Независимо от того, сражаетесь ли вы с врагами на виртуальной арене или сотрудничаете с коллегами по всему миру, сбои, вызванные задержками, могут стать серьезным препятствием для бесперебойного общения и погружения в процесс.

Вот почему исследователи из Колледжа оптики и фотоники Университета Центральной Флориды (CREOL) и Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе разработали новую технологию, позволяющую ускорить и повысить эффективность передачи данных по оптоволоконной связи.

Их новая разработка, новый класс оптических модуляторов, подробно описана в новом исследовании, опубликованном недавно в журнале Nature Communications. Модуляторы можно рассматривать как нечто вроде выключателя света, который управляет определенными свойствами света, несущего данные, в оптической системе связи.

«Передавая потоки данных между интернет-узлами и соединяя серверы, элементы хранения и коммутаторы внутри центров обработки данных, оптоволоконная связь является основой, на которой построен цифровой мир», — говорит Сасан Фатпур, соавтор исследования и профессор CREOL. «Основные компоненты таких линий связи — оптическое волокно, полупроводниковый лазер, оптический модулятор и фотоприемник — все это накладывает ограничения на полосу пропускания и точность передачи данных».

Фатпур говорит, что, в частности, рассеивание оптических волокон, или искажение сигнала на больших расстояниях, и шум полупроводниковых лазеров, или нежелательные помехи сигналу, являются двумя фундаментальными ограничениями систем оптической связи и обработки сигналов, которые влияют на передачу данных и надежность.

Он говорит, что в результате их исследований был изобретен уникальный класс оптических модуляторов, которые одновременно устраняют оба ограничения, используя преимущества фазового разнесения, или изменения синхронизации сигналов, и дифференциальных операций, или сравнения световых сигналов.

Таким образом, исследователи создали усовершенствованный «выключатель света», который не только управляет передачей данных, но и делает это, сравнивая объем и время прохождения данных через систему, чтобы обеспечить точную и эффективную передачу.

«Схема, получившая название четырехфазных электрооптических модуляторов, продемонстрирована на тонкопленочном ниобате лития, который представляет собой ультракомпактную платформу для интегрированных фотонных приложений, включая оптическую связь», — говорит Фатхпур.

По его словам, концепции фазового разнесения и дифференциальной работы существовали до этого исследования и были изучены командой Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе.

«Проблема в том, что готовые оптические компоненты и существующие архитектуры модуляторов не способны выполнять эти две операции одновременно», — говорит Фатхпур. «Компактность тонкопленочной платформы из ниобата лития позволяет плотно интегрировать несколько компонентов на одном маленьком чипе и помогла сформировать концепцию четырехфазных электрооптических модуляторов».

Бахрам Джалали, заслуженный профессор и заведующий кафедрой инженерии Fang Lu на факультете электротехники и вычислительной техники Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе, говорит, что концепция возникла в результате 25-летних исследований приборов с растягиванием времени, оптической технологии замедленной съемки, которая считается наиболее эффективным методом для съемки сверхбыстрых событий одним кадром.

«Технология растягивания времени, изобретенная в Калифорнийском университете в Лос-Анджелесе в 1990-х годах, привела к таким прорывам, как создание самых быстрых в мире спектрометров, камер, лидаров, велосиметров, осциллографов и многого другого, что в конечном итоге привело к обнаружению оптических блуждающих волн и внедрению инновационных микроскопов для скрининга крови, среди других достижений», — говорит Джалали. «Эта новая архитектура электрооптического модулятора стала кульминацией стремления создать усовершенствованные методы кодирования сверхбыстрых данных в лазерный луч, позволяющие использовать приборы с большой пропускной способностью и высокой чувствительностью».
Как проводилось исследование

Четырехфазный электрооптический модулятор был проанализирован в контексте системы с временным интервалом, используемой для анализа обработки сигналов, и была разработана комплексная аналитическая модель, объясняющая его работу. Технология также была оптимизирована для обеспечения электрооптической полосы пропускания и эффективности модуляции с использованием инструментов моделирования для точной настройки.

Также было изучено применение четырехфазного электрооптического модулятора в оптической связи. Было показано, что четырехфазный электрооптический модулятор может устранять синфазный шум и дисперсию, а результаты моделирования продемонстрировали его способность улучшать качество сигнала и экономию мощности в системах оптической связи.

Эхсан Ордуи, доктор философии, был докторантом в области оптики и фотоники, когда проводилось исследование, и является ведущим автором исследования. Он работал над математическим моделированием, имитацией устройств, проектированием микросхем, изготовлением и многим другим.

Он говорит, что инновационное устройство обеспечивает как фазовое разнесение, так и дифференциальные операции на одной фотонной интегральной схеме, тем самым устраняя штраф за дисперсию, или ухудшение качества сигнала, и шум в оптических линиях связи.

«Наши эксперименты демонстрируют, что такой подход устраняет присущие частотной характеристике нулевые значения, что является значительным достижением для фотонных систем с растягиванием во времени и когерентных оптических систем связи», — говорит Ордуи.

«Хотя предлагаемый модулятор является более сложным, чем стандартные, что приводит к увеличению размера микросхемы и потенциально снижению производительности изготовления, мы считаем, что преимущества фазового разнесения и дифференциальных операций оправдывают дополнительную сложность. Этот прорыв представляет собой заметный прогресс в практической реализации фотонных систем и открывает новые возможности для более быстрой и эффективной передачи и сбора данных».

Соавторами исследования также были Тяньвэй Цзян и Тиньи Чжоу из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе; докторанты Калифорнийского университета в области оптики и фотоники Фарзане Джунегани и Махди Эшаги; и бывший аспирант-исследователь Милад Вазимали, доктор философии.