特制芯片新技术,一秒内能下載千部电影 协助刷新光纤传输频谱效率世界纪录!

全球新冠疫情的爆发,人们通過线上沟通的频率更加频繁,网络联系也因此变得尤为重要。随着5G时代的到来,人们对于网速的要求越来越高。由于光纤传输网络是技术的关键,科研人员一直致力于研究传输速度更快的光纤数据传输技术。近期,一支包括香港城市大学(香港城大)科学家在内的国际研究团队通过配备特制芯片的新技术,刷新了光纤传输频谱效率的世界纪录。更令人惊艳的是,该技术只采用了单一集成光子芯片就已经可以达到极快的网速:等同能在一秒内完成1,000套高清电影的下载!

据報道,研究团队的科研人员分别来自澳洲、加拿大、中国内地和香港。其中,斯威本科技大学的David Moss教授负责主导此项研究;香港城大物理学系的副教授朱世德博士,则主要负责研发技术所需的关键芯片;而蒙纳士大学的Bill Corcoran博士与David Moss教授一样,同是论文的共同通讯作者,這支跨國研究团队成员还包括皇家墨尔本理工大学的Arnan Mitchell教授;加拿大国立科学研究院的能源、材料及通讯研究院的Roberto Morandotti教授等等。

朱博士是研制集成光路组件的专家,投身相关研究逾30年。这次技术使用的芯片是他与中国科学院西安光学精密机械研究所的Brent E. Little博士一同设计及制作的。

該特製芯片内部的主要结构是一个微环谐振器,能够产生出一种叫“微梳”(即光谱上的频率线是等距相隔,像梳子一样)的光学频率。通常一个微梳能替代数十个不同波长的激光源,换句话说,一个集成芯片中的微环谐振器,就能为超高速光传输提供足够多的信号载体。

而这块特制芯片的特别之处在于它能产生一种独特的微梳——“光孤子晶体”。朱博士解释道,“所谓的光孤子,其实是微梳的时域表现,是一种在光纤中传播并能长时间保持形态、幅度和速度不变的光脉冲。而微环谐振器能产生十分稳定的光孤子信号,这对实现长距离的高速光信号传输极为关键”。

由于制作这些光子芯片要十分精准,因此制成后先要在香港城大的实验室进行筛选测试,确保可以产生“光孤子晶体”之后,才交由合作的研究团队装嵌于光学结构装置内,作为激光源进行高速光纤传输测试。

其实按现时的传输技术,每个激光源只能发出一个特定波长的激光传输讯号,若要产生80个不同波长的激光,则需要80个激光源, “但采用我们研制的集成光子芯片,只需一个激光源。因为当激光通过这个具有微环谐振器的集成光子芯片,经调校后,便会产生光孤子晶体,进而衍生出80个不同波长的光波。“朱博士说道。而且这80个不同波长的光波是光孤子晶体的脉冲,十分稳定,成功取代了现在传输技术所需要的并行激光源,很适合长距离光纤传输。

事实上,研究团队不仅在实验室进行了测试,还将该技术实际应用于澳洲墨尔本蒙纳士大学和皇家墨尔本理工大学校园之间、全长逾75公里的单芯光纤作实地讯号传送测试。实验结果显示,经过逾75公里的传送,频谱效率都只是轻微下跌,证明讯号传送稳定。而且比起运用单一芯片的类似技术,新技术的频谱效率(即每秒每单位的频宽可以传输多少资料)比过往纪录提高了3.7倍,是技術發布佈時世界最快的纪录。同样值得一提的是,新技术的网速也比过往记录提升了近50%,每秒高达44.2 Terabits  (等于每秒达5,525 GB ),也就是说在一秒内就能完成1,000套高清电影的下载。

朱博士还说道,“我们进行实地测试使用的光纤,是现时光纤传输网络市场中常用的C-band光纤。假如使用其他更阔频宽的光纤,相信数据传输的速度可以更加快,能增加两到三倍。”

更重要的是,团队研发的这个技术还可以应用于多芯光纤之中。多芯光纤是指将多条光纤集合在一起,构成并行的多个传输通道。如果结合团队的单一芯片装置,数据传输的速度就可以加快。另外,特制芯片所使用的微梳技术,除了能应用于光纤通讯领域外,同样适用于精密光谱测量、传感器、量子测量等领域。