اولین انتقال ۱ پتابیت بر ثانیه با استفاده از فیبر نوری چندحالته تک‌هسته‌ای

گروهی از محققان موسسه تحقیقات سیستم شبکه موسسه ملی فناوری اطلاعات و ارتباطات (NICT، ژاپن) به رهبری گئورگ رادماخر، NOKIA Bell Labs (آزمایشگاه‌های بل، ایالات‌متحده) به سرپرستی نیکلاس ک. فونتین و گروه Prysimian (Prysimian، فرانسه) به رهبری پیر سیلارد موفق شدند اولین انتقال فیبر نوری چندحالته تک‌هسته‌ای بیش از ۱ پتابیت در ثانیه را انجام شود.

این انتقال جریان را در یک فیبر چندحالته را تا ۲.۵ برابر افزایش می‌دهد. تا به امروز، آزمایشات انتقال فیبرهای نوری که در حالت‌های مختلفی انجام شده است به پهنای باند نوری کوچک محدود می‌شد. اما در پژوهش جدید، امکان ترکیب انتقال نوری باند پهن بسیار کارآمد طیفی، با یک فیبر نوری ۱۵ حالته فراهم شده است. این امر توسط مالتی پلکسرهای حالت و یک فیبر نوری که از انتقال باند بیش از ۸۰ نانومتر در مسافت ۲۳ کیلومتر پشتیبانی می‌کند، شکل گرفته است. این مطالعه پتانسیل زیادی از فیبرهای چندحالته تک‌هسته‌ای با هدف انتقال ظرفیت بالا با استفاده از فرآیندهای تولید فیبرهای استاندارد چندحالته را نشان می‌دهد.

تراکم سیگنال به کمک فیبر نوری چندحالته

طی دهه گذشته، در سراسر جهان تحقیقات فشرده‌ای برای افزایش نرخ داده‌ها در سیستم‌های انتقال نوری با استفاده از مالتی پلکسینگ تقسیم فضا به منظور جبران نیازهای انتقال داده با افزایش تصاعدی انجام شده است. در مقایسه با فیبرهای نوری چندهسته‌ای، فیبر نوری چند حالته می‌توانند از تراکم سیگنال فضایی بالاتری پشتیبانی کند و ساخت آن آسان‌تر است. بااین‌حال، استفاده از فیبرهای چندحالته برای انتقال چندمنظوره تقسیم فضا با ظرفیت بالا، نیاز به استفاده از پردازش سیگنال دیجیتال محاسباتی دارد. این نیازها با افزایش تعداد حالت‌های انتقال، افزایش می‌یابد و از طرفی تحقق سیستم‌های انتقال که از تعداد زیادی حالت فیبر پشتیبانی می‌کنند، یک زمینه فعال تحقیقاتی را فراهم می‌کند.

روش اجرایی طرح

در NICT، یک آزمایش انتقال، طراحی و اجرا شد که از فیبر انتقال ساخته شده توسط Prysmian و مالتی پلکسرهای حالت به کار گرفته شده توسط آزمایشگاه‌های بل استفاده کرد. یک زیرسیستم گیرنده باند پهن در NICT برای انتقال و دریافت چند صد کانال WDM کارآمد طیفی باکیفیت سیگنال بالا ایجاد شد. روش عملکرد مالتی پلکسرهای حالت جدید، مبتنی بر یک فرآیند تبدیل نور چندصفحه‌ای بود که در آن نور ۱۵ عدد از فیبرهای ورودی، چندین بار روی صفحه فاز منعکس می‌شد تا با حالت‌های فیبر انتقال مطابقت داشته باشد. فیبرهای انتقال ۲۳ کیلومتر طول داشت و دارای طرح شاخص درجه‌بندی‌شده بود. این روش بر اساس طرح‌های موجود فیبر نوری چندحالته بود که در طرح جدید، برای عملکرد باند پهن بهینه شده بودند و دارای قطر روکش ۰.۱۲۵ میلی‌متر و قطر پوشش ۰.۲۴۵ میلی‌متر و مطابق با استاندارد فعلی صنعت بودند. این سیستم انتقال، اولین انتقال بیش از ۱ پتابیت در ثانیه را در یک فیبر چندحالته نشان می‌دهد که ضریب جریان را ۲.۵ برابر افزایش می‌دهد.

امکان انتقال با ظرفیت بزرگ با استفاده از فیبر نوری چندحالته

هنگام افزایش تعداد حالت‌ها در سیستم انتقال فیبر چندحالته، پیچیدگی محاسباتی پردازش سیگنال دیجیتال MIMO موردنیاز را افزایش می‌یابد. بااین‌حال، فیبر انتقال استفاده‌شده دارای تأخیر معین کمی است که پیچیدگی MIMO را ساده می‌کند و این اتفاق تأخیر مود کم را روی یک پهنای باند بزرگ نوری حفظ می‌کند. در نتیجه، ما می­توانیم انتقال ۳۸۲ کانال طول موج را نشان دهیم که هر کدام با سیگنال‌های ۶۴-QAM مدوله شده‌اند. انتظار می‌رود در آینده، در انتقال با ظرفیت بزرگ با استفاده از فیبر نوری چند حالته تک‌هسته‌ای موفقیت حاصل شود. این روش که دارای تراکم سیگنال فضایی بالا و فناوری ساخت آسان است، می‌تواند تکنولوژی انتقال چندحالته را برای سیستم‌های انتقال نوری با ظرفیت زیاد ارتقا دهد.

تحریف سیگنال در فیبر نوری چندحالته

در فیبر نوری چند حالته به دلیل بزرگی هسته در مسیرهای طولانی، ممکن است برخی از اشعه‌ نوری که امواج دیجیتال را تشکیل می‌دهند یک مسیر مستقیم را طی کنند، درحالی‌که برخی دیگر دچار پرش از روی روکش شوند. این مسیرهای جایگزین باعث می‌شود که گروه‌های مختلف پرتوهای نور که به آن‌ها حالت گفته می‌شود، به طور جداگانه به نقطه مقصد برسند. در این وضعیت، مجموع حالت‌های مختلف، شروع به گسترش می‌کند و در نهایت شکل مشخص خود را از دست می‌دهد. از طرفی نیاز به ایجاد فاصله بین پالس‌ها برای جلوگیری از همپوشانی، میزان اطلاعات قابل ارسال را محدود می‌کند. بنابراین این نوع از فیبرهای نوری تنها برای انتقال در فواصل کوتاه مناسب هستند.

فیبر چندحالته درجه‌بندی‌شده

فیبر نوری چندحالته درجه‌بندی‌شده، شامل هسته‌ای است که در آن ضریب شکست به تدریج از محور مرکزی به سمت روکش کاسته می‌شود. ضریب شکست بالاتر در مرکز باعث می‌شود که پرتوهای نوری که به سمت پایین محور حرکت می‌کنند با سرعت کمتری نسبت به نزدیک روکش جلو بروند. با توجه به شاخص درجه‌بندی‌شده، نور در هسته به جای چرخش زیگزاگ، به صورت مارپیچی منحنی می‌شود و فاصله مسیر آن را کاهش می‌دهد. مسیر کوتاه شده و سرعت بالاتر باعث می‌شود نور در حاشیه تقریباً هم‌زمان با اشعه‌ کم‌سرعت در محور هسته به گیرنده برسد. در نتیجه پالس دیجیتال از پراکندگی کمتری برخوردار می‌شود.

مزیت‌های فیبرهای نوری چندحالته

وقتی می‌خواهید کابل‌های فیبر نوری را در فواصل کمتری نصب کنید، کابل‌های فیبر چندحالته بهترین راه‌حل هستند. عملکرد و همچنین نصب و نگهداری فیبر نوری چند حالته نسبت به کابل‌های فیبر تک‌حالته هزینه کمتری دارد و علاوه بر این، سرعت و پهنای باند بالا در فواصل کمتر را فراهم می‌کنند. از فیبرهای نوری چندحالته اغلب در برنامه‌های انتقال داده‌های صوتی و تصویری در شبکه‌های محلی استفاده می‌شود و طیف وسیعی از کابل‌های چندحالته را در خود ذخیره می‌کند. در فیبرهای چندحالته تراکم اتصالات تا ۴۰% افزایش می‌یابد و فرصتی برای کاهش فضای اشغال شده فراهم می‌کند. کابل چندحالته دارای یک هسته با قطر بزرگ است که اجازه می‌دهد چندین حالت نور از آن عبور کند. این بدان معنی است که امکان انتقال انواع بیشتری از داده‌ها فراهم می‌شود.

چشم‌انداز فیبر نوری چندحالته

در آینده، قرار است امکان افزایش انتقال قدرت چندحالته با ظرفیت بزرگ و ادغام آن با فناوری چندهسته‌ای برای ایجاد پایه و اساس فناوری انتقال نوری با ظرفیت بالا در اولویت پژوهش‌های پیش رو باشد. مقاله نتایج این آزمایش، در چهل و چهارمین کنفرانس اروپایی ارتباط نوری (ECOC2020، ششم دسامبر ۲۰۲۰) منتشر شد که یکی از بزرگ‌ترین کنفرانس‌های بین‌المللی مربوط به ارتباطات فیبر نوری است.