1.84Pb/s,兩倍於全球網際網路頻寬總和:單鐳射器實現最快資料傳輸紀錄

只需要把資料拆分成彩虹色的光,光纖的傳輸速度就可以提升 8000 倍。

有些時候,人們形容網路的效率「不如卡車運硬碟」:亞馬遜 AWS 就有一種名為 snowmobile 的服務,真的使用集裝箱卡車,一次可以傳輸 100Pb。這種大號 U 盤傳資料的體量可謂巨大,但也從另一個方面告訴我們,網路傳輸資料存在很大的瓶頸。

近日,來自丹麥技術大學(DTU)和瑞典哥德堡查爾姆斯理工大學的研究小組實現了迄今為止最高的資料傳輸效率,並且是世界上第一個僅使用單個鐳射器和單個光晶片實現每秒傳輸超過 1 拍比特 (Pbit/s) 的研究

在實驗中,研究人員僅使用一個光源在 7.9 公里的距離上實現了傳輸速率 1.8 Pbit/s——1 Petabit 相當於 12.5 萬 Gigabyte,根據一些估算,全世界使用的平均網際網路頻寬約為 1 Pbit/s,因此它的速度接近全球頻寬的兩倍。

很難形容 1.84 Pbit/s 的速度有多快——家庭網際網路連接通常為每秒幾百兆比特,如果幸運的話,能達到 1 吉比特甚至 10 吉比特,但 1 拍比特是一百萬吉比特。這一資料傳輸速度遠遠超過了今年 5 月創下的 1.02 Pbit/s 的紀錄。

該光源由定製設計的光學晶片發出,它可以使用來自單個紅外鐳射器的光來輸出多種顏色的彩虹光譜,即多種頻率。因此,單個鐳射器的一個頻率(顏色)可以在單個晶片中倍增成數百個頻率(顏色)。所有的顏色都固定在一個特定的頻率距離上,每種顏色互相隔離——就像梳子上的齒一樣——因此它被稱為頻率梳。最後,所有頻率通過光纖發送,從而傳輸資料。

用單個鐳射器取代數千個

實驗演示表明,單個晶片可以輕鬆承載 1.8Pbit/s 的速度,按照此前最先進的商業設備,達到這樣的水平需要上千個鐳射器。

查爾姆斯理工大學的教授 Victor Torres 公司是開發和製造該晶片的研究小組的負責人。Victor Torres 公司說,這個晶片的特別之處在於,它產生的頻率梳具有光纖通訊的理想特性——很高的光功率,並廣泛覆蓋了高級光通訊所感興趣的光譜區域內的頻寬。

通訊系統建模

通訊系統建模。

有趣的是,該晶片並沒有為這種特定的應用進行最佳化。「事實上,一些特徵參數是通過巧合而不是通過設計實現的,」Victor Torres 公司說。「然而在團隊的努力下,我們現在有能力對其進行逆向工程,並實現電信領域目標應用的高重現性微梳。」

此外,研究人員創建了一個計算模型,從理論上研究了使用與實驗中相同的單個晶片進行資料傳輸的基礎潛力。計算結果顯示,擴展解決方案具備巨大的潛力。

DTU 的矽光子學光通訊卓越中心(SPOC)負責人 Leif Katsuo Oxenløwe 教授表示:「我們的計算表明,通過查爾姆斯理工大學制造的單個晶片和一個鐳射器,傳輸速度能夠高達 100 Pbit/s。其原因是我們的解決方案是可擴展的,包括在創造多種頻率方面,也包括將頻率梳分成許多空間副本,然後對它們進行光學放大,並將它們作為傳輸資料的平行源。雖然頻率梳的副本必須被放大,但並沒有損失其品質,我們利用它來進行高效頻譜的資料傳輸。」

調製的方法

向電子或光載波信號添加資訊,將資料轉換為無線電波的過程叫做「調製」。在這個過程中,光的波特性被利用,比如:

  • 振幅(波的高度 / 強度);
  • 相位(波的「節奏」,有可能讓波比預期的早一點或晚一點到達);
  • 偏振(波的傳播方向)。

通過改變這些屬性,就可以創造信號。這些信號可以轉化為 1 或 0,從而作為資料信號加以利用。

在該研究中,資料流被分成了 37 個線路,每條線沿著電纜中的不同光執行緒發送。37 條資料線中的每一條都被分成 223 個資料塊,對應於「資料梳」光譜中的不同區域。換句話說,科學家創建了一個「大規模並行空間和波長多路複用資料傳輸」系統。這種多次拆分大大增加了光纜支持的潛在資料吞吐量。

測試和驗證 1.84 Pb/s 的頻寬並不是件容易的事——因為還沒有計算機可以即時處理這麼多資料,儲存也不太可能。研究小組在各個通道上使用虛擬資料來驗證全頻寬容量,每個通道都經過單獨測試,以確保接收到的資料與傳輸的資料匹配。

光子晶片可以將單個鐳射器分成許多頻率,另外也需要進行一些處理來對 37 個資料光流中的每一個資料流的光資料做編碼。根據研究者們的說法,一個精巧的、功能齊全的光處理設備應該可以打造成火柴盒的大小。這與電信行業當前使用的單色鐳射傳輸設備的尺寸相似。

實現的資料傳輸速率(紅色三角形)與理論吞吐量(藍色點)。

減少網際網路能耗

通過這項技術,我們可以使用和現在相同的光纜基礎設施,僅使用相同體積的光子晶片設備替代原來的光學資料編碼器 / 解碼器,從而有望使資料有效頻寬增加 8251 倍。

除了極高的速度之外,新研究還有助於減少網際網路的能耗。

「我們的解決方案有可能取代位於網際網路中心和資料中心的數十萬臺光設備,它們都在消耗大量電力併產生熱量。我們有機會為減少網際網路行業碳足跡做出貢獻,」論文作者之一 Leif Katsuo Oxenløwe 說道。

儘管研究人員在演示中打破了單個鐳射源和單個晶片的 PB 級里程碑,但在我們當前的通訊系統中實施該解決方案之前,仍有一些開發工作要做。

「當前,全世界都在努力將鐳射源集成到光學晶片中。我們可以在晶片中集成的元件越多,整個發射器的效率就越高,發射器包括鐳射、梳頻率輸出晶片、資料調製器和任何放大器元件。它將是一種極其高效的資料信號光發射器,」Leif Katsuo Oxenløwe 說。

這項研究發表在了最近一期的 Nature 光學子刊上。

論文連結:https://www.nature.com/articles/s41566-022-01082-z

參考內容:

https://phys.org/news/2022-10-transmission-laser-optical-chip.html

https://www.newscientist.com/article/2342833-chip-can-transmit-all-of-the-internets-traffic-every-second/

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