DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-024-51682-2
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39231961
تاريخ النشر: 2024-09-04
المؤلف: Santiago Bernal وآخرون
الموضوع الرئيسي: تكنولوجيا الليزر الألياف المتقدمة
الطرق
يصف قسم الطرق إعدادين تجريبيين لاختبار أنظمة النقل البصري باستخدام ليزر النقاط الكمومية المقفلة بالوضع (QD-MLLs) ومكونات بصرية متنوعة. يتضمن الإعداد التجريبي المتماسك جهاز إرسال (Tx) يستخدم QD-MLL متصلًا بفلتر تمرير نطاق قابل للتعديل بصريًا (TBF) لمحاكاة التعدد والإلغاء للتداخلات. يتم تشكيل الإشارة باستخدام فلتر جذر كوزين مرفوع (RRC) ويتم تضخيمها بواسطة مكبر ألياف مشبع بالبراسيوديميوم (PDFA) لتعويض خسائر الإدخال. يتم استخدام معدل IQ من ليثيوم نوبات رقيق الفيلم (TFLN) للتعديل، مع تحيز يدوي لتحسين الأداء على الرغم من الأخطاء المحتملة في التحيز. يتم نقل الإشارة عبر 10 كم من الألياف أحادية الوضع (SMF) ومعالجتها عند المستقبل باستخدام هجين بصري ثنائي الاستقطاب وموازن متعدد المدخلات متعدد المخرجات (MIMO) في مجال الزمن لتصحيح التشتت اللوني والانحرافات الترددية.
يبسط الإعداد التجريبي IMDD النظام المتماسك عن طريق إزالة محاكي الاستقطاب الثنائي والهجين البصري، مع التركيز على تعديل الكتلة لعدة تداخلات. لا يزال Tx يستخدم QD-MLL وTBF، مع عرض نطاق محدد للسماح بالتعديل المتزامن لثلاث تداخلات. يتم تضخيم الإشارة ونقلها عبر نفس 10 كم من SMF، مع TBF ثاني عند المستقبل يعمل كمفكك لتخفيف تأثيرات القنوات المجاورة. تخضع الإشارة المستلمة لمعالجة إشارة رقمية خارج الخط (DSP) تتضمن إعادة أخذ العينات وموازن تغذية أمامية (FFE) لحساب معدل خطأ البت (BER). يبرز كلا الإعدادين أهمية تشكيل الإشارة بعناية، والتضخيم، والموازنة لتحقيق نقل بصري فعال.
النتائج
تشير النتائج إلى أن تداخلات التردد البصري، وخاصة ليزر النقاط الكمومية المقفلة بالوضع (QD-MLLs)، تمثل بديلاً واعدًا لمصادر الليزر التقليدية لنقل البيانات في البيئات الغنية بالألياف، مثل مراكز البيانات الداخلية (DCIs). تظهر QD-MLLs كفاءة عالية في تحويل الطاقة واستقرار، مما يجعلها مناسبة لتطبيقات تمديد الوقت بتردد بصري متماسك (OFTS). بالمقارنة مع التداخلات المعتمدة على السوليتون، تركز QD-MLLs الطاقة البصرية ضمن عرض نطاق محدود، وهو ما يعد ميزة لتقليل التشتت اللوني واللاخطية في الألياف. يبرز البحث أن QD-MLLs يمكن أن تحقق كفاءة توصيل جدارية أحادية الجانب (WPE) تبلغ حوالي 7% مع تكوين تداخل مكون من 20 خطًا، بينما تظهر تداخلات السوليتون كفاءات أعلى (40-66%) ولكن غالبًا ما تتطلب مراعاة طاقة ليزر الضخ لتقييمات دقيقة للكفاءة.
تظهر النتائج التجريبية أنه من خلال ضبط معلمات مثل تيار القيادة وجهد تحيز الممتص (SA)، يمكن تحسين أداء QD-MLLs. على وجه التحديد، أنتج QD-MLL الذي يعمل عند 160 مللي أمبير، 2.2 فولت، و42 درجة مئوية 28 خطًا بعرض نطاق ~10 كيلو هرتز وأقل طاقة لكل خط تبلغ -3 ديسيبل. تم التحقق من خصائص ضوضاء الطور لـ QD-MLL، مما يؤكد ملاءمته للاستخدام كحامل ومذبذب محلي (LO). تم قياس معدل كبح الوضع الجانبي (RSMS) لليزر التداخل عند 12.5 ديسيبل/نانومتر للأطوال الموجية غير المستخدمة، مما يدل على استخدام فعال للطاقة. بشكل عام، يتم وضع QD-MLLs كحل تنافسي للنقل قصير المدى، متفوقة على المصادر التقليدية مثل ليزر التجويف الخارجي (ECLs) وليزر التغذية المرتدة الموزعة (DFBs) من حيث مقاييس الأداء.
المناقشة
ت outlines قسم المناقشة في ورقة البحث الحالة الحالية وآفاق المستقبل لأنظمة نقل الألياف البصرية (OFTS) لربط مراكز البيانات (DCI)، مع التركيز بشكل خاص على تقنيات النقل المباشر للكشف عن التعديل بالحدة (IMDD) والنقل المتماسك. حاليًا، تعمل أنظمة IMDD عند 400/800 جيجابت في الثانية باستخدام نطاق O و تقسيم الطول الموجي الخشن (CWDM)، بينما تتقدم الأنظمة المتماسكة نحو قدرات 1.6 تيرابت في الثانية، مع توقعات بتنفيذ تجاري في 2023/2024. تبرز الورقة قيود قابلية توسيع IMDD بسبب التشتت اللوني، مما يتطلب زيادة في التوازي المكاني أو عدد الأطوال الموجية التي تصبح غير عملية بعد عتبات معينة. بالمقابل، يمكن للأنظمة المتماسكة تحقيق سعات أعلى من خلال تحسين معدل البود وتنسيق التعديل، على الرغم من أن التحديات لا تزال قائمة من حيث كفاءة الطاقة والتعقيد.
يقدم المؤلفون نتائج تجريبية توضح فعالية OFTS المتماسك القائم على التداخل باستخدام ليزر النقاط الكمومية المقفلة بالوضع (QD-MLLs) عبر 10 كم من الألياف أحادية الوضع (SMF). حققوا معدلات بيانات كبيرة، مع سعات صافية تبلغ 10.15 تيرابت في الثانية و12.14 تيرابت في الثانية باستخدام 26 خطًا عند 56 جيجابود مع DP-16QAM وDP-32QAM، على التوالي. تشير النتائج إلى أن الأنظمة المتماسكة تظهر أداءً متفوقًا من حيث العقوبات غير الخطية مقارنة بأنظمة IMDD، خاصة تحت ظروف طاقة إدخال عالية. تناقش الورقة أيضًا مزايا استخدام تكوينات نطاق O، التي تبسط متطلبات معالجة الإشارة الرقمية (DSP) وتقلل من استهلاك الطاقة من خلال القضاء على الحاجة إلى تعويض التشتت اللوني. بشكل عام، تؤكد الأبحاث على إمكانيات التقنيات المتماسكة القائمة على التداخل من أجل بنى DCIs من الجيل التالي، مع معالجة التبادلات بين نهج IMDD والمتماسك من حيث السعة، والتعقيد، وكفاءة الطاقة.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-024-51682-2
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39231961
Publication Date: 2024-09-04
Author(s): Santiago Bernal et al.
Primary Topic: Advanced Fiber Laser Technologies
Methods
The methods section describes two experimental setups for testing optical transmission systems using quantum dot mode-locked lasers (QD-MLLs) and various optical components. The coherent experimental setup involves a transmitter (Tx) utilizing a QD-MLL connected to an optical tunable bandpass filter (TBF) to emulate multiplexing and demultiplexing of comb lines. The signal is shaped using a root raised cosine (RRC) filter and amplified by a praseodymium-doped fiber amplifier (PDFA) to compensate for insertion losses. A thin-film lithium niobate (TFLN) IQ modulator is employed for modulation, with manual biasing to optimize performance despite potential bias errors. The signal is transmitted over 10 km of single-mode fiber (SMF) and processed at the receiver using a dual-polarization optical hybrid and a time-domain multiple-input multiple-output (MIMO) equalizer to correct for chromatic dispersion and frequency offsets.
The IMDD experimental setup simplifies the coherent system by removing the dual-polarization emulator and optical hybrid, focusing on bulk modulation of multiple comb lines. The Tx still utilizes a QD-MLL and TBF, with a bandwidth set to allow simultaneous modulation of three comb lines. The signal is amplified and transmitted over the same 10 km of SMF, with a second TBF at the receiver acting as a demultiplexer to mitigate neighboring channel effects. The received signal undergoes offline digital signal processing (DSP) involving resampling and a feed-forward equalizer (FFE) to calculate the bit error rate (BER). Both setups highlight the importance of careful signal shaping, amplification, and equalization in achieving effective optical transmission.
Results
The results indicate that optical frequency combs, particularly quantum dot mode-locked lasers (QD-MLLs), present a promising alternative to traditional laser sources for data transmission in fiber-rich environments, such as intra-data centers (DCIs). QD-MLLs demonstrate high power conversion efficiency and stability, making them suitable for coherent optical frequency time-stretch (OFTS) applications. In contrast to soliton-based combs, QD-MLLs concentrate optical power within a limited bandwidth, which is advantageous for minimizing chromatic dispersion and fiber non-linearities. The study highlights that QD-MLLs can achieve a single-sided wall plug efficiency (WPE) of approximately 7% with a 20-line comb configuration, while soliton combs exhibit higher efficiencies (40-66%) but often require consideration of pump laser power for accurate efficiency assessments.
Experimental results show that by adjusting parameters such as driving current and saturation absorber (SA) bias voltage, the performance of QD-MLLs can be optimized. Specifically, the QD-MLL operated at 160 mA, 2.2 V, and 42 °C produced 28 lines with a ~10 kHz linewidth and a minimum power per line of -3 dBm. The phase noise characteristics of the QD-MLL were validated, confirming its suitability for use as both a carrier and local oscillator (LO). The Rate of Side Mode Suppression (RSMS) for the comb laser was measured at 12.5 dB/nm for unused wavelengths, indicating efficient power utilization. Overall, QD-MLLs are positioned as a competitive solution for short-reach transmission, outperforming traditional sources like external cavity lasers (ECLs) and distributed feedback lasers (DFBs) in terms of performance metrics.
Discussion
The discussion section of the research paper outlines the current state and future prospects of optical fiber transmission systems (OFTS) for data center interconnects (DCI), particularly focusing on intensity-modulated direct-detection (IMDD) and coherent transmission technologies. Presently, IMDD systems operate at 400/800 Gbps using O-band and coarse wavelength division multiplexing (CWDM), while coherent systems are advancing towards 1.6 Tbps capabilities, with commercial implementations expected in 2023/2024. The paper highlights the limitations of IMDD scalability due to chromatic dispersion, which necessitates increased spatial parallelism or wavelength counts that become impractical beyond certain thresholds. In contrast, coherent systems can achieve higher capacities through baud rate and modulation format enhancements, although challenges remain in terms of power efficiency and complexity.
The authors present experimental results demonstrating the effectiveness of a comb-based coherent OFTS using quantum dot mode-locked lasers (QD-MLLs) over a 10 km single-mode fiber (SMF). They achieved significant data rates, with net capacities of 10.15 Tbps and 12.14 Tbps using 26 lines at 56 Gbaud with DP-16QAM and DP-32QAM, respectively. The findings indicate that coherent systems exhibit superior performance in terms of nonlinear penalties compared to IMDD systems, particularly under high input power conditions. The paper also discusses the advantages of using O-band configurations, which simplify digital signal processing (DSP) requirements and reduce power consumption by eliminating the need for chromatic dispersion compensation. Overall, the research underscores the potential of comb-based coherent technologies for next-generation DCI architectures, while also addressing the trade-offs between IMDD and coherent approaches in terms of capacity, complexity, and power efficiency.