De huidige samenleving genereert steeds meer internetdataverkeer voor toepassingen als ultra high-definition video, clouddiensten en 5G mobiele verbindingen. Deze decennialange continue exponentiële groei van dataverkeer is ondersteund door optische vezels. Sjoerd van der Heide onderzocht hoe de ruimtelijke dimensie in optische en digitale transmissietechnieken kan worden gebruikt in toekomstige optische transmissieverbindingen met ultrahoge capaciteit.

Optische vezels zorgen voor een verliesarme transmissie van extreem hoge bandbreedtes over lange afstanden. Daarom bieden optische vezels tegenwoordig bijna alle dataconnectiviteit, bijvoorbeeld in trans-oceanische kabels, binnen en tussen datacenters, tussen 5G-zendmasten en in fiber to the home. Daarom zijn er nieuwe technieken nodig om deze groei in de komende decennia te ondersteunen.

Om de verkeersgroei te ondersteunen, zullen toekomstige optische transmissiesystemen orden van grootte meer gegevens moeten verzenden en tegelijkertijd de overgang naar groene netwerken met energie-efficiëntie mogelijk moeten maken. Moderne trans-oceanische glasvezelkabels kunnen 10s Terabits per seconde per glasvezelpaar verzenden. Deze datasnelheden worden mogelijk gemaakt door uitgebreide parallellisatie door middel van multiplexing van fysieke dimensies.

Ruimtelijk multiplexen

Huidige optische systemen maken gebruik van de amplitude, fase, golflengte en polarisatie van laserlicht. Slechts één fysieke dimensie wordt nog niet gebruikt:ruimte. Ruimtelijke multiplexing is vereist om toekomstige Petabit per seconde per glasvezeltransmissielinks te ondersteunen. Space-division multiplexing maakt gebruik van modi van bijvoorbeeld multi-mode optische vezels om gegevens op te moduleren, waardoor de gegevenssnelheden met een orde van grootte of meer worden verhoogd.

Om gebruik te kunnen maken van space-division multiplexing is geavanceerde digitale signaalverwerking (DSP) vereist. Licht in multimode vezels ervaart lineaire en niet-lineaire effecten en de ontvanger ziet een vervormde combinatie van de uitgezonden signalen. Dus multi-input multiple-output (MIMO) filtering, vergelijkbaar met die gebruikt in WiFi en 5G, is vereist om modusmenging in het optische vezeltransmissiekanaal te ontrafelen.

In zijn Ph.D. proefschrift ontwikkelde Van der Heide een geavanceerde digitale signaalverwerkingsketen inclusief MIMO met behulp van offline verwerking in Python voor zowel single-mode als multi-mode optische transmissieverbindingen. De digitale signaalverwerkingsketen werd gebruikt in single-mode optische transmissie-experimenten met behulp van een recirculerende vezellus.

200 Gigabit per seconde per golflengte transmissie wordt bereikt over 11.700 km glasvezel met behulp van geavanceerde vierdimensionale modulatieformaten. De digitale signaalverwerkingsketen werd ook gebruikt voor experimenten met meerdere modi, waarbij 1 Terabit per seconde per golflengte over 130 km werd uitgezonden zonder in-line optische versterkers, met behulp van de nieuwe coherente ontvanger van Kramers-Kronig.

Getest over 10.000 km

Daarnaast ontwierp en fabriceerde Van der Heide een volledig vezelmultiplexer om single-mode vezels te koppelen aan nieuwe driekernige gekoppelde kernvezels. Deze multiplexers werden vervolgens gebruikt om 172 Terabits per seconde over 2040 km te verzenden, wat overeenkomt met ongeveer 10 miljoen ultra-high-definition videostreams.

Naast geavanceerde digitale signaalverwerking, vereisen multimode glasvezelapparaten nieuwe karakteriseringstools. Van der Heide heeft een off-axis digitale holografie-opstelling ontwikkeld om optische bundels in de vrije ruimte te karakteriseren. Met behulp van een infraroodcamera en een referentiestraal om de amplitude en fase van beide polarisaties van een optische straal te meten, werd een volledige karakterisering van de fase en amplitude van het licht gebruikt om belangrijke meetgegevens te verkrijgen.

Ten slotte implementeerde hij een realtime optische ontvanger met geavanceerde digitale signaalverwerking op een commerciële standaard GPU met behulp van CUDA. De ontvanger gebruikt het nieuwe coherente detectieschema van Kramers-Kronig om signalen tot 5 Gigabit per seconde te ontvangen. Het concept is getest met behulp van een 91 km lange veldproefverbinding in Tokio, Japan en in een laboratoriumverbinding van meer dan 10.000 km lineaire transmissievezelverbinding.

Meer dan 50 publicaties

Technieken onderzocht tijdens deze Ph.D. Het project zal naar verwachting worden gebruikt in toekomstige optische transmissieverbindingen met ultrahoge capaciteit. Het onderzoek werd uitgevoerd in het High-Capacity Optical Transmission Laboratory van de Technische Universiteit Eindhoven en culmineerde in meer dan 50 publicaties, die twee studentenpaper awards, een best paper award en een Nokia Bell Labs Innovation Project Award ontvingen.

Een deel van het onderzoek is uitgevoerd in samenwerking met internationale partners tijdens twee onderzoeksstages bij Nokia Bell Labs in Holmdel, New Jersey, VS, en bij het National Institute of Information and Communications Technology (NICT) in Tokyo, Japan.

Sjoerd van der Heide verdedigt op 21 april zijn proefschrift getiteld Space-division multiplexed optische transmissie mogelijk gemaakt door geavanceerde digitale signaalverwerking. + Verder verkennen

's Werelds eerste transmissie van 1 Petabit/s met behulp van een single-core multimode optische vezel