新光纖技術(shù)打破數(shù)據(jù)速率記錄

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據(jù)悉，一個(gè)國(guó)際研究小組打破了通過商用光纖進(jìn)行光纖通信的世界紀(jì)錄。通過拓寬光纖的通信帶寬，該團(tuán)隊(duì)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)速率是現(xiàn)有商業(yè)系統(tǒng)的四倍，比之前的世界紀(jì)錄高出33%。

研究人員的成功部分源于他們創(chuàng)新性地使用光學(xué)放大器來增強(qiáng)通信頻帶上的信號(hào)，而傳統(tǒng)光纖技術(shù)如今使用頻率較低。“這只是頻譜的增加，或多或少而已，”日本NICT（National Institute of Information and Communications Technology）的首席高級(jí)研究員Ben Puttnam說。

Puttnam說，研究人員已經(jīng)用光放大器和其他設(shè)備構(gòu)建了他們的通信硬件堆棧，這些設(shè)備部分是由諾基亞貝爾實(shí)驗(yàn)室和總部位于香港的Amonics公司開發(fā)的。組裝后的技術(shù)包括六個(gè)獨(dú)立的光放大器，可以通過C波段波長(zhǎng)壓縮光信號(hào)（https://en.wikipedia.org/wiki/Fiber-optic_communication#Transmission_windows），C波段波長(zhǎng)是當(dāng)今的標(biāo)準(zhǔn)主力通信波段，再加上不太流行的U、L、S、E和O波段。（E和O波段在近紅外波段；而S波段、C波段、L波段和O波段則在所謂的短波紅外波段。）

總之，O、E、S、C、L和U波段的組合使這項(xiàng)新技術(shù)能夠以驚人的402兆比特每秒（Tbps）的速度通過已經(jīng)在地面和海底的光纖電纜。與競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手相比，這是令人印象深刻的。

Puttnam說：“世界上最好的商業(yè)系統(tǒng)每秒傳輸100Tbps。所以我們已經(jīng)做得比他們好四倍了。” 今年早些時(shí)候，英國(guó)伯明翰阿斯頓大學(xué)的一組研究人員宣稱，他們使用了與日英聯(lián)合研究相同的技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了當(dāng)時(shí)創(chuàng)紀(jì)錄的301Tbps（https://www.aston.ac.uk/latest-news/aston-university-researchers-send-data-45-million-times-faster-average-broadband），而且兩個(gè)團(tuán)隊(duì)還共享了一些研究人員。

Puttnam補(bǔ)充道，如果想把一切推向極限，仍然可以從現(xiàn)有電纜中擠出更多的帶寬。

Puttnam說：“如果你真的推動(dòng)一切填補(bǔ)了所有的空白，并且你為每個(gè)渠道安排了最高的質(zhì)量，那么 600 Tbps 可能是絕對(duì)極限。”

達(dá)到402Tbps（或 600）

C波段中的“C”代表“常規(guī)”，C波段是光纖中的常規(guī)通信波段，部分原因是該頻譜范圍內(nèi)的信號(hào)在光纖中損失較低。Puttnam說：“當(dāng)你從C波段向兩個(gè)方向移動(dòng)時(shí)，光纖損耗會(huì)更高。”

例如，在E波段和O波段的大部分區(qū)域，導(dǎo)致天空呈藍(lán)色、日落呈粉紅色和紅色的現(xiàn)象 —— 瑞利散射（Rayleigh scattering，https://en.wikipedia.org/wiki/Rayleigh_scattering） —— 使光纖在紅外光譜的這些區(qū)域的透明度降低。正如霧蒙蒙的夜晚有時(shí)需要霧燈一樣，當(dāng)光纖的透明度低于相對(duì)高透明度的C波段時(shí)，信號(hào)的強(qiáng)放大可能會(huì)更加顯著。

以前增加光纖帶寬的努力通常依賴于所謂的摻雜光纖放大器（DFA，doped-fiber amplifiers，https://www.gophotonics.com/community/what-is-a-doped-fiber-amplifier）——在這種放大器中，光信號(hào)進(jìn)入摻雜了稀土離子（如鉺）的改良光纖段。當(dāng)泵浦激光照射到光纖中時(shí)，光纖中的摻雜元素被推向更高的能量狀態(tài)。這允許來自穿過光纖的光信號(hào)的光子觸發(fā)來自摻雜元素的受激發(fā)射。結(jié)果是離開DFA光纖段的信號(hào)比進(jìn)入DFA光纖的信號(hào)更強(qiáng)（即放大）。

鉍是E波段的首選摻雜劑。但即使是鉍DFA也只是增強(qiáng)E波段信號(hào)的最不壞的選擇。它們有時(shí)效率低下（https://opg.optica.org/ome/fulltext.cfm?uri=ome-11-1-127&id=444740），噪聲率較高，帶寬較有限。

Puttnam說，該團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種摻有鉍和鍺的DFA。然后，他們?cè)诨旌衔镏刑砑恿艘环N由諾基亞開發(fā)的濾波器（https://www.iridian.ca/products-capabilities/product-gff/），可以優(yōu)化放大器性能并提高信號(hào)質(zhì)量。

Puttnam說：“所以你可以控制頻譜來補(bǔ)償放大器的變化。” 他表示，最終放大器仍能完成其工作，而不會(huì)破壞原始信號(hào)。

荷蘭埃因霍溫理工大學(xué)埃因霍溫亨德里克·卡西米爾研究所電氣工程副教授Chigo Okonkwo補(bǔ)充說，除了標(biāo)準(zhǔn) C 波段外，肯定還需要為 E、S 和 L 波段開發(fā)新的光放大器。但是，在給定的電纜線路上，過多的放大或在錯(cuò)誤的位置放大也可能是好事過頭。“如果更多的光子……被注入光纖，”他說，“它會(huì)改變光纖中的條件——有點(diǎn)像天氣——影響隨后到來的光子，從而扭曲它們攜帶的信號(hào)。”

將數(shù)據(jù)速率推向世界

Puttnam強(qiáng)調(diào)，研究團(tuán)隊(duì)并沒有通過商用級(jí)光纖線路發(fā)送一個(gè)信號(hào)，因?yàn)樵摼€路本身就包含每秒402萬億比特的數(shù)據(jù)。相反，該團(tuán)隊(duì)分別測(cè)試了每個(gè)單獨(dú)的頻譜區(qū)域以及線路上需要作為整個(gè)ESCL套件的一部分實(shí)施的所有各種放大器和濾波器。

但他說，最重要的是這項(xiàng)技術(shù)對(duì)現(xiàn)有商業(yè)級(jí)纖維的固有效用。

“增加更多波長(zhǎng)帶是無需挖掘光纖就能做到的事情，”Puttnam說，“理想情況下，你可能只需更換末端、收發(fā)器（發(fā)射器和接收器）。或者，你可能想在中途更換放大器。這就是你需要做的最多的事情了。”

倫敦大學(xué)學(xué)院光通信和網(wǎng)絡(luò)教授Polina Bayvel表示，Puttnam提到的那些收發(fā)器是該領(lǐng)域下一階段的挑戰(zhàn)。

Bayvel說：“收發(fā)器需要智能——類似于自動(dòng)駕駛汽車，能夠感知和適應(yīng)環(huán)境，在需要的時(shí)候和地方提供容量。” 他之前曾與該團(tuán)隊(duì)成員合作過，但與本次研究無關(guān)。

為此，她說，人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí) (ML) 技術(shù)可以幫助下一代努力通過光纖線路傳輸更多的數(shù)據(jù)。

Bayvel補(bǔ)充道：“AI/ML技術(shù)可能有助于檢測(cè)和消除失真，需要與高容量功能相結(jié)合進(jìn)行開發(fā)。我們需要明白，光纖系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)不僅僅是高容量管道。光纖網(wǎng)絡(luò)必須既智能又安全且有彈性。”

今年早些時(shí)候，研究人員在圣地亞哥舉行的2024年光纖通信大會(huì)（https://opg.optica.org/conference.cfm?meetingid=5&yr=2024）上詳細(xì)介紹了他們的發(fā)現(xiàn)（https://opg.optica.org/abstract.cfm?uri=OFC-2024-Th4A.3）。