CORDIS - Wyniki badań wspieranych przez UE
CORDIS

Article Category

Story
Zawartość zarchiwizowana w dniu 2024-04-23

Article available in the following languages:

Najważniejsze wiadomości - Fazoczuła, optyczna transmisja danych: nowa granica

Światłowody przejmują rolę kręgosłupa Internetu i stosowane są zarówno pomiędzy miastami, krajami i kontynentami, jak i do łączenia central telekomunikacyjnych z domami oraz stacjami bazowymi telefonii komórkowej. Dzięki pionierskiemu podejściu do transmisji danych, finansowanemu częściowo ze środków UE, być może uda się zwiększyć pojemność, zasięg i wydajność sieci światłowodowych.

Gospodarka cyfrowa icon Gospodarka cyfrowa

Tradycyjna komunikacja światłowodowa bazuje na kodowaniu danych w oparciu o amplitudę światła laserowego (różnicowaniu natężenia światła, w celu przesyłania informacji). Instalowanie tzw. "domieszkowanych erbem wzmacniaczy światłowodowych" ('Erbium-doped fibre amplifiers') w określonych odległościach wzdłuż linii światłowodowej, pozwala wzmacniać sygnał i przeciwdziałać jego tłumieniu, ale jednocześnie stanowi stosunkowo nieefektywną metodę korzystania z łączy światłowodowych. Kodowanie danych w oparciu o fazę, a nie amplitudę światła laserowego, może teoretycznie pozwolić wykładniczo zwiększyć pojemność światłowodów. W praktyce jednak zakres potencjalnych ulepszeń jest ograniczony: ograniczenia powodowane są przez szumy powstające w wzmacniaczach optycznych oraz przesłuch pomiędzy kanałami optycznymi o różnych długościach fali, wywoływany przez nieliniowe oddziaływania optyczne. "Światłowody mogą przesyłać ogromne ilości danych, w związku z czym systemy komercyjne nadal charakteryzują się dużym zapasem pojemności, jednak w ostatnich latach udało nam się, w warunkach badań laboratoryjnych, zbliżyć do granic przepustowości, chociaż stosowaliśmy współczesne techniki transmisji danych i konwencjonalne wzmacniacze", tłumaczy Profesor David Richardson, Zastępca Dyrektora Centrum Badań Optoelektronicznych ('Optoelectronics Research Centre' - ORC) na Uniwersytecie w Southampton w Zjednoczonym Królestwie. Teoretyczne podstawy "wzmacniania fazoczułego" ('Phase-sensitive amplification' - PSA) odkryto już w latach 1960-tych i uznano za potencjalny sposób wzmacniania sygnałów optycznych bez indukowania szumów. Niedawno wykazano natomiast, że technika ta pozwala usuwać szumy fazowe (i w mniejszym stopniu amplitudowe) z sygnałów optycznych zniekształconych podczas transmisji - funkcję tę nazywa się "regeneracją optyczną" ('optical regeneration'). Uświadamiając sobie, że postępy w zakresie technologii komponentów optycznych sprawiły, że praktyczne zastosowania PSA stały się możliwe, zespół naukowców z ośmiu stowarzyszonych organizacji, pochodzących z siedmiu krajów, rozpoczął pracę nad projektem o nazwie "systemy wzmacniaczy fazoczułych i regeneratory optyczne oraz ich zastosowania" ('Phase-sensitive amplifier systems and optical regenerators, and their applications' - Phasors). Prace naukowców, wsparte przez Komisję Europejską kwotą 2,7 milionów euro, pomogły przemienić wzmacniacze fazoczułe z ciekawostek teoretycznych w urządzenia praktyczne. Eliminowanie szumów i przesłuchu pomiędzy kanałami "Wiedzieliśmy, że technika PSA powinna umożliwić bardzo niskoszumowe wzmacnianie sygnałów oraz usuwanie szumów fazowych w systemach łączności optycznej, jednak przed nami stały duże wyzwania technologiczne", mówi prof. Richardson, koordynator naukowy projektu Phasors. "Udało nam się wykazać, że możliwe jest praktyczne zastosowanie PSA oraz zaprezentować wiele przydatnych właściwości tej technologii w zakresie redukowania szumów oraz zwiększania wydajności sieci". Skupiając się na opracowywaniu technologii przeznaczonych dla 40 gigabitowych (Gbps), szerokopasmowych sieci szkieletowych, uczestnicy projektu Phasors przedstawili dwa kluczowe urządzenia - wzmacniacz fazoczuły oraz regenerator optyczny sygnałów kodowanych fazowo - pozwalające znacząco zmniejszać poziom szumów w systemach transmisyjnych. Szum fazowy, czyli gwałtowne, krótkotrwałe i losowe fluktuacje fazy sygnału, wywoływany jest przez szereg zjawisk, w tym przez szum kwantowy, pojawiający się podczas wzmacniania oraz przez inne sygnały, o odmiennych długościach fal, oddziałujące na siebie w obrębie pojedynczego włókna światłowodowego. Zjawisko to zmniejsza dokładność sygnału i negatywnie wpływa na wydajność sieci. W przeciwieństwie do tradycyjnych wzmacniaczy, które nie posiadają czułości fazowej, wzmacniacz Phasors jest fazoczuły i wykazano, że redukuje poziom szumów do nieco ponad 1 dB. W klasycznych wzmacniaczach, domieszkowanych erbem, wartość ta wynosi co najmniej 3 dB, przy czym zwykle jest bliższa 5 dB. "Bezszumowe wzmacnianie sygnału optycznego jest marzeniem naukowców pracujących nad wzmacniaczami optycznymi", zauważa prof. Richardson. "Wzmacniacz Phasors z pewnością stanowi znaczący krok w powyższym kierunku". Podsystem regeneracji optycznej Phasors eliminuje interferencje w szybko przesyłanych sygnałach kodowanych dwufazowo. Podczas, gdy dotychczasowe urządzenia regenerujące przetwarzają sygnały optyczne w elektryczne, co powoduje zmniejszenie szybkości transmisji danych, urządzenie Phasors pozwala ograniczać powstawanie szumów fazowych i amplitudowych bezpośrednio w sygnałach optycznych. Uczestnicy projektu wykazali również, że możliwe jest skalowanie tradycyjnego podejścia do regeneracji sygnałów, pozwalające regenerować sygnały o znacznie większym niż binarny poziomie kodowania fazowego, prezentując na przykład po raz pierwszy regenerację sygnałów kodowanych przy użyciu modulacji QPSK ('Quadrature (four-level) phase-shift keying' - QPSK). "Rozpoczynając projekt Phasors zamierzaliśmy wykazać co jest, a co nie jest możliwe w przypadku w pełni optycznego przetwarzania sygnałów oraz wzmacniania sygnałów kodowanych fazowo. Powyższe urządzenia dowodzą, że technologia działa, nie tylko w teorii, ale także w praktyce i że otwiera drogę do bardzo przydatnych i rozwojowych zastosowań", tłumaczy prof. Richardson. Od badań naukowych po zastosowania komercyjne Ponieważ wiele zespołów badawczych w Europie, Stanach Zjednoczonych oraz w innych miejscach na Ziemi kontynuuje prace uczestników projektu Phasors, poczynione przez nich osiągnięcia, w perspektywie długoterminowej, pozwolą prawdopodobnie znacznie zwiększyć prędkość, pojemność, zasięg oraz wydajność sieci światłowodowych. Co więcej, powyższa technologia ma szereg istotnych zastosowań w innych dziedzinach, na przykład w pomiarach optycznych, sensoryce oraz metrologii. Członkowie konsorcjum Phasors opracowują, w oparciu o znaczące postępy poczynione w ramach projektu, komercyjne urządzenia i technologie. Komponenty, w tym specjalistyczne włókna optyczne oraz lasery o dużej wydajności, już obecnie sprzedają się w dużych ilościach. Szwedzki partner projektu EXFO, globalny dostawca rozwiązań telekomunikacyjnych z zakresu testowania i gwarantowania dostępności usług, opracował i oferuje na rynku urządzenie testowo-pomiarowe, stworzone na podstawie prac zrealizowanych w ramach projektu Phasors, pozwalające analizować złożone sygnały kodowane amplitudowo i fazowo. "Chociaż projekt Phasors został już zakończony, jego wyniki z pewnością będą miały oddźwięk jeszcze w dalekiej przyszłości", tłumaczy prof. Richardson. "Komponenty i systemy pomiarowe o dużej wydajności są już dostępne na rynku, a zainteresowanie technologią PSA w kontekście telekomunikacji oraz powiązanych z nią zastosowań stale wzrasta. W samej Europie realizowanych jest wiele projektów finansowanych ze środków krajowych, stanowiących kontynuację naszych prac. W pozostałych częściach świata również trwają prace nad szeregiem ważnych projektów". "Projekt Phasors wywołał także duże zainteresowanie w środowisku akademickim", dodaje prof. Richardson. "Opublikowaliśmy szereg artykułów w wiodących periodykach naukowych, takich jak 'Nature Photonics', a także przedstawiliśmy publikacje napisane na podstawie naszych prac podczas kluczowych, międzynarodowych konferencji, w tym 'European Conference on Optical Communications' (ECOC 2011), która odbyła się w Genewie w Szwajcarii oraz 'Optical Fiber Communications Conference' (OFC 2012), zorganizowanej w Stanach Zjednoczonych, gdzie zaprezentowano wiele artykułów dotyczących fazoczułego przetwarzania sygnałów optycznych". Projekt Phasors uzyskał wsparcie finansowe w ramach Siódmego Programu Ramowego UE (7PR). Użyteczne odnośniki: - Strona internetowa projektu "Systemy wzmacniaczy fazoczułych i regeneratory optyczne oraz ich zastosowania" - 'Phase Sensitive Amplifier Systems and Optical Regenerators and their applications' - Informacje na temat projektu PHASORS w bazie danych CORDIS Odnośne publikacje: - "Ulepszanie globalnej transmisji danych w ramach finansowanego przez UE projektu" - 'EU-funded project improves global data transmission' - "Nowatorski, bezszumowy wzmacniacz optyczny" - 'Novel optical amplifier without the noise' - "Uczestnicy projektu PHASORS ulepszają sieci światłowodowe" - 'PHASORS improves optical communication networks' - "Uczestnicy nowego projektu tworzą podwaliny pod sieci światłowodowe następnej generacji" - 'New project paves the way for next generation optical networks' - "W pełni optyczny regenerator fazowo-amplitudowy dla systemów telekomunikacyjnych nowej generacji" - 'All-optical phase and amplitude regenerator for next-generation telecommunications systems', Nature Photonics 4, 690–695, 2010 - "Wielopoziomowa kwantyzacja fazy optycznej dzięki nowatorskiej, spójnej architekturze mieszacza parametrycznego" - 'Multilevel quantization of optical phase in a novel coherent parametric mixer architecture', Nature Photonics 5, 748–752, 2011