有些时候，人们形容网络的效率「不如卡车运硬盘」：亚马逊 AWS 就有一种名为 snowmobile 的服务，真的使用集装箱卡车，一次可以传输 100Pb。这种大号 U 盘传数据的体量可谓巨大，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小组实现了迄今为止最高的数据传输效率，并且是世界上第一个仅使用单个激光器和单个光芯片实现每秒传输超过 1 拍比特 (Pbit/s) 的研究。
在实验中，研究人员仅使用一个光源在 7.9 公里的距离上实现了传输速率 1.8 Pbit/s——1 Petabit 相当于 12.5 万 Gigabyte，根据一些估算，全世界使用的平均互联网带宽约为 1 Pbit/s，因此它的速度接近全球带宽的两倍。
很难形容 1.84 Pbit/s 的速度有多快——家庭互联网连接通常为每秒几百兆比特，如果幸运的话，能达到 1 吉比特甚至 10 吉比特，但 1 拍比特是一百万吉比特。这一数据传输速度远远超过了今年 5 月创下的 1.02 Pbit/s 的纪录。
该光源由定制设计的光学芯片发出，它可以使用来自单个红外激光器的光来输出多种颜色的彩虹光谱，即多种频率。因此，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，每种颜色互相隔离——就像梳子上的齿一样——因此它被称为频率梳。最后，所有频率通过光纤发送，从而传输数据。
用单个激光器取代数千个
实验演示表明，单个芯片可以轻松承载 1.8Pbit/s 的速度，按照此前最先进的商业设备，达到这样的水平需要上千个激光器。
查尔姆斯理工大学的教授 Victor Torres 公司是开发和制造该芯片的研究小组的负责人。Victor Torres 公司说，这个芯片的特别之处在于，它产生的频率梳具有光纤通信的理想特性——很高的光功率，并广泛覆盖了高级光通信所感兴趣的光谱区域内的带宽。
通信系统建模。
有趣的是，该芯片并没有为这种特定的应用进行优化。「事实上，一些特征参数是通过巧合而不是通过设计实现的，」Victor Torres 公司说。「然而在团队的努力下，我们现在有能力对其进行逆向工程，并实现电信领域目标应用的高重现性微梳。」
此外，研究人员创建了一个计算模型，从理论上研究了使用与实验中相同的单个芯片进行数据传输的基础潜力。计算结果显示，扩展解决方案具备巨大的潜力。
DTU 的硅光子学光通信卓越中心（SPOC）负责人 Leif Katsuo Oxenløwe 教授表示：「我们的计算表明，通过查尔姆斯理工大学制造的单个芯片和一个激光器，传输速度能够高达 100 Pbit/s。其原因是我们的解决方案是可扩展的，包括在创造多种频率方面，也包括将频率梳分成许多空间副本，然后对它们进行光学放大，并将它们作为传输数据的平行源。虽然频率梳的副本必须被放大，但并没有损失其品质，我们利用它来进行高效频谱的数据传输。」
调制的方法
向电子或光载波信号添加信息，将数据转换为无线电波的过程叫做「调制」。在这个过程中，光的波特性被利用，比如：
- 振幅（波的高度 / 强度）；
- 相位（波的「节奏」，有可能让波比预期的早一点或晚一点到达）；
- 偏振（波的传播方向）。
通过改变这些属性，就可以创造信号。这些信号可以转化为 1 或 0，从而作为数据信号加以利用。
在该研究中，数据流被分成了 37 个线路，每条线沿着电缆中的不同光线程发送。37 条数据线中的每一条都被分成 223 个数据块，对应于「数据梳」光谱中的不同区域。换句话说，科学家创建了一个「大规模并行空间和波长多路复用数据传输」系统。这种多次拆分大大增加了光缆支持的潜在数据吞吐量。
测试和验证 1.84 Pb/s 的带宽并不是件容易的事——因为还没有计算机可以即时处理这么多数据，存储也不太可能。研究小组在各个通道上使用虚拟数据来验证全带宽容量，每个通道都经过单独测试，以确保接收到的数据与传输的数据匹配。
光子芯片可以将单个激光器分成许多频率，另外也需要进行一些处理来对 37 个数据光流中的每一个数据流的光数据做编码。根据研究者们的说法，一个精巧的、功能齐全的光处理设备应该可以打造成火柴盒的大小。这与电信行业当前使用的单色激光传输设备的尺寸相似。
实现的数据传输速率（红色三角形）与理论吞吐量（蓝色点）。
减少互联网能耗
通过这项技术，我们可以使用和现在相同的光缆基础设施，仅使用相同体积的光子芯片设备替代原来的光学数据编码器 / 解码器，从而有望使数据有效带宽增加 8251 倍。
除了极高的速度之外，新研究还有助于减少互联网的能耗。
「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台光设备，它们都在消耗大量电力并产生热量。我们有机会为减少互联网行业碳足迹做出贡献，」论文作者之一 Leif Katsuo Oxenløwe 说道。
尽管研究人员在演示中打破了单个激光源和单个芯片的 PB 级里程碑，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。
「当前，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，发射器包括激光、梳频率输出芯片、数据调制器和任何放大器元件。它将是一种极其高效的数据信号光发射器，」Leif Katsuo Oxenløwe 说。
这项研究发表在了最近一期的 Nature 光学子刊上。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41566-022-01082-z
