有些時候，人們形容網絡的效率「不如卡車運硬盤」：亞馬遜 AWS 就有一種名為 snowmobile 的服務，真的使用集裝箱卡車，一次可以傳輸 100Pb。這種大號 U 盤傳數據的體量可謂巨大，但也從另一個方面告訴我們，網絡傳輸數據存在很大的瓶頸。

近日，來自丹麥技術大學（DTU）和瑞典哥德堡查爾姆斯理工大學的研究小組實現了迄今為止最高的數據傳輸效率，并且是世界上第一個僅使用單個激光器和單個光芯片實現每秒傳輸超過 1 拍比特 (Pbit/s) 的研究。

在實驗中，研究人員僅使用一個光源在 7.9 公里的距離上實現了傳輸速率 1.8 Pbit/s——1 Petabit 相當于 12.5 萬 Gigabyte，根據一些估算，全世界使用的平均互聯(lián)網帶寬約為 1 Pbit/s，因此它的速度接近全球帶寬的兩倍。

很難形容 1.84 Pbit/s 的速度有多快——家庭互聯(lián)網連接通常為每秒幾百兆比特，如果幸運的話，能達到 1 吉比特甚至 10 吉比特，但 1 拍比特是一百萬吉比特。這一數據傳輸速度遠遠超過了今年 5 月創(chuàng)下的 1.02 Pbit/s 的紀錄。

該光源由定制設計的光學芯片發(fā)出，它可以使用來自單個紅外激光器的光來輸出多種顏色的彩虹光譜，即多種頻率。因此，單個激光器的一個頻率（顏色）可以在單個芯片中倍增成數百個頻率（顏色）。所有的顏色都固定在一個特定的頻率距離上，每種顏色互相隔離——就像梳子上的齒一樣——因此它被稱為頻率梳。最后，所有頻率通過光纖發(fā)送，從而傳輸數據。

用單個激光器取代數千個

實驗演示表明，單個芯片可以輕松承載 1.8Pbit/s 的速度，按照此前最先進的商業(yè)設備，達到這樣的水平需要上千個激光器。

查爾姆斯理工大學的教授 Victor Torres 公司是開發(fā)和制造該芯片的研究小組的負責人。Victor Torres 公司說，這個芯片的特別之處在于，它產生的頻率梳具有光纖通信的理想特性——很高的光功率，并廣泛覆蓋了高級光通信所感興趣的光譜區(qū)域內的帶寬。

通信系統(tǒng)建模。

有趣的是，該芯片并沒有為這種特定的應用進行優(yōu)化。「事實上，一些特征參數是通過巧合而不是通過設計實現的，」Victor Torres 公司說?！溉欢趫F隊的努力下，我們現在有能力對其進行逆向工程，并實現電信領域目標應用的高重現性微梳?！?/span>

此外，研究人員創(chuàng)建了一個計算模型，從理論上研究了使用與實驗中相同的單個芯片進行數據傳輸的基礎潛力。計算結果顯示，擴展解決方案具備巨大的潛力。

DTU 的硅光子學光通信卓越中心（SPOC）負責人 Leif Katsuo Oxenl?we 教授表示：「我們的計算表明，通過查爾姆斯理工大學制造的單個芯片和一個激光器，傳輸速度能夠高達 100 Pbit/s。其原因是我們的解決方案是可擴展的，包括在創(chuàng)造多種頻率方面，也包括將頻率梳分成許多空間副本，然后對它們進行光學放大，并將它們作為傳輸數據的平行源。雖然頻率梳的副本必須被放大，但并沒有損失其品質，我們利用它來進行高效頻譜的數據傳輸?！?/span>

調制的方法

向電子或光載波信號添加信息，將數據轉換為無線電波的過程叫做「調制」。在這個過程中，光的波特性被利用，比如：

• 振幅（波的高度 / 強度）；
• 相位（波的「節(jié)奏」，有可能讓波比預期的早一點或晚一點到達）；
• 偏振（波的傳播方向）。

通過改變這些屬性，就可以創(chuàng)造信號。這些信號可以轉化為 1 或 0，從而作為數據信號加以利用。

在該研究中，數據流被分成了 37 個線路，每條線沿著電纜中的不同光線程發(fā)送。37 條數據線中的每一條都被分成 223 個數據塊，對應于「數據梳」光譜中的不同區(qū)域。換句話說，科學家創(chuàng)建了一個「大規(guī)模并行空間和波長多路復用數據傳輸」系統(tǒng)。這種多次拆分大大增加了光纜支持的潛在數據吞吐量。

測試和驗證 1.84 Pb/s 的帶寬并不是件容易的事——因為還沒有計算機可以即時處理這么多數據，存儲也不太可能。研究小組在各個通道上使用虛擬數據來驗證全帶寬容量，每個通道都經過單獨測試，以確保接收到的數據與傳輸的數據匹配。

光子芯片可以將單個激光器分成許多頻率，另外也需要進行一些處理來對 37 個數據光流中的每一個數據流的光數據做編碼。根據研究者們的說法，一個精巧的、功能齊全的光處理設備應該可以打造成火柴盒的大小。這與電信行業(yè)當前使用的單色激光傳輸設備的尺寸相似。

實現的數據傳輸速率（紅色三角形）與理論吞吐量（藍色點）。

減少互聯(lián)網能耗

通過這項技術，我們可以使用和現在相同的光纜基礎設施，僅使用相同體積的光子芯片設備替代原來的光學數據編碼器 / 解碼器，從而有望使數據有效帶寬增加 8251 倍。

除了極高的速度之外，新研究還有助于減少互聯(lián)網的能耗。

「我們的解決方案有可能取代位于互聯(lián)網中心和數據中心的數十萬臺光設備，它們都在消耗大量電力并產生熱量。我們有機會為減少互聯(lián)網行業(yè)碳足跡做出貢獻，」論文作者之一 Leif Katsuo Oxenl?we 說道。

盡管研究人員在演示中打破了單個激光源和單個芯片的 PB 級里程碑，但在我們當前的通信系統(tǒng)中實施該解決方案之前，仍有一些開發(fā)工作要做。

「當前，全世界都在努力將激光源集成到光學芯片中。我們可以在芯片中集成的組件越多，整個發(fā)射器的效率就越高，發(fā)射器包括激光、梳頻率輸出芯片、數據調制器和任何放大器元件。它將是一種極其高效的數據信號光發(fā)射器，」Leif Katsuo Oxenl?we 說。

這項研究發(fā)表在了最近一期的 Nature 光學子刊上。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41566-022-01082-z