有些時(shí)候，人們形容網(wǎng)絡(luò)的效率「不如卡車(chē)運(yùn)硬盤(pán)」：亞馬遜 AWS 就有一種名為 snowmobile 的服務(wù)，真的使用集裝箱卡車(chē)，一次可以傳輸 100Pb。這種大號(hào) U 盤(pán)傳數(shù)據(jù)的體量可謂巨大，但也從另一個(gè)方面告訴我們，網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)存在很大的瓶頸。

近日，來(lái)自丹麥技術(shù)大學(xué)（DTU）和瑞典哥德堡查爾姆斯理工大學(xué)的研究小組實(shí)現(xiàn)了迄今為止最高的數(shù)據(jù)傳輸效率，并且是世界上第一個(gè)僅使用單個(gè)激光器和單個(gè)光芯片實(shí)現(xiàn)每秒傳輸超過(guò) 1 拍比特 （Pbit/s） 的研究。

很難形容 1.84 Pbit/s 的速度有多快——家庭互聯(lián)網(wǎng)連接通常為每秒幾百兆比特，如果幸運(yùn)的話，能達(dá)到 1 吉比特甚至 10 吉比特，但 1 拍比特是一百萬(wàn)吉比特。這一數(shù)據(jù)傳輸速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了今年 5 月創(chuàng)下的 1.02 Pbit/s 的紀(jì)錄。

該光源由定制設(shè)計(jì)的光學(xué)芯片發(fā)出，它可以使用來(lái)自單個(gè)紅外激光器的光來(lái)輸出多種顏色的彩虹光譜，即多種頻率。因此，單個(gè)激光器的一個(gè)頻率（顏色）可以在單個(gè)芯片中倍增成數(shù)百個(gè)頻率（顏色）。所有的顏色都固定在一個(gè)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(chēng)為頻率梳。最后，所有頻率通過(guò)光纖發(fā)送，從而傳輸數(shù)據(jù)。

用單個(gè)激光器取代數(shù)千個(gè)

實(shí)驗(yàn)演示表明，單個(gè)芯片可以輕松承載 1.8Pbit/s 的速度，按照此前最先進(jìn)的商業(yè)設(shè)備，達(dá)到這樣的水平需要上千個(gè)激光器。

查爾姆斯理工大學(xué)的教授 Victor Torres 公司是開(kāi)發(fā)和制造該芯片的研究小組的負(fù)責(zé)人。Victor Torres 公司說(shuō)，這個(gè)芯片的特別之處在于，它產(chǎn)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(jí)光通信所感興趣的光譜區(qū)域內(nèi)的帶寬。

通信系統(tǒng)建模。

有趣的是，該芯片并沒(méi)有為這種特定的應(yīng)用進(jìn)行優(yōu)化?！甘聦?shí)上，一些特征參數(shù)是通過(guò)巧合而不是通過(guò)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的，」Victor Torres 公司說(shuō)?！溉欢趫F(tuán)隊(duì)的努力下，我們現(xiàn)在有能力對(duì)其進(jìn)行逆向工程，并實(shí)現(xiàn)電信領(lǐng)域目標(biāo)應(yīng)用的高重現(xiàn)性微梳?！?/p>

此外，研究人員創(chuàng)建了一個(gè)計(jì)算模型，從理論上研究了使用與實(shí)驗(yàn)中相同的單個(gè)芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕A(chǔ)潛力。計(jì)算結(jié)果顯示，擴(kuò)展解決方案具備巨大的潛力。

DTU 的硅光子學(xué)光通信卓越中心（SPOC）負(fù)責(zé)人 Leif Katsuo Oxenl?we 教授表示：「我們的計(jì)算表明，通過(guò)查爾姆斯理工大學(xué)制造的單個(gè)芯片和一個(gè)激光器，傳輸速度能夠高達(dá) 100 Pbit/s。其原因是我們的解決方案是可擴(kuò)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(duì)它們進(jìn)行光學(xué)放大，并將它們作為傳輸數(shù)據(jù)的平行源。雖然頻率梳的副本必須被放大，但并沒(méi)有損失其品質(zhì)，我們利用它來(lái)進(jìn)行高效頻譜的數(shù)據(jù)傳輸?！?/p>

調(diào)制的方法

向電子或光載波信號(hào)添加信息，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為無(wú)線電波的過(guò)程叫做「調(diào)制」。在這個(gè)過(guò)程中，光的波特性被利用，比如：

振幅（波的高度 / 強(qiáng)度）；

相位（波的「節(jié)奏」，有可能讓波比預(yù)期的早一點(diǎn)或晚一點(diǎn)到達(dá)）；

偏振（波的傳播方向）。

通過(guò)改變這些屬性，就可以創(chuàng)造信號(hào)。這些信號(hào)可以轉(zhuǎn)化為 1 或 0，從而作為數(shù)據(jù)信號(hào)加以利用。

在該研究中，數(shù)據(jù)流被分成了 37 個(gè)線路，每條線沿著電纜中的不同光線程發(fā)送。37 條數(shù)據(jù)線中的每一條都被分成 223 個(gè)數(shù)據(jù)塊，對(duì)應(yīng)于「數(shù)據(jù)梳」光譜中的不同區(qū)域。換句話說(shuō)，科學(xué)家創(chuàng)建了一個(gè)「大規(guī)模并行空間和波長(zhǎng)多路復(fù)用數(shù)據(jù)傳輸」系統(tǒng)。這種多次拆分大大增加了光纜支持的潛在數(shù)據(jù)吞吐量。

測(cè)試和驗(yàn)證 1.84 Pb/s 的帶寬并不是件容易的事——因?yàn)檫€沒(méi)有計(jì)算機(jī)可以即時(shí)處理這么多數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)也不太可能。研究小組在各個(gè)通道上使用虛擬數(shù)據(jù)來(lái)驗(yàn)證全帶寬容量，每個(gè)通道都經(jīng)過(guò)單獨(dú)測(cè)試，以確保接收到的數(shù)據(jù)與傳輸?shù)臄?shù)據(jù)匹配。

光子芯片可以將單個(gè)激光器分成許多頻率，另外也需要進(jìn)行一些處理來(lái)對(duì) 37 個(gè)數(shù)據(jù)光流中的每一個(gè)數(shù)據(jù)流的光數(shù)據(jù)做編碼。根據(jù)研究者們的說(shuō)法，一個(gè)精巧的、功能齊全的光處理設(shè)備應(yīng)該可以打造成火柴盒的大小。這與電信行業(yè)當(dāng)前使用的單色激光傳輸設(shè)備的尺寸相似。

實(shí)現(xiàn)的數(shù)據(jù)傳輸速率（紅色三角形）與理論吞吐量（藍(lán)色點(diǎn)）。

減少互聯(lián)網(wǎng)能耗

通過(guò)這項(xiàng)技術(shù)，我們可以使用和現(xiàn)在相同的光纜基礎(chǔ)設(shè)施，僅使用相同體積的光子芯片設(shè)備替代原來(lái)的光學(xué)數(shù)據(jù)編碼器 / 解碼器，從而有望使數(shù)據(jù)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(wǎng)的能耗。

「我們的解決方案有可能取代位于互聯(lián)網(wǎng)中心和數(shù)據(jù)中心的數(shù)十萬(wàn)臺(tái)光設(shè)備，它們都在消耗大量電力并產(chǎn)生熱量。我們有機(jī)會(huì)為減少互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)碳足跡做出貢獻(xiàn)，」論文作者之一 Leif Katsuo Oxenl?we 說(shuō)道。

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

「當(dāng)前，全世界都在努力將激光源集成到光學(xué)芯片中。我們可以在芯片中集成的組件越多，整個(gè)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(shù)據(jù)調(diào)制器和任何放大器元件。它將是一種極其高效的數(shù)據(jù)信號(hào)光發(fā)射器，」Leif Katsuo Oxenl?we 說(shuō)。 審核編輯：郭婷

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