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“网速”新世界纪录:每秒44.2Tb

澳洲啦 澳洲新闻 2020-09-28 03:11:45 71 0 澳洲新闻

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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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