Частотный гребень уменьшит помехи в волоконно-оптической связи

Принцип частотного гребня позволяет увеличить мощность сигналов в 10 раз, прежде чем проявятся шумы

(иллюстрация UC San Diego).

Предварительно искажённые сигналы отпечатываются в блоке предварительного искажения данных (DPD) "частотного гребня". Информация полностью восстанавливается на выходе из оптического волокна и оказывается свободной от нелинейных перекрёстных помех

(иллюстрация UC San Diego).

Команда физиков из университета Калифорнии в Сан-Диего разработала новую методику, которая позволит существенно снизить количество помех в волоконно-оптической связи. Суть технологии заключается в адаптации сигналов таким образом, чтобы они компенсировали шумы заранее.

Разработка позволяет существенно увеличить максимальную мощность и, следовательно, расстояние, на которое могут передаваться оптические сигналы. Новое исследование может привести к модернизации существующих волоконно-оптических кабелей и стать первым шагом на пути к принципиально более быстрому Интернету.

Одним из главных преимуществ волоконно-оптической связи является то, что фотоны (частицы света) существенно не взаимодействуют друг с другом, а это значит, что по одной линии можно отправить сразу несколько сигналов. Однако по мере распространения сигнала по кабелю шумы постепенно усиливаются и создают перекрёстные помехи между сигналами.

Чтобы уменьшить перекрёстные помехи и предотвратить утрату сигнала в шумах, инженеры вынуждены отдалять сигналы друг от друга на одном канале, а расположение каналов слишком близко по частоте приводит к ограничению пропускной способности волокна.

Шумы в ходе двух основных процессов. Прежде всего, их генерируют ретрансляторы-усилители, расположенные равномерно вдоль волокна. Они используются для регенерации сигнал по мере его распространения. Если бы они были единственным источником шумов, то гипотетически можно было бы усилить мощность сигнала и убрать часть усилителей, снизив шумовой эффект (что, впрочем, осуществить не так просто).

Другой тип шума определяется тем, что в далёком от идеала диоксиде кремния создаются искажения сигналов, которые интерферируют друг с другом и вызывают перекрёстные помехи. Этот тип шума усиливается при более высоких уровнях мощности, а значит, компенсировать недостаток усилителей увеличением мощности сигнала будет нельзя.

В отличие от случайного шума от усилителей, шум от нелинейных взаимодействий является "предсказуемым". Соответственно, у инженеров появляется возможность модулировать сигналы заранее, чтобы компенсировать эти возникающие шумы. Исследователи и ранее приходили к этой идее, однако на практике ни у кого не получалось испытать подобную технологию.

"Система, как правило, имеет от 30 до 200 оптических каналов, работа каждого из которых определяется отдельным лазерным лучом. Эти лазеры отнюдь не идеальны: их частота может изменяться в определённых пределах, к тому же со временем оптические импульсы начинают "бродить" по частоте", — рассказывает ведущий автор исследования Никола Алик (Nikola Alic).

Эта неопределённость в относительных частотах каналов делает невозможным определение возможных шумов, вызванных нелинейным взаимодействием, и, следовательно, не позволяет предотвратить этот процесс.

Предварительно искажённые сигналы отпечатываются в блоке предварительного искажения данных (DPD) "частотного гребня". Информация полностью восстанавливается на выходе из оптического волокна и оказывается свободной от нелинейных перекрёстных помех
(иллюстрация UC San Diego).

Поэтому Алик и его коллеги предложили для решения проблемы использовать так называемый частотный гребень: лазер производит серию импульсов с равномерно распределёнными частотами, который сыграют роль выравнивающей линейки.

Согласно идее команды Алика, для передачи каждого канала будет использоваться один зубец гребня. Если фундаментальные частоты лазера изменятся, то все зубцы синхронно сдвинуться, а значит, относительная частота не изменится, и не произойдёт нелинейного взаимодействия.

Исследователи уже поставили опыты и испытали новую технологию на практике, посылая сигналы по трём отдельным частотным каналам по стандартному оптическому волокну на расстояние в более чем 1000 километров.

Специальный компьютерный алгоритм при этом помогал компенсировать шумы нелинейного взаимодействия. Когда три канала были заполнены оптическими сигналами от трёх отдельных лазеров, исследователи обнаружили, что, несмотря на их попытки компенсировать шумы заранее, осталось значительное количество перекрёстных помех между сигналами, и, как результат, чёткость сигнала снижалась уже при 200 микроваттах мощности каждого сигнала.

Когда же каналы работали при помощи частотного гребня, количество перекрёстных помех было снижено значительно более эффективно. Инженеры сообщают в пресс-релизе, что потенциально мощность сигналов теперь можно увеличить в 10 раз по сравнению со стандартными показателями, прежде чем проявятся стандартные шумы.

Следовательно, данная технология действительно позволит уменьшить количество усилителей и ещё сильнее уменьшить помехи, увеличив производительность оптического волокна.

Статья с результатами исследования вышла в журнале Science.