DVB-S2), Eur. Стд. ETSI EN 302 307 V1.2.1, 2009-08.
11. IEEE Computer Society, «Стандарт IEEE для Ethernet», IEEE Std 802.3-2015, 2016.
172 TB/S C+L BAND TRANSMISSION OVER 2040 KM STRONGLY COUPLED
3-CORE FIBER
I.A. Shary, Student A.A. Shary, Student
V.A. Burdin, Doctor of Technical Sciences, Professor
Povolzhskiy State University of Telecommunications and Informatics
(Russia, Samara)
Abstract. Coupled-core multi-core fiber transmission is demonstrated across 359 C- and L-band channels with low spatial-mode-dispersion. A net-data-rate of 172 Tb/s over 2040 km is achieved, doubling the record data-rate-distance-product for standard cladding diameter SDM fibers.
Keywords: data transmission, high-speed transmission, wavelength.
