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La società odierna genera sempre più traffico dati Internet per applicazioni come video ad altissima definizione, servizi cloud e connessioni mobili 5G. Questa crescita esponenziale continua decennale del traffico dati è stata sostenuta dalle fibre ottiche. Sjoerd van der Heide ha esplorato come la dimensione spaziale nelle tecniche di trasmissione ottica e digitale possa essere utilizzata nei futuri collegamenti di trasmissione ottica ad altissima capacità.
Le fibre ottiche consentono la trasmissione a bassa perdita di larghezze di banda estremamente elevate su lunghe distanze. Pertanto, le fibre ottiche oggigiorno forniscono quasi tutta la connettività dati, ad esempio nei cavi transoceanici, all'interno e tra i data center, tra le torri cellulari 5G e in fibra verso la casa. Di conseguenza, sono necessarie nuove tecniche per sostenere questa crescita nei decenni a venire.
Per supportare la crescita del traffico, i futuri sistemi di trasmissione ottica dovranno trasmettere ordini di grandezza in più di dati e allo stesso tempo consentire la transizione verso reti verdi di efficienza energetica. I moderni cavi in fibra ottica transoceanici possono trasmettere 10 terabit al secondo per coppia di fibre. Queste velocità di trasmissione dati sono abilitate da un'ampia parallelizzazione tramite multiplexing di dimensioni fisiche.
Multiplexing spaziale
Gli attuali sistemi ottici sfruttano l'ampiezza, la fase, la lunghezza d'onda e la polarizzazione della luce laser. Una sola dimensione fisica non è ancora utilizzata:lo spazio. Il multiplexing spaziale è necessario per supportare futuri collegamenti di trasmissione Petabit al secondo per fibra ottica. Il multiplexing a divisione di spazio utilizza modalità, ad esempio fibre ottiche multimodali, per modulare i dati, aumentando la velocità dei dati di un ordine di grandezza o più.
Per sfruttare il multiplexing a divisione di spazio, è necessaria un'elaborazione avanzata del segnale digitale (DSP). La luce nelle fibre multimodali sperimenta effetti lineari e non lineari e il ricevitore vede una combinazione confusa dei segnali trasmessi. Pertanto, per svelare la modalità di miscelazione nel canale di trasmissione della fibra ottica è necessario un filtro MIMO (multiple-input multiple-output), simile a quello utilizzato in Wi-Fi e 5G.
Nel suo dottorato di ricerca tesi, Van der Heide ha sviluppato una catena di elaborazione del segnale digitale avanzata che include MIMO utilizzando l'elaborazione offline in Python per collegamenti di trasmissione ottica sia monomodale che multimodale. La catena di elaborazione del segnale digitale è stata utilizzata in esperimenti di trasmissione ottica monomodale utilizzando un anello di fibra a ricircolo.
La trasmissione di 200 Gigabit al secondo per lunghezza d'onda viene raggiunta su 11.700 km di fibra utilizzando formati di modulazione quadridimensionali avanzati. La catena di elaborazione del segnale digitale è stata utilizzata anche per esperimenti multimodali, trasmettendo 1 Terabit al secondo per lunghezza d'onda su 130 km senza amplificatori ottici in linea, utilizzando il nuovo ricevitore coerente Kramers-Kronig.
Testato su oltre 10.000 km
Inoltre, Van der Heide ha progettato e fabbricato un multiplexer interamente in fibra per interfacciare le fibre monomodali con le nuove fibre centrali accoppiate a tre core. Questi multiplexer sono stati quindi utilizzati per trasmettere 172 terabit al secondo su 2040 km, che equivalgono a circa 10 milioni di flussi video ad altissima definizione.
Oltre all'elaborazione avanzata del segnale digitale, i dispositivi in fibra multimodale richiedono nuovi strumenti di caratterizzazione. Van der Heide ha sviluppato un'impostazione olografia digitale fuori asse per caratterizzare i fasci ottici dello spazio libero. Utilizzando una telecamera a infrarossi e un raggio di riferimento per misurare l'ampiezza e la fase di entrambe le polarizzazioni di un raggio ottico, è stata utilizzata una caratterizzazione completa della fase e dell'ampiezza della luce per ottenere metriche chiave.
Infine, ha implementato un ricevitore ottico in tempo reale con elaborazione avanzata del segnale digitale su una GPU commerciale standard utilizzando CUDA. Il ricevitore utilizza il nuovo schema di rilevamento coerente Kramers-Kronig per ricevere segnali fino a 5 Gigabit al secondo. Il concetto è testato utilizzando un collegamento di prova sul campo lungo 91 km a Tokyo, in Giappone, e in un collegamento di laboratorio di oltre 10.000 km di collegamento in fibra di trasmissione in linea retta.
Più di 50 pubblicazioni
Tecniche studiate durante questo dottorato. progetto dovrebbe essere utilizzato in futuri collegamenti di trasmissione ottica ad altissima capacità. La ricerca è stata condotta presso l'High-Capacity Optical Transmission Laboratory presso la Eindhoven University of Technology ed è culminata in più di 50 pubblicazioni, ricevendo due premi per le carte degli studenti, un premio per la migliore carta e un Nokia Bell Labs Innovation Project Award.
Parte della ricerca è stata condotta in collaborazione con partner internazionali durante due stage di ricerca presso i Nokia Bell Labs di Holmdel, New Jersey, Stati Uniti, e presso il National Institute of Information and Communications Technology (NICT) a Tokyo, in Giappone.
Sjoerd van der Heide difende la sua tesi di dottorato intitolata Trasmissione ottica multiplex a divisione dello spazio abilitata dall'elaborazione avanzata del segnale digitale il 21 aprile. + Esplora ulteriormente
