Skręcone światło poprawia komunikację optyczną
Obecne wskaźniki wzrostu ruchu danych w sieci w dużej mierze są napędzane przez usługi, które znacznie zwiększają wykorzystanie Internetu. Usługi wideo na żądanie, sieci społecznościowe i usługi przetwarzania w chmurze poważnie nadwyrężają wydajność centrów danych i mogą wpływać na funkcjonowanie sieci. Dotychczas zaproponowano i zbadano wiele rozwiązań technicznych i architektur sieci, aby rozwiązać te problemy. Dotyczą one głównie poprawy skalowalności, przepustowości i zużycia energii przez optyczne łącza i przełączniki centrum danych. W ramach finansowanego ze środków UE projektu ROAM naukowcy skupili się na rzadko wykorzystywanej właściwości światła – OAM – w celu zwiększenia ilości danych, które mogą być przesyłane za pośrednictwem światłowodu i poprawy wydajności przełączników optycznych w centrach danych. Multipleksowanie OAM W zależności od rozkładu przestrzennego pola, wiązka OAM ma spiralne lub skręcone czoło fali, które może przyjmować wiele wartości całkowitych. „W przeciwieństwie do konwencjonalnych systemów komunikacyjnych, które używają fotonów jako zer i jedynek do przenoszenia danych, OAM światła umożliwia kodowanie dodatkowych danych w wielu trybach spiralnych. Oznacza to, że OAM może potencjalnie zwiększyć wydajność systemów komunikacyjnych”, zauważa koordynator projektu, prof. Antonella Bogoni. Zespół projektu ROAM chciał aktywnie wykorzystać tę wyjątkową właściwość światła, aby zwiększyć przepustowość światłowodu dla krótkoogniskowych połączeń o dużej gęstości. Podstawowa koncepcja zwiększania wydajności polega na połączeniu dwóch różnych technik ortogonalnych multipleksowania: multipleksowanie z podziałem trybów z wykorzystaniem OAM z multipleksowaniem z podziałem długości fal (WDM). Łącząc OAM i WDM, zespół projektowy z powodzeniem wykazał potencjał do transmisji wielu niezależnych kanałów danych na tym samym łączu światłowodowym. Początkowo naukowcy zmultipleksowali 10 współosiowych trybów OAM transmitowanych jednocześnie na 16 długościach fal na światłowodzie o długości 1 km. W ten sposób zmultipleksowany światłowodowy system transmisyjny był w stanie zapewnić 160 kanałów danych. Następnie badania skupiły się na rozszerzeniu zasięgu transmisji światłowodu. „Udało nam się połączyć ze sobą 8 trybów OAM na 10 długościach fal, z których każdy ma strumień danych 32 Gbs, co jest zgodne z aktualnym stanem wiedzy”, zauważa prof. Bogoni. Zespół projektu z powodzeniem wykazał, że tryby OAM mogą być transmitowane na odległość do 10 km. Multipleksowanie OAM wykazało pełną kompatybilność ze starszymi technologiami, a jednocześnie zapewniało zminimalizowane narzutowe kodowanie kanałów. Wysokowydajne przełączniki w centrach danych Tradycyjne połączenia elektryczne w centrach danych charakteryzują się niskimi szybkościami przepływu danych, niską elastycznością i skalowalnością oraz zwiększonym zużyciem energii. Przełączanie optyczne zyskało na popularności, ponieważ zapewnia zwiększoną skalowalność dzięki wykorzystaniu wielu domen, takich jak długość fali, przestrzeń i czas. Zespół projektu ROAM pracował nad stworzeniem rekonfigurowalnego przełącznika opartego na fotonice krzemowej poprzez manipulowanie różnymi trybami OAM i falami WDM. „Zastosowanie dodatkowej domeny przełączania w wielowarstwowej sieci połączeń może zwiększyć skalowalność przełączników optycznych i zmniejszyć zużycie energii”, wyjaśnia prof. Bogoni. Na początek zespół zaprezentował nowy krzemowy przełącznik fotoniczny, który jest wysoce skalowalny i charakteryzuje się niskim zużyciem energii. Wykorzystując kombinację 10 trybów OAM i 16 fal WDM przy prędkości transmisji danych wynoszącej 30 Gb, łączna pojemność przełącznika osiągnęła 20 Tbs na sekundę, co umożliwiło wysoce skalowalną agregację ruchu. To rozwiązanie przełączające podłączono do standardowych macierzy światłowodowych w celu zapewnienia pełnej zgodności z aktualnymi architekturami centrum danych. Opracowanie urządzenia w skali chipowej, które może generować, manipulować i przełączać tryby OAM, oznacza, że istnieje kilka zastosowań wykraczających poza optyczne systemy transmisji, takich jak obrazowanie, kwantowanie i wykrywanie.
Słowa kluczowe
ROAM, orbitalny moment pędu (OAM), tryby, multipleksowanie, centrum danych, multipleksowanie z podziałem długości fal (WDM), światłowód, przełącznik optyczny, skalowalność, pojemność transmisji
