使用单个激光器和单个光学芯片的新数据传输记录

诸平

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据丹麦科技大学（Technical University of Denmark简称DTU）洛特·克鲁尔（Lotte Krull）2022年10月23日撰文报道，丹麦和瑞典的科研人员合作，使用单个激光器和单个光学芯片的新数据传输创记录（New data transmission record set using a single laser and a single optical chip）。

丹麦科技大学（DTU）和瑞典哥德堡查尔默斯科技大学（Chalmers University of Technology in Gothenburg, Sweden）的一组国际研究人员取得了令人眼花缭乱的数据传输速度，是世界上第一个仅使用单个激光器和单个光学芯片就能传输超过1 Pbit/s(10¹⁵ Bit/s)数据的设备。

在实验中，研究人员成功地传输了1.8 Pbit/s的数据，这相当于全球互联网总流量的两倍,而且只有一个光源发出的光。此光源是一个定制设计的光学芯片，它可以使用来自单个红外激光器（single infrared laser）的光来产生许多颜色的彩虹光谱，即许多频率。因此，单个激光的一种频率（颜色）可以在单个芯片中倍增成数百种频率（颜色）。

所有的颜色彼此之间固定在特定的频率距离上，就像梳子上的牙齿一样，这就是为什么它被称为频率梳（frequency comb）。然后可以隔离每种颜色（或频率）并用于打印数据。然后，这些频率可以重新组合并通过光纤发送，从而传输数据。正如研究人员所发现的，即使是海量的数据也是如此。

一个激光器就可取代数千个（One single laser can replace thousands）

实验演示表明，一个芯片可以轻松地传输1.8 Pbit/s的数据，而如果采用当代最先进的商用设备，这将需要1000多个激光器。

查尔默斯科技大学教授维克多·托雷斯·康帕尼（Victor Torres Company）是研发和制造这种芯片的研究小组的负责人。维克多·托雷斯·康帕尼表示：“该芯片的独特之处在于它能产生具有理想的光纤通信特性的频率梳——它具有高光功率，并能在光谱范围内覆盖较宽的带宽，这对于先进的光通信非常重要。”

有趣的是，该芯片并未针对这种特定应用进行优化。

维克多·托雷斯·康帕尼说：“事实上，一些特性参数是通过巧合获得的，而不是通过设计获得的。然而，在我的团队的努力下，我们现在能够对流程进行逆向工程，并在电信领域的目标应用中实现高度可重复性的微梳（high reproducibility microcombs）。”

巨大的扩展潜力（Enormous potential for scaling）

此外，研究人员还创建了一个计算模型，从理论上检验了用与实验中所用芯片相同的单个芯片进行数据传输的基本潜力。计算结果显示，该解决方案的规模化潜力巨大。

DTU的光通信硅光子学卓越中心（Center of Excellence for Silicon Photonics for Optical Communications (SPOC) at DTU）主任莱夫·卡索·奥克斯恩洛韦（Leif Katsuo Oxenløwe）教授说：“我们的计算表明，利用查尔默斯科技大学制造的单芯片和单束激光，我们将能够传输高达100 Pbit/s的数据。这是因为我们的解决方案具有可扩展性，既可以创建多个频率，也可以将频率梳（frequency comb）分为多个空间副本，然后对其进行光学放大，并将其用作并行源，以便传输数据。虽然此频率梳副本必须放大，但我们不会损失其质量，我们利用此频率梳进行高效数据传输。”

如何用数据包装光（This is how you pack light with data）

用数据包装光被称为调制（modulation）。这里利用的是光的波属性，例如：振幅（波的高度/强度）、相位（波的“节奏”，可以改变节奏，使波比预期的要早一些或晚一些到达），以及极化（波传播的方向）。通过更改这些属性，可以创建信号。这些信号可以转换为1或0，从而用作数据信号。

降低互联网功耗（Reduces Internet power consumption）

研究人员的解决方案对未来互联网的功耗是个好兆头。

“换句话说，我们的解决方案有可能取代位于互联网枢纽和数据中心的数十万台激光器，这些激光器消耗大量能量并产生热量。我们有机会为互联网的发展做出贡献，减少对气候的影响，”莱夫·卡索·奥克斯恩洛韦说。

据莱夫·卡索·奥克斯恩洛韦说，尽管研究人员在他们的演示中突破了单个激光源和单个芯片的Pbit障碍（petabit barrier），但在该解决方案能够在我们当前的通信系统中实现之前，仍有一些开发工作要做。

“全世界都在努力将激光源集成到光学芯片中，我们也在努力实现这一目标。芯片中集成的元件越多，整个发射机的效率就越高，如激光器、创梳芯片（comb-creating chip）、数据调制器（data modulators）以及任何放大器元件。它将是一种极其高效的数据信号光发射器，”莱夫·卡索·奥克斯恩洛韦说。相关研究结果于2022年10月20日已经在《自然光子学》（Nature Photonics）杂志网站发表——A. A. Jørgensen, D. Kong, M. R. Henriksen, F. Klejs, Z. Ye, ò. B. Helgason, H. E. Hansen, H. Hu, M. Yankov, S. Forchhammer, P. Andrekson, A. Larsson, M. Karlsson, J. Schröder, Y. Sasaki, K. Aikawa, J. W. Thomsen, T. Morioka, M. Galili, V. Torres-Company, L. K. Oxenløwe. Petabit-per-second data transmission using a chip-scale microcomb ring resonator source. Nature Photonics, Published: 20 October 2022. DOI: 10.1038/s41566-022-01082-z. https://doi.org/10.1038/s41566-022-01082-z

上述介绍，仅供参考。欲了解更多信息，敬请注意浏览原文或者相关报道。

Sending 1.84 petabits of data per second via a fiber-optic cable over a distance of 7.9 km

Abstract

Optical fibre communication is the backbone of the internet. As essential core technologies are approaching their limits of size, speed and energy-efficiency, there is a need for new technologies that offer further scaling of data transmission capacity. Here we show that a single optical frequency-comb source based on a silicon nitride ring resonator supports data capacities in the petabit-per-second regime. We experimentally demonstrate transmission of 1.84 Pbit s^–1 over a 37-core, 7.9-km-long fibre using 223 wavelength channels derived from a single microcomb ring resonator producing a stabilized dark-pulse Kerr frequency comb. We also present a theoretical analysis that indicates that a single, chip-scale light source should be able to support 100 Pbit s^–1 in massively parallel space-and-wavelength multiplexed data transmission systems. Our findings could mark a shift in the design of future communication systems, targeting device-efficient transmitters and receivers.