A sociedade atual gera cada vez mais tráfego de dados na Internet para aplicativos como vídeo de ultra-alta definição, serviços em nuvem e conexões móveis 5G. Esse crescimento exponencial contínuo de décadas de tráfego de dados foi sustentado por fibras ópticas. Sjoerd van der Heide explorou como a dimensão espacial nas técnicas de transmissão óptica e digital pode ser usada em futuros links de transmissão óptica de capacidade ultra-alta.
As fibras ópticas permitem a transmissão de baixa perda de larguras de banda extremamente altas em longas distâncias. Portanto, as fibras ópticas hoje em dia fornecem quase toda a conectividade de dados, por exemplo, em cabos transoceânicos, dentro e entre data centers, entre torres de celular 5G e em fibra para casa. Consequentemente, novas técnicas para sustentar esse crescimento nas próximas décadas são necessárias.

Para suportar o crescimento do tráfego, os futuros sistemas de transmissão óptica terão que transmitir ordens de magnitude mais dados e, ao mesmo tempo, permitir a transição para redes verdes de eficiência energética. Os cabos de fibra óptica transoceânicos modernos podem transmitir 10s de Terabits por segundo por par de fibra. Essas taxas de dados são habilitadas por extensa paralelização por meio da multiplexação de dimensões físicas.

Multiplexação espacial

Os sistemas ópticos atuais exploram a amplitude, fase, comprimento de onda e polarização da luz do laser. Apenas uma dimensão física ainda não é utilizada:o espaço. A multiplexação espacial é necessária para suportar futuros links de transmissão Petabit por segundo por fibra óptica. A multiplexação por divisão de espaço usa modos de, por exemplo, fibras ópticas multimodo para modular os dados, aumentando as taxas de dados em uma ordem de magnitude ou mais.

Para que a multiplexação por divisão de espaço seja explorada, é necessário um processamento de sinal digital avançado (DSP). A luz em fibras multimodo experimenta efeitos lineares e não lineares e o receptor vê uma combinação embaralhada dos sinais transmitidos. Assim, a filtragem de múltiplas entradas e saídas múltiplas (MIMO), semelhante à usada em WiFi e 5G, é necessária para desvendar o modo de mixagem no canal de transmissão de fibra óptica.

Em seu Ph.D. tese, Van der Heide desenvolveu uma cadeia de processamento de sinal digital avançada, incluindo MIMO usando processamento offline em Python para links de transmissão óptica de modo único e multimodo. A cadeia de processamento de sinal digital foi usada em experimentos de transmissão óptica monomodo usando um loop de fibra recirculante.

A transmissão de 200 Gigabits por segundo por comprimento de onda é alcançada em 11.700 km de fibra usando formatos avançados de modulação em quatro dimensões. A cadeia de processamento de sinal digital também foi usada para experimentos multimodo, transmitindo 1 Terabit por segundo por comprimento de onda ao longo de 130 km sem amplificadores ópticos em linha, usando o novo receptor coerente Kramers-Kronig.

Testado em mais de 10.000 km

Além disso, Van der Heide projetou e fabricou um multiplexador totalmente em fibra para fazer a interface de fibras monomodo com novas fibras de núcleo acoplado de três núcleos. Esses multiplexadores foram então usados ​​para transmitir 172 Terabits por segundo em 2.040 km, o que equivale a aproximadamente 10 milhões de streams de vídeo de ultra-alta definição.

Além do processamento de sinal digital avançado, os dispositivos de fibra multimodo requerem novas ferramentas de caracterização. Uma configuração de holografia digital fora do eixo foi desenvolvida por Van der Heide para caracterizar feixes ópticos de espaço livre. Usando uma câmera infravermelha e um feixe de referência para medir a amplitude e a fase de ambas as polarizações de um feixe óptico, uma caracterização completa da fase e amplitude da luz foi usada para obter as principais métricas.

Finalmente, ele implementou um receptor óptico em tempo real com processamento de sinal digital avançado em uma GPU comercial de prateleira usando CUDA. O receptor usa o novo esquema de detecção coerente Kramers-Kronig para receber sinais de até 5 Gigabits por segundo. O conceito é testado usando um link de teste de campo de 91 km de extensão em Tóquio, Japão e em um link de laboratório com mais de 10.000 km de link de fibra de transmissão em linha reta.

Mais de 50 publicações

Técnicas investigadas durante este doutorado. espera-se que o projeto seja usado em futuros links de transmissão óptica de ultra-alta capacidade. A pesquisa foi realizada no Laboratório de Transmissão Óptica de Alta Capacidade da Universidade de Tecnologia de Eindhoven e culminou em mais de 50 publicações, recebendo dois prêmios de trabalhos estudantis, um prêmio de melhor artigo e um Prêmio de Projeto de Inovação do Nokia Bell Labs.

Parte da pesquisa foi realizada em colaboração com parceiros internacionais durante dois estágios de pesquisa no Nokia Bell Labs em Holmdel, Nova Jersey, EUA, e no Instituto Nacional de Tecnologia da Informação e Comunicação (NICT) em Tóquio, Japão.

Sjoerd van der Heide defende sua tese de doutorado intitulada Transmissão óptica multiplexada por divisão de espaço habilitada por processamento digital avançado de sinais em 21 de abril. + Explorar mais

Primeira transmissão do mundo de 1 Petabit/s usando uma fibra óptica multimodo de núcleo único