“网速”新世界纪录：每秒44.2Tb
原创 长光所Light中心 中国光学
封面图来源：Reuters
撰稿 | 李阳
01
导读
由于新冠病毒的影响，世界各地的隔离使得人们更加依赖网络来进行交流、工作、学习和娱乐。但随着远程工作、视频会议、网课、远程社交、在线娱乐和电子游戏等使用飙升至新高，互联网基础设施所承受的压力开始在全球各地显现——互联网连接从未像现在这么重要，也从未如此的紧张。
近日，澳大利亚蒙纳士大学的Bill Corcoran、加拿大魁北克大学：国立科学研究院（INRS）的Roberto Morandotti和澳大利亚斯威本科技大学的David J. Moss等研究人员合作在 Nature Communications 发表论文，他们通过采用强大的一种称为孤子晶体的微梳，使用单个集成芯片源在75公里的标准光纤上实现超高数据传输。能够从单个光源获得44.2Tb/s的数据速度，可在不到1秒的时间内下载1万部高清电影。
Roberto Morandotti教授，魁北克大学：国立科学研究院（INRS）研究员，非线性光学专家。Morandotti教授的研究重点是量子光学的集成频率梳源。
图片来源：INRS
02
背景介绍
目前，全球光纤网络每秒传输数百Tb/s，容量以每年约25%的速度增长。同时，有一种强烈的趋势，即更短的高容量链路的数量越来越多。
10年前，长途（跨越1000公里）通信在全球网络中占据主导地位，而现在，重点已完全转向城市网络（跨越10-100公里连接）甚至数据中心（<10公里）。
这些都推动了对越来越紧凑、低成本和节能解决方案的需求，光子集成电路正成为最可行的方法。光源是每个链路的中心，因此最需要集成。能用一个紧凑的集成芯片提供所有波长，取代众多并行激光器，将带来巨大的好处。
微梳，基于微腔谐振器的光学频率梳，在实现这一任务方面显示了巨大的希望。它们具有其竞争者的全部潜力，并且可以集成在很小的面积上。最有前途的应用之一是光纤通信，可以实现大规模并行超高容量多路数据传输。
Roberto Morandotti 团队使用一个指甲大小的集成芯片通过光纤以44.2Tb/s的超高速率进行数据传输。在实验室和在澳大利亚墨尔本城市网络上演示了75公里光纤传输，是目前澳大利亚光纤网络中任何单个设备速度的100倍。
03
创新研究
3.1
高集成度微梳芯片
图1示出了孤子晶体光学结构的示意图，从产生的频谱中推断出，该状态是整个环上的单个时间缺陷晶体。该状态具有特征性的“扇形”微梳状谱，与单个时间缺陷晶体相对应。
图1 孤子晶体状态
图片来源：Nat Commun 11, 2568 (2020). (Fig.1a)
图2 示出了物理芯片，整个芯片为5 mm×9 mm，其中使用器件和访问波导的面积约占四分之一。2澳元硬币（直径20.5毫米） ）显示的刻度尺尺寸类似于美元镍币或10欧分硬币。插图是环形谐振器元件的显微镜图像。
图2 用于孤子晶体产生的光纤封装的微环谐振器芯片的照片
图片来源：Nat Commun 11, 2568 (2020).(Fig.1b)
该芯片使用一种“光学微梳”来创建一道红外光“彩虹”，使数据可以同时以多种频率传输。微梳的每一个“梳齿”对应一个频率，对应“彩虹”的一种颜色。
3.2
超高速微梳通信实验
光纤是通信系统的重要组成部分，携带着光信号将世界联系在一起。这些光信号由光学放大器周期性的增强，从而传输波长范围很大的光。
为了充分利用这个波长范围，使用不同的红外“颜色”光信号发送不同的信息。如果你曾见过棱镜将白光分解成不同颜色的光（见下方视频解读），那么你就会对其工作原理有较深的了解。我们可以将一束这些颜色的光叠加在一起，通过光纤将混合后的光信号发送出去，然后将其在另一端分解成原来的颜色，从而进行数据传输。
视频（5′25″）：牛顿三棱镜实验
来源：MITK12Videos（YouTube）
图3展示了孤子晶体微梳通信实验的概念图，连续波激光器泵浦微环谐振器，从孤子晶体振荡状态产生微梳。将微梳展平并进行光学解复用（类似于棱镜分光）以进行调制，然后进行光学多路复用（类似于将不同颜色的光叠加），随后通过EDFA放大后进行光纤传输。在接收器处，每个通道在接收前进行光学解复用，并使用通用离线数字信号处理（DSP）流程恢复信号。其中，ECL为边缘耦合激光器，WSS为波长选择开关，Rx为接收器。
图3 实验装置图
图片来源：Nat Commun 11, 2568 (2020).(Fig.1c)
实验人员进行了两次传输实验。
在实验室中，在超过75公里的单模光纤上传输数据。
此外，在城市单模光纤网络上进行现场试验，该网络连接墨尔本市RMIT校区和莫纳什大学克莱顿校区，横跨墨尔本地区，往返路程也超过75公里（图4）。
图4 外场测试网络
图片来源：Nat Commun 11, 2568 (2020).(Supplementary information)
实现了44.2 Tb/s的原始比特率（线路速率），转化为40.1 Tb/s的可实现编码速率（在B2B中），在实验室和现场试验传输实验中分别降至39.2 Tb/s和39.0 Tb/s。产生了10.4、10.2和10.1b/s/Hz的频谱效率。比其他单个集成器件报告的最高结果增加了约50%，而频谱效率则高出3.7倍。
04
展望
对于新部署的链路，该方法可以很容易地与使用多芯光纤的空分复用相结合，这将使来自单个源的数据速率达到许多Pb/s。
未来的工作将是使微梳器件变得更加灵活和简单的运行。
在单芯片上不仅放入微梳，还放入将电信号转换为光信号的调制器，这无疑是一个巨大的挑战。
微梳还将探索光通信的新领域，研究在空间中使用并行路径，提高卫星通信的数据速率，以及制造“思考的光”：人造光神经网络。这些细小的“彩虹”的前途一片光明。
文章信息：
相关成果以“ Ultra-dense optical data transmission over standard fifibre with a single chip source ”为题发表在 Nature Communications 。
论文地址：
https://doi.org/10.1038/s41467-020-16265-x
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原标题：《“网速”新世界纪录！每秒44.2Tb》
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