智東西（公眾號：zhidxcom）編 | 董温淑
智東西5月25日消息，近日，一支澳大利亞研究團隊研發出一個光纖傳輸方案，可以實現超高帶寬的光學數據傳輸，能在不到一秒鐘的時間裏下載1000部高清電影。此外，這個光纖傳輸方案搭載的芯片只有硬幣大小，十分節省空間。
相比於澳大利亞寬帶網絡公司NBN的現有方案，這項技術的數據傳輸速率提升了2倍；相比於活躍在澳大利亞光纖網絡中的任何設備，這項技術的數據傳輸速率提升了100倍。
這支研究團隊由來自蒙納士大學、斯威本理工大學和皇家墨爾本理工大學的研究人員組成。研究發表在權威科學期刊《Nature》上，論文標題為《用一個芯片源極實現超過標準光纖的超高密度的光學數據傳輸（Ultra-dense optical data transmission over standard fibre with a single chip source）》。
論文鏈接：
目前，全球光纖網絡傳輸速率達到每秒數百太比特（terabits）。儘管這個數字在以每年約25%的速率增長，但是現有的數據傳輸技術逐漸不能滿足人們的要求。
這是因為10年以來，全球通信格局已經發生了變化。
在約10年前，橫跨1000公里的長途傳輸主導着全球通信網絡。現有的WDM（光波分複用）技術、SDM（空分複用）技術都更適合於進行長途幹線傳輸。
但在當今，通信網絡已經轉向城際網絡甚至是數據中心，城際網絡鏈路約連接10到100公里，數據中心連接小於10公里。因此，人們需要研究出鏈路更短、容量更高、能耗更低的光纖傳輸技術。
學界認為，光子集成電路被是一個可行的方向。由於光源是每個鏈路的核心，如果用單一的、緊湊的集成芯片代替許多並行的激光器來支持所有波長，將能實現更短的鏈路、更高的容量。
研究人員提出，可以用微梳（micro-combs）或基於微腔諧振器的光頻梳（optical frequency combs）等光學結構來集成芯片，通過紅外光來傳輸數據。微梳具有鎖相（phase-lock）、鎖模（mode-lock）梳狀線的能力。
基於上述設想，蒙納士大學、斯威本理工大學和皇家墨爾本理工大學的研究人員研發出一種集成單一芯片源極的超高帶寬光學數據傳輸，採用一種被稱為孤子晶體（soliton crystals）的微梳光學結構來集成芯片。孤子晶體的光學結構通過一個兼容CMOS的平台實現。
下圖a是孤子晶體光學結構。研究人員從產生的光譜推斷，這個結構是一個單一的時間缺陷晶體跨越環。該結構有一個典型的“扇形”微梳光譜，對應着單一時間缺陷晶體狀態；
下圖b顯示了用於生成孤子晶體的光纖封裝微環形諧振器芯片。芯片尺寸為5mm*9mm，其中研究人員使用了約1/4的區域。芯片大小與2澳元硬幣、美元鎳幣或10歐分硬幣相似；
▲a-孤子晶體光學結構；b-物理芯片
如下圖c所示，超高帶寬光學傳輸的實驗裝置。將連續式鐳射放大到1.8W，採用48.9GHz FSR的微環諧振器，從孤子晶體振盪狀態產生微梳。梳狀被平坦和光學解複用，以允許調幅。在隨後通過放大EDFA的光纖傳輸之前，產生的數據進行多路複用。在接收端，各通道在接收前進行光學去複用。
▲c-超高帶寬光學傳輸的實驗裝置
在孤子晶體的產生過程中，研究人員用激光器從共振的紅邊緩慢地調諧到預設的波長。下圖顯示了孤子晶體的產生過程：
首先，當激光器被調諧到與光環共振時，產生了一個初始的梳狀（圖a）；
然後，研究人員把激光器調節到用於實驗的孤子晶體振盪狀態光譜。這個狀態有典型的“扇形”微梳狀光譜，對應着單一時間缺陷晶體狀態。研究人員使用的狀態在大多數通信C波段上提供了梳狀線（圖b）；
接下來，研究人員記錄10個晶體生成實例的孤子晶體梳狀線功率。梳狀線功率保持在初始頻譜的± 0.9 dB，這表明能夠可靠地生成孤子晶體狀態（圖c）。
▲孤子晶體的產生
研究人員從電信C波段產生的微梳中選擇了80條線，然後用光譜整形器（WaveShaper 4000 S-see 方法）將其壓平。
然後，波長的數量翻倍增加為160條，通過使用單邊頻調製的方式來產生奇/偶去關聯測試渠道，以優化頻譜效率。
接下來，研究人員組合了一個六通道的測試測試頻帶。其餘的頻帶提供有相同奇偶通道結構的加載通道。研究人員使用64 QAM的高階格式，用23的符號速率調製整個梳狀，使可用頻譜的利用率達到94%。
研究人員分別在實驗室和實際環境中進行了傳輸實驗。
在實驗室中，研究人員演示了約75公里的光纖傳輸。此外，研究人員還跨越墨爾本市區，連接了皇家墨爾本理工大學的城市校區和蒙納士大學的克萊頓校區，光纖往返路程也為75公里。
研究人員比較了單一集成芯片源極的解決方案和標準光纖的各項指標。
當用標準可調激光器和接收器時，在C和L電信信號波段上的單一微梳解決方案達到的傳輸速率最高，為30.1Tb/s，這一結果被研究人員作為基準結果。
單一微梳解決方案可以實現44.2Tb/s的數據傳輸速率、10.4bits/s/Hz的鏈路頻譜效率。相比之下，澳大利亞寬帶網絡公司NBN能實現的最快數據傳輸速率是13.8Tb/s。
研究人員表示，單一微梳解決方案不僅刷新了澳大利亞的通信網絡數據傳輸上限，而且很可能實現了全球最高的數據傳輸速率。
蒙納士大學、斯威本理工大學和皇家墨爾本理工大學的研究人員研發出一種集成單一芯片源極的超高帶寬光學數據傳輸。實驗結果顯示，相比於已有方案，這一方案的傳輸速率更高。
研究領導者Bill Corcoran説：“這個方案的意義不僅在於更快地下載Netflix劇集，更重要的是它擴展了通信網絡的使用邊界。”研究人員Mark Gregory也認為，光學網絡是未來的方向，在約10年後，純光學設施或將取代光電設施。
研究人員還表示，希望這款芯片能像澳大利亞發明的Wi-Fi一樣，成為全球通信的主要技術。同時，他們也指出，在這種芯片得到更廣泛使用之前，還要經過數年的測試和發展。
文章來源：The New Daily，Nature