作者:Stojan Radic 来源:《科学》 发布时间:2015/7/21 13:21:54
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冲破光的屏障
美科学家研究出化解光纤传播壁垒新技术

 

高速通过光纤的光可以运载大量数据,但随着距离加大,错误也会悄然而入。

图片来源: PAUL RAPSON

电话、视频、社交媒体等正在导致信息高速公路发生严重拥堵。自2000年起,像头发丝一般细的全球光纤上运载的数据每年正在以约60%的速度递增。照此速率,今天的光纤网络在两三年内就会达到最大负荷,把互联网转变成虚拟版的洛杉矶交通堵塞。“互联网传输困境确实存在,而且是个大问题。”美国新泽西州茉莉山丘阿尔卡特朗讯集团研发部门贝尔实验室光传播研究带头人Peter Winzer说。

一项新的研究会把光纤通道面临的困境向后推迟数年:近日,加州大学圣迭戈分校的研究人员在发表于《科学》的一篇研究成果中,报告了一种通过光纤电缆传输数字化信息的新模式,该模式可以把光纤的传输能力提高2~4倍。

Winzer称:“该研究是在科学理念上的一种突破。”加州山景城谷歌公司光网络架构师Vijay Vusirikala也如此认为,他表示:“让我们增加光纤容量的任何技术都非常关键。”

光纤最早在上世纪80年代被采用,因为它们显示出可增加互联网传输能力的显著潜力。在此之前,数据主要作为模拟信号通过铜电缆进行传播。光导纤维——以光调频脉冲的方式传输数据——具有远大于铜电缆的传播能力或带宽。这是因为有着不同波长或颜色的光脉冲可以独立地沿着同样的纤维传播,而且相对可以产生较少的串音或干扰。而且,它同时还可以让工程师通过一条光纤传播100个或更多的独立信息流。

这些信息流是通过基于芯片的激光产生的,激光可以把来自电子设备的电脉冲转化成光,并打开或关闭每个波长,产生一种快速闪烁。现在,工程师还模拟了脉冲的形状、阶段、极化及其在光纤中的物理空间。在光纤信息公路的尽头,检测器会把光脉冲转变为电子。在现代激光通信和检测器的帮助下,今天的单根光纤可同时承载100~200个光信号,整体运载能力达到每秒20万亿比特。

这些信号可以在传播相当远距离的同时不被减弱。但是如果传输距离达到数万公里以上,比如从纽约到洛杉矶的距离,就会悄然发生光学变形,导致误差累积降低传输数据的质量。这是由于在不同波长时多重信号的干扰。当一个信号沿着光纤传播时,其电磁波会导致玻璃中的电子被搅乱,这种转变会影响其他光波的传播。其结果是,两个最初的光波会发生合并,在单独的波长处形成第三种光波。这种影响作用及其微弱,但是它会随着距离加大逐渐积累——在携带很多光的纤维中尤其如此。“随着通道的增多和距离的加大,问题会越来越大。”该研究作者之一、加州大学圣迭戈分校电子工程学家和光物理学家Stojan Radic说。

Radic和同事一开始希望通过让激光更加稳定来解决这一问题,但是他们的研究却没什么进展。因此,他们采取了一种不同的策略:保证激光变化是可预测的,而不是随机的。现代通信设备通常会采用若干种激光制作出所有不同波长并传向光纤。与此不同,Radic的研究团队采用了一种叫作频率梳的设备,把来自单个激光、单个波长的光转变成一定范围内不同波长的脉冲。然后,每个波长会被调整,并传播一种光信号。

其关键是,当主激光信号从其原始波长发生转变时,每个子脉冲会通过同样确切的数量步伐一致地发生转变。这可以让其直接发现光畸变,并扣除这些畸变。Radic表示,这样一来,该技术可以让光纤携带两倍的数据,或是在信号需要被还原之前使其传输的距离相当于现在的两倍。他补充说,他的研究团队已经有了明确的方法,可以让光纤传播的信息量或传播距离再加一倍。

“这是非常重要的一步。”Winzer在评价这项研究时说。然而,他补充说:“该技术的实用性仍待进一步观察。”他强调说,实施这项技术的一个前提是,需要不同于当前使用的数据编码和信号处理的全新芯片。

即便这项技术可以让现有光纤的信息传播能力增长数倍,最终仍然不是铺设更多信息高速公路的其他替代性方案,Winzer和其他研究人员表示。那些新光缆需要包含前沿技术,如具有远高于当前使用的地下光纤的带宽的“多模式”纤维。然而,铺设新光纤的成本将极其高昂,因此也是最后的一种选择。(来源:中国科学报 鲁捷)

 
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2015/7/24 10:27:59 azjxa
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