香港城大学者特制芯片 协助刷新光纤传输频谱效率世界纪录
踏入智慧城市的年代，加上全球经历新型冠状病毒疫情，透过网络联系彼此更见重要。光纤传输网络可谓相关技术重要的支柱，因此科研人员一直追求没有最快、只有更快的光纤数据传输技术。一支国际研究团队研发出配备了由香港城市大学（香港城大）科学家特制芯片的新技术，近期刷新了光纤传输频谱效率的世界纪录。技术了不起之处，在于运用单一集成光子芯片就可以达到极快的网速：等同少于一秒已经可以下载1,000套高清电影！
研究团队的科研人员分别来自澳洲、加拿大、中国内地和香港。当中来自香港城大物理学系的副教授朱世德博士，主力研发技术所需的关键芯片。研究结果早前已在科学期刊《自然通讯》（Nature Communications）上发表，题为〈Ultra-dense optical data transmission over standard fibre with a single chip source〉。
关键：能产生独特频率响应的集成光子芯片
朱博士是研制集成光路组件（integrated optical circuits components）的专家，投身相关研究逾30年。他与中国科学院西安光学精密机械研究所的Brent E. Little博士一同设计，以及制作这次技术使用的芯片。
朱博士指出，芯片里的主要结构是一个微环谐振器（micro-ring resonator），能够产生出一种光学频率响应叫“微梳”（micro-comb，即光谱上的频率线是等距相隔，像梳子一样）。一个微梳能替代数十个不同波长的激光源，也就是说，单凭一个集成光子芯片中的微环谐振器，就能为超高速光传输提供足够多的信号载体。
朱博士表示，这块特制芯片的特别之处是它能产生一种独特的微梳，叫“光孤子晶体”（soliton crystals）。他解释，所谓光孤子，实则为微梳的时域（time domain）表现，是一种能在光纤中传播并长时间保持形态、幅度和速度不变的光脉冲。而微环谐振器能产生十分稳定的光孤子信号，对实现长距离的高速光信号传输极为关键。他又补充， “晶体”的意思是形容释放出来的光频率模式，有着晶体般的形状。
朱博士形容，制作这些光子芯片需要十分精准，制成后要在香港城大的实验室内进行筛选测试，确保可产生“光孤子晶体”才交由合作的研究团队装嵌于光学结构装置内作为激光源，进行高速光纤传输测试。
朱博士进一步解释，按现时的传输技术，由于每个激光源只能发出一个特定波长的激光传输讯号，若要产生80个不同波长的激光，便需要80个激光源，“但采用我们研制的集成光子芯片，则只需一个激光源。当激光通过这个具有微环谐振器的集成光子芯片，经调校后，便会产生光孤子晶体，衍生出80个不同波长的光波，而且是光孤子晶体的脉冲，十分稳定，适合长距离光纤传输”。
实地测试证实讯号传送极快兼稳定
研究团队不单于实验室进行测试，更将技术应用于澳洲墨尔本蒙纳士大学和皇家墨尔本理工大学校园之间、全长逾75公里的单芯光纤作实地讯号传送测试。实验结果显示，比起同样运用单一芯片的类似技术，新技术的频谱效率（spectral efficiency, 即每秒每单位的带宽可以传输多少数据）比旧纪录大幅提高了3.7倍，是技术发布时世界最快的纪录。朱博士更指出他们的实验结果显示，经过逾75公里的传送，频谱效率都只是轻微下跌，证明讯号传送稳定。
团队新技术的网速更每秒达44.2 Terabits (等于每秒达5,525 GB )，亦比同样纪录提升了大约50%。每秒达44.2 Terabits的网速大约等于用少于一秒，已经可以下载1,000套高清电影。
“我们进行实地测试使用的光纤，是现时光纤传输网络市场中常用的C-band光纤。假如使用其他更阔带宽的光纤，相信数据传输的速度可以更加快，能增加两到三倍。”朱博士进一步说。
团队研发的这个技术也可以应用于多芯光纤（multicore fibre）之中。多芯光纤是将多条光纤集合在一起，构成并行的多个传输通道，如果结合团队的单一芯片装置，数据传输的速度就可以加快。另外，特制芯片所使用的微梳技术，除可应用于光纤通讯领域外，亦可以用于精密光谱测量、传感器、量子测量等领域。
来自斯威本科技大学的David Moss教授领导此项研究，他与来自蒙纳士大学的Bill Corcoran博士是论文的共同通讯作者。Bill Corcoran博士同时是论文的第一作者。除了香港城大的朱博士之外，这支跨国研究团队的成员还包括皇家墨尔本理工大学的Arnan Mitchell教授；加拿大国立科学研究院的能源、材料及通讯研究院的Roberto Morandotti教授等等。
DOI number: 10.1038/s41467-020-16265-x
本文已于 “香港城大研创” 微信公众号发布。
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