原創(chuàng) 長(zhǎng)光所Light中心 中國(guó)光學(xué)

封面圖來源：Reuters

撰稿 | 李陽

01

導(dǎo)讀

由于新冠病毒的影響，世界各地的隔離使得人們更加依賴網(wǎng)絡(luò)來進(jìn)行交流、工作、學(xué)習(xí)和娛樂。但隨著遠(yuǎn)程工作、視頻會(huì)議、網(wǎng)課、遠(yuǎn)程社交、在線娛樂和電子游戲等使用飆升至新高，互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施所承受的壓力開始在全球各地顯現(xiàn)——互聯(lián)網(wǎng)連接從未像現(xiàn)在這么重要，也從未如此的緊張。

近日，澳大利亞蒙納士大學(xué)的Bill Corcoran、加拿大魁北克大學(xué)：國(guó)立科學(xué)研究院（INRS）的Roberto Morandotti和澳大利亞斯威本科技大學(xué)的David J. Moss等研究人員合作在 Nature Communications 發(fā)表論文，他們通過采用強(qiáng)大的一種稱為孤子晶體的微梳，使用單個(gè)集成芯片源在75公里的標(biāo)準(zhǔn)光纖上實(shí)現(xiàn)超高數(shù)據(jù)傳輸。能夠從單個(gè)光源獲得44.2Tb/s的數(shù)據(jù)速度，可在不到1秒的時(shí)間內(nèi)下載1萬部高清電影。

Roberto Morandotti教授，魁北克大學(xué)：國(guó)立科學(xué)研究院（INRS）研究員，非線性光學(xué)專家。Morandotti教授的研究重點(diǎn)是量子光學(xué)的集成頻率梳源。

圖片來源：INRS

02

背景介紹

目前，全球光纖網(wǎng)絡(luò)每秒傳輸數(shù)百Tb/s，容量以每年約25%的速度增長(zhǎng)。同時(shí)，有一種強(qiáng)烈的趨勢(shì)，即更短的高容量鏈路的數(shù)量越來越多。

10年前，長(zhǎng)途（跨越1000公里）通信在全球網(wǎng)絡(luò)中占據(jù)主導(dǎo)地位，而現(xiàn)在，重點(diǎn)已完全轉(zhuǎn)向城市網(wǎng)絡(luò)（跨越10-100公里連接）甚至數(shù)據(jù)中心（<10公里）。

這些都推動(dòng)了對(duì)越來越緊湊、低成本和節(jié)能解決方案的需求，光子集成電路正成為最可行的方法。光源是每個(gè)鏈路的中心，因此最需要集成。能用一個(gè)緊湊的集成芯片提供所有波長(zhǎng)，取代眾多并行激光器，將帶來巨大的好處。

微梳，基于微腔諧振器的光學(xué)頻率梳，在實(shí)現(xiàn)這一任務(wù)方面顯示了巨大的希望。它們具有其競(jìng)爭(zhēng)者的全部潛力，并且可以集成在很小的面積上。最有前途的應(yīng)用之一是光纖通信，可以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模并行超高容量多路數(shù)據(jù)傳輸。

Roberto Morandotti 團(tuán)隊(duì)使用一個(gè)指甲大小的集成芯片通過光纖以44.2Tb/s的超高速率進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。在實(shí)驗(yàn)室和在澳大利亞墨爾本城市網(wǎng)絡(luò)上演示了75公里光纖傳輸，是目前澳大利亞光纖網(wǎng)絡(luò)中任何單個(gè)設(shè)備速度的100倍。

03

創(chuàng)新研究

3.1

高集成度微梳芯片

圖1示出了孤子晶體光學(xué)結(jié)構(gòu)的示意圖，從產(chǎn)生的頻譜中推斷出，該狀態(tài)是整個(gè)環(huán)上的單個(gè)時(shí)間缺陷晶體。該狀態(tài)具有特征性的“扇形”微梳狀譜，與單個(gè)時(shí)間缺陷晶體相對(duì)應(yīng)。

圖1 孤子晶體狀態(tài)

圖片來源：Nat Commun 11, 2568 (2020). (Fig.1a)

圖2 示出了物理芯片，整個(gè)芯片為5 mm×9 mm，其中使用器件和訪問波導(dǎo)的面積約占四分之一。2澳元硬幣（直徑20.5毫米） ）顯示的刻度尺尺寸類似于美元鎳幣或10歐分硬幣。插圖是環(huán)形諧振器元件的顯微鏡圖像。

圖2 用于孤子晶體產(chǎn)生的光纖封裝的微環(huán)諧振器芯片的照片

圖片來源：Nat Commun 11, 2568 (2020).(Fig.1b)

該芯片使用一種“光學(xué)微梳”來創(chuàng)建一道紅外光“彩虹”，使數(shù)據(jù)可以同時(shí)以多種頻率傳輸。微梳的每一個(gè)“梳齒”對(duì)應(yīng)一個(gè)頻率，對(duì)應(yīng)“彩虹”的一種顏色。

3.2

超高速微梳通信實(shí)驗(yàn)

光纖是通信系統(tǒng)的重要組成部分，攜帶著光信號(hào)將世界聯(lián)系在一起。這些光信號(hào)由光學(xué)放大器周期性的增強(qiáng)，從而傳輸波長(zhǎng)范圍很大的光。

為了充分利用這個(gè)波長(zhǎng)范圍，使用不同的紅外“顏色”光信號(hào)發(fā)送不同的信息。如果你曾見過棱鏡將白光分解成不同顏色的光（見下方視頻解讀），那么你就會(huì)對(duì)其工作原理有較深的了解。我們可以將一束這些顏色的光疊加在一起，通過光纖將混合后的光信號(hào)發(fā)送出去，然后將其在另一端分解成原來的顏色，從而進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

視頻（5′25″）：牛頓三棱鏡實(shí)驗(yàn)

來源：MITK12Videos（YouTube）

圖3展示了孤子晶體微梳通信實(shí)驗(yàn)的概念圖，連續(xù)波激光器泵浦微環(huán)諧振器，從孤子晶體振蕩狀態(tài)產(chǎn)生微梳。將微梳展平并進(jìn)行光學(xué)解復(fù)用（類似于棱鏡分光）以進(jìn)行調(diào)制，然后進(jìn)行光學(xué)多路復(fù)用（類似于將不同顏色的光疊加），隨后通過EDFA放大后進(jìn)行光纖傳輸。在接收器處，每個(gè)通道在接收前進(jìn)行光學(xué)解復(fù)用，并使用通用離線數(shù)字信號(hào)處理（DSP）流程恢復(fù)信號(hào)。其中，ECL為邊緣耦合激光器，WSS為波長(zhǎng)選擇開關(guān)，Rx為接收器。

圖3 實(shí)驗(yàn)裝置圖

圖片來源：Nat Commun 11, 2568 (2020).(Fig.1c)

實(shí)驗(yàn)人員進(jìn)行了兩次傳輸實(shí)驗(yàn)。

在實(shí)驗(yàn)室中，在超過75公里的單模光纖上傳輸數(shù)據(jù)。

此外，在城市單模光纖網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，該網(wǎng)絡(luò)連接墨爾本市RMIT校區(qū)和莫納什大學(xué)克萊頓校區(qū)，橫跨墨爾本地區(qū)，往返路程也超過75公里（圖4）。

圖4 外場(chǎng)測(cè)試網(wǎng)絡(luò)

圖片來源：Nat Commun 11, 2568 (2020).(Supplementary information)

實(shí)現(xiàn)了44.2 Tb/s的原始比特率（線路速率），轉(zhuǎn)化為40.1 Tb/s的可實(shí)現(xiàn)編碼速率（在B2B中），在實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)傳輸實(shí)驗(yàn)中分別降至39.2 Tb/s和39.0 Tb/s。產(chǎn)生了10.4、10.2和10.1b/s/Hz的頻譜效率。比其他單個(gè)集成器件報(bào)告的最高結(jié)果增加了約50%，而頻譜效率則高出3.7倍。

04

展望

對(duì)于新部署的鏈路，該方法可以很容易地與使用多芯光纖的空分復(fù)用相結(jié)合，這將使來自單個(gè)源的數(shù)據(jù)速率達(dá)到許多Pb/s。

未來的工作將是使微梳器件變得更加靈活和簡(jiǎn)單的運(yùn)行。

在單芯片上不僅放入微梳，還放入將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)的調(diào)制器，這無疑是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。

微梳還將探索光通信的新領(lǐng)域，研究在空間中使用并行路徑，提高衛(wèi)星通信的數(shù)據(jù)速率，以及制造“思考的光”：人造光神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。這些細(xì)小的“彩虹”的前途一片光明。

文章信息：

相關(guān)成果以“ Ultra-dense optical data transmission over standard fifibre with a single chip source ”為題發(fā)表在 Nature Communications 。

論文地址：

https://doi.org/10.1038/s41467-020-16265-x

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