智东西（公众号：zhidxcom）
编董温淑
智东西 5 月 25 日消息，近日，一支澳大利亚研究团队研发出一个光纤传输方案，可以实现超高带宽的光学数据传输，能在不到一秒钟的时间里下载 1000 部高清电影。此外，这个光纤传输方案搭载的芯片只有硬币大小，十分节省空间。
相比于澳大利亚宽带网络公司 NBN 的现有方案，这项技术的数据传输速率提升了 2 倍；相比于活跃在澳大利亚光纤网络中的任何设备，这项技术的数据传输速率提升了 100 倍。
这支研究团队由来自蒙纳士大学、斯威本理工大学和皇家墨尔本理工大学的研究人员组成。研究发表在权威科学期刊《Nature》上，论文标题为《用一个芯片源极实现超过标准光纤的超高密度的光学数据传输（Ultra-dense optical data transmission over standard fibre with a single chip source）》。
论文链接：
https://www.nature.com/articles/s41467-020-16265-x
一、光子集成电路成通信网络未来方向
目前，全球光纤网络传输速率达到每秒数百太比特（terabits）。尽管这个数字在以每年约 25% 的速率增长，但是现有的数据传输技术逐渐不能满足人们的要求。
这是因为 10 年以来，全球通信格局已经发生了变化。
在约 10 年前，横跨 1000 公里的长途传输主导着全球通信网络。现有的 WDM（光波分复用）技术、SDM（空分复用）技术都更适合于进行长途干线传输。
但在当今，通信网络已经转向城际网络甚至是数据中心，城际网络链路约连接 10 到 100 公里，数据中心连接小于 10 公里。因此，人们需要研究出链路更短、容量更高、能耗更低的光纤传输技术。
学界认为，光子集成电路被是一个可行的方向。由于光源是每个链路的核心，如果用单一的、紧凑的集成芯片代替许多并行的激光器来支持所有波长，将能实现更短的链路、更高的容量。
研究人员提出，可以用微梳（micro-combs）或基于微腔谐振器的光频梳（optical frequency combs）等光学结构来集成芯片，通过红外光来传输数据。微梳具有锁相（phase-lock）、锁模（mode-lock）梳状线的能力。
二、光学结构+硬币大小芯片，实现超高带宽传输
基于上述设想，蒙纳士大学、斯威本理工大学和皇家墨尔本理工大学的研究人员研发出一种集成单一芯片源极的超高带宽光学数据传输，采用一种被称为孤子晶体（soliton crystals）的微梳光学结构来集成芯片。孤子晶体的光学结构通过一个兼容 CMOS 的平台实现。
下图a是孤子晶体光学结构。研究人员从产生的光谱推断，这个结构是一个单一的时间缺陷晶体跨越环。该结构有一个典型的“扇形”微梳光谱，对应着单一时间缺陷晶体状态；
下图b显示了用于生成孤子晶体的光纤封装微环形谐振器芯片。芯片尺寸为 5mm*9mm，其中研究人员使用了约1/4 的区域。芯片大小与 2 澳元硬币、美元镍币或 10 欧分硬币相似；
▲a-孤子晶体光学结构；b-物理芯片
如下图c所示，超高带宽光学传输的实验装置。将连续式镭射放大到 1.8W，采用 48.9GHz FSR 的微环谐振器，从孤子晶体振荡状态产生微梳。梳状被平坦和光学解复用，以允许调幅。在随后通过放大 EDFA 的光纤传输之前，产生的数据进行多路复用。在接收端，各通道在接收前进行光学去复用。
▲c-超高带宽光学传输的实验装置
在孤子晶体的产生过程中，研究人员用激光器从共振的红边缓慢地调谐到预设的波长。下图显示了孤子晶体的产生过程：
首先，当激光器被调谐到与光环共振时，产生了一个初始的梳状（图a）；
然后，研究人员把激光器调节到用于实验的孤子晶体振荡状态光谱。这个状态有典型的“扇形”微梳状光谱，对应着单一时间缺陷晶体状态。研究人员使用的状态在大多数通信C波段上提供了梳状线（图b）；
接下来，研究人员记录 10 个晶体生成实例的孤子晶体梳状线功率。梳状线功率保持在初始频谱的± 0.9 dB，这表明能够可靠地生成孤子晶体状态（图c）。
▲孤子晶体的产生
研究人员从电信C波段产生的微梳中选择了 80 条线，然后用光谱整形器（WaveShaper 4000 S-see 方法）将其压平。
然后，波长的数量翻倍增加为 160 条，通过使用单边频调制的方式来产生奇/偶去关联测试渠道，以优化频谱效率。
接下来，研究人员组合了一个六通道的测试测试频带。其余的频带提供有相同奇偶通道结构的加载通道。研究人员使用 64 QAM 的高阶格式，用 23 的符号速率调制整个梳状，使可用频谱的利用率达到 94%。
三、传输速率高达 44.2Tb/s，刷新澳洲数据传输速度上限
研究人员分别在实验室和实际环境中进行了传输实验。
在实验室中，研究人员演示了约 75 公里的光纤传输。此外，研究人员还跨越墨尔本市区，连接了皇家墨尔本理工大学的城市校区和蒙纳士大学的克莱顿校区，光纤往返路程也为 75 公里。
研究人员比较了单一集成芯片源极的解决方案和标准光纤的各项指标。
当用标准可调激光器和接收器时，在C和L电信信号波段上的单一微梳解决方案达到的传输速率最高，为 30.1Tb/s，这一结果被研究人员作为基准结果。
单一微梳解决方案可以实现 44.2Tb/s的数据传输速率、10.4bits/s/Hz 的链路频谱效率。相比之下，澳大利亚宽带网络公司 NBN 能实现的最快数据传输速率是 13.8Tb/s。
研究人员表示，单一微梳解决方案不仅刷新了澳大利亚的通信网络数据传输上限，而且很可能实现了全球最高的数据传输速率。
结语：未来 10 年纯光学设施或能取代光电设施
蒙纳士大学、斯威本理工大学和皇家墨尔本理工大学的研究人员研发出一种集成单一芯片源极的超高带宽光学数据传输。实验结果显示，相比于已有方案，这一方案的传输速率更高。
研究领导者 Bill Corcoran 说：“这个方案的意义不仅在于更快地下载 Netflix 剧集，更重要的是它扩展了通信网络的使用边界。”研究人员 Mark Gregory 也认为，光学网络是未来的方向，在约 10 年后，纯光学设施或将取代光电设施。
研究人员还表示，希望这款芯片能像澳大利亚发明的 Wi-Fi 一样，成为全球通信的主要技术。同时，他们也指出，在这种芯片得到更广泛使用之前，还要经过数年的测试和发展。
文章来源：The New Daily，Nature