1.84Pb/s，全球互联网总带宽的两倍：单一激光器实现的最快数据传输记录真正使用集装箱卡车，一次可以传输100Pb。这个大U盘传输的数据量可以用巨大来形容，但也从另一个方面告诉我们，网络传输数据存在很大的瓶颈。近日，来自丹麦技术大学（DTU）和瑞典哥德堡查尔姆斯理工大学的研究团队实现了迄今为止最高的数据传输效率，在全球率先实现了仅使用单一激光器和单个光学芯片。研究超过1拍比特(Pbit/s)。在实验中，研究人员仅使用一个光源就在7.9公里的距离内实现了1.8Pbit/s的传输速率——1Petabit相当于125,000GB，据估计，全球使用的平均互联网带宽约为1Pbit/ss，所以它几乎是全球带宽速度的两倍。很难描述1.84Pbit/s的速度有多快——家庭互联网连接通常是每秒几百兆位，如果幸运的话，可以达到1吉位甚至10吉位，但1petabit就是百万千兆位。这一数据传输速度远超今年5月创下的1.02Pbit/s的纪录。光源由定制设计的光学芯片发出，该芯片可以使用来自单个红外激光器的光来输出彩虹色光谱或频率。因此，来自单个激光器的一个频率（颜色）可以在单个芯片中倍增成数百个频率（颜色）。所有的颜色都固定在一个特定的频率距离上，而且每种颜色都是相互隔离的——就像梳子上的齿一样——所以叫做频率梳。最后，所有频率都通过光纤发送，从而传输数据。用单个激光器替代数千个激光器的实验演示表明，单个芯片可以轻松实现1.8Pbit/s的速度，这一水平需要使用以前最先进的商业设备使用数千个激光器。查尔姆斯理工大学的VictorTorres教授领导了开发和制造该芯片的研究小组。VictorTorres说，该芯片的特别之处在于它生成的频率梳具有光纤通信的理想特性——非常高的光功率——以及先进光通信感兴趣的光谱区域的宽带宽覆盖范围。通信系统建模。有趣的是，该芯片并未针对该特定应用进行优化。“事实上，一些特征参数是通过巧合而不是设计实现的，”VictorTorres说。“然而，由于团队的努力，我们现在有能力对其进行逆向工程，并为电信领域的目标应用实现高度可重复的微梳。”此外，研究人员还创建了一个计算模型，从理论上研究在实验中使用同一单芯片进行数据传输的潜在潜力。计算结果表明，该解决方案具有很大的扩展潜力。DTU硅光子学光通信卓越中心(SPOC)负责人LeifKatsuoOxenl?we教授说：“我们的计算表明，使用查尔姆斯理工大学制造的单个芯片和激光器，传输速度高达100Pbit/s是可能的。原因是我们的解决方案是可扩展的，无论是在创建多个频率方面，还是在将频率梳划分为许多空间副本方面，这些副本然后被光学放大并用作传输数据的并行源。而频率梳的副本必须在不损失其质量的情况下进行放大，我们将其用于频谱高效的数据传输。”调制将信息添加到电子或光学载波信号中，将数据转换为无线电波的过程称为“调制”。在这个过程中，利用了光的波动特性，例如：振幅（波的高度/强度）；相位（波的“节奏”，有可能使波到达得早一点或晚于预期）；传播方向）。通过改变这些属性，可以创建信号。这些信号可以转换为1或0以用作数据信号。在研究中，数据流被分成37条线，每条线沿着电缆中不同的光线发送。37条数据线中的每条数据线都分为223个数据块，对应于“数据梳”光谱中的不同区域。换句话说，科学家们创建了一个“大规模平行空间和波长多路复用数据传输”系统。这种多重拆分大大增加了光纤电缆支持的潜在数据吞吐量。测试和验证1.84Pb/s的带宽并非易事-没有计算机可以瞬间处理那么多数据，存储也不可能e.研究团队在每个通道上使用虚拟数据来验证全带宽容量，并且对每个通道进行单独测试以确保接收到的数据与传输的数据相匹配。光子芯片可以将单个激光器分成多个频率，并且需要进行一些处理来对37个数据光流中的每一个的光数据进行编码。根据研究人员的说法，一个紧凑、功能齐全的光处理设备应该被建造成火柴盒大小。这在尺寸上类似于目前在电信行业中使用的单色激光传输设备。实现的数据传输速率（红色三角形）与理论吞吐量（蓝点）的对比。降低互联网能耗通过这项技术，我们可以使用与现在相同的光缆基础设施，仅使用相同体积的光子芯片器件来替代原有的光数据编码/解码器，有望将有效数据带宽提高8251次。除了令人难以置信的速度之外，新的研究还有助于降低互联网的能源消耗。“我们的解决方案有可能取代位于互联网中心和数据中心的数十万个光学设备，所有这些设备都会消耗大量电力并产生热量。我们有机会为减少互联网行业的碳足迹做出贡献，”该论文的一位作者LeifKatsuoOxenl?we说道。尽管研究人员在演示中用单个激光源和单个芯片打破了PB里程碑，但在我们当前的通信系统中实施该解决方案之前，仍有一些开发工作要做。“目前，全世界都在努力将激光源集成到光学芯片中。我们可以在芯片中集成的组件越多，整个发射器的效率就越高，包括激光器、梳状频率输出芯片、数据调制器和任何放大器组件。这将是一种极其高效的数据信号光发射器，”LeifKatsuoOxenl?we说。该研究发表在最新一期的《自然光学》杂志上。论文链接：https://www.nature.com/articles/s41566-022-01082-z
