小型化的光孤子通信系統：速度超50Tbps！

導讀

最近，德國和瑞士科學家組成的科研小組，採用晶元上的氮化硅微諧振器產生光孤子，並製造出光學頻率梳，通過兩個疊加的頻率梳，能在179個波長通道上，進行大規模並行數據傳輸，數據速率超過50Tbps，傳輸距離達75千米。

關鍵字

光通信、光孤子、晶元

背景

與以往一樣，我們今天還是從一個物理概念說起。這個概念就是：

孤子（Soliton）

對於這個概念，大家可不要望文生義，把它理解為「孤獨的孩子」。那麼，到底什麼是「孤子」呢？

也許，大家都很熟悉水波。往水中投一個小石塊，你就會看到水面盪起波紋。這種水波，是由水面的振動形成的，它會隨著傳輸距離越來越遠，能量逐漸衰減而很快消失。

然而，1834年，英國科學家約翰·斯科特·羅素在勘察運河河道時，看到一隻迅速前進中的船，在突然停下來時，其船頭形成了一個孤立的水波。水波的形狀滾圓、光滑、輪廓分明。隨後，這個孤立的水波迅速離開船頭，以每小時約14～15千米的速度前進。前進過程中，水波保持著原有的形狀，穩定地的傳播著。水波的大小、形狀和速度變化很緩慢，它前進了大約2～3千米才消失掉。

（圖片來源於：M. J. Ablowitz and D. E. Baldwin, Phys. Rev. Lett. 2012 ）

這個現象引起羅素的注意和思考，他認為這個水波不同於普通的水波。後來，羅素將這種奇特的波包稱為孤立波，並在其後半生專門從事孤立波的研究。但是，很長一段時間，羅素所發現的孤立波現象並未能引起人們的重視。

直到1895年，數學家科特維格與得佛里斯從數學上推導出了著名的淺水波 KdV方程，並給出了一個類似於羅素孤立波的解析解，即孤立波解，孤立波的存在才得到普遍承認。

那麼，孤立波為什麼又稱為孤子呢？

單個孤立波行進過程中非常穩定。對此，科學家們從實驗和理論上進行了證實。那麼，如果兩個孤立波相互碰撞，又會發生什麼？是不是穩定的波包將會遭到破壞呢？

科學家通過計算機對於孤立波的進一步研究並發現：兩個孤立波發生相互碰撞後，形狀仍維持不變，這一點與粒子十分相似，而且還遵守粒子的動量守恆和能量守恆定律，甚至還具有質量特性。孤立波能有這麼多的粒子特性，所以，科學家又稱之為「孤立子」，也可以簡稱為「孤子」。

光孤子又是什麼？

後來，科學家又發現孤立波不僅存在於水中，而且還存在於聲、光、電等多個領域。1973年，孤立波的概念開始引入到光纖通信領域。與水波中的孤子概念相似，光孤子其實是一種光脈衝波，它在光纖中傳播時，可長時間、長距離保持形態、幅度和速度不變。所以，光孤子在超長距離、超大容量的光通信領域，有著十分重要的價值。

創新

最近，德國卡爾斯魯厄理工學院（KIT）光子與量子電子學研究所（IPQ）、微結構技術研究所（IMT）以及瑞士洛桑聯邦理工學院（EPFL）光子和量子測量實驗室（LPQM）的研究人員組成了研究小組，採用晶元上的氮化硅微諧振器產生光孤子，並製造出寬頻光學頻率梳。

兩個疊加的頻率梳可在179個波長通道上，進行大規模並行數據傳輸，數據速率超過50Tbps，傳輸距離達75千米。

相關的研究論文發表於《自然》雜誌。

光孤子頻率梳，產生於氮化硅微諧振器內，可以通過多個頻道進行大規模並行數據傳輸。

(圖片來源於: J. N. Kemal/ P.
Marin-Palomo/ KIT)

技術

從技術的角度說，光學頻率梳是這項研究的一個重要觀察點。

何為光學頻率梳?

光學頻率梳，是指在頻譜上由一系列均勻間隔且具有相干穩定相位關係的頻率分量組成的光譜。2005年，科學家John Hall 和 Theodor W. H?nsch 由於在頻率梳方面的開創性工作，獲得了諾貝爾物理獎。

從原理上說，光學頻率梳在頻域上，表現為具有相等頻率間隔的光學頻率序列。這些頻譜線的分布特性如同我們日常生活中使用的梳子，梳齒之間保持著相等的距離。

（圖片來源於：維基百科）

傳統意義上說，光學頻率梳常用於高精度的光學頻率測量。然而，自從克爾頻率梳發明以來，光學頻率梳的應用得到了拓展。這種頻率梳的光學帶寬很大，且譜線密度也非常適合用於數據通信，每條單獨的譜線都可以用於傳輸數據信號。

為了演示通信功能，研究人員採用了兩種相互疊加的頻率梳，在179個光學載波上進行數據傳輸，完全覆蓋了光通信的C和L波段，數據速率達55Tbps，傳輸距離達75千米。

如何製造出光學頻率梳？

在實驗中，研究人員採用了位於光子晶元上的光學氮化硅微諧振器，它可以很方便地集成到小型化的通信系統中。

攜帶多個氮化硅微諧振器的光學晶元

(圖片來源: J. N. Kemal/ P. Marin Palomo/KIT)

這種低損耗的光學氮化硅微諧振器能夠產生出光孤子，是這項研究的基礎。

氮化硅微諧振器

(圖片來源: V. Brasch /LPQM, EPFL )

2014年，科研人員在 Kippenberg 的實驗室，首次製造出光孤子狀態。

根據Kippenberg 的說法，光孤子是通過非線性過程的產生的，微諧振器中的高強度光場起到了重要作用。微諧振器利用連續波激光器產生的激光，通過光孤子的方式，產生幾百條新的等距激光線。

價值

對於這項研究的價值。首先是超高的數據速率，正如KIT的教授 Christian Koos 所說：

「它相當於超高50億台手機或者200萬個高清電視的信道。目前為此，這是使用晶元形式的頻率梳所達到的最高數據速率。」

除了驚人的超高數據速率外，這些新器件還將大幅降低光通信系統中光源的能耗，另外還具有小型化特點，可以集成到晶元上。

這種微諧振器光孤子頻率梳，對於改善光通信領域的波分復用（WDM）技術，也很有幫助。WDM 技術通過單個光學波導上的大量獨立的數據信道，達到超高的數據速率。因為，信息可以通過不同波長的激光編碼。

對於相干通信來說，微諧振器光孤子頻率梳不僅可以用於發射器，還可以用於WDM系統的接收器端。這種頻率梳將顯著提升相應系統的可擴展性，另外還將帶來高度並行的相干光通信。

未來的petabit （相當於10的15次方個二進位數）網路，需要採用更加高效的晶元級收發器。向著這個目標，這項研究邁出了十分重要的一步。

參考資料

【1】https://www.kit.edu/kit/english/pi_2017_074_nature-optical-communication-at-record-high-speed.php

【2】https://actu.epfl.ch/news/optical-communication-using-solitons-on-a-photon-2/

【3】Pablo Marin-Palomo, Juned N. Kemal, Maxim Karpov, Arne Kordts, Joerg
Pfeifle, Martin H. P. Pfeiffer, Philipp Trocha, Stefan Wolf, Victor
Brasch, Miles H. Anderson, Ralf Rosenberger, Kovendhan Vijayan, Wolfgang
Freude, Tobias J. Kippenberg, Christian Koos: Microresonator-based
solitons for massively parallel coherent optical communications. Nature, 2017 (DOI: 10.1038/nature22387)

需要進一步探討交流的朋友，請直接聯繫作者微信：JohnZh1984，或者微信關注公眾號：IntelligentThings。

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！