香港城大學者特製晶片 協助刷新光纖傳輸頻譜效率世界紀錄
踏入智慧城市的年代，加上全球經歷新型冠狀病毒疫情，透過網絡聯繫彼此更見重要。光纖傳輸網絡可謂相關技術重要的支柱，因此科研人員一直追求沒有最快、只有更快的光纖數據傳輸技術。一支國際研究團隊研發出配備了由香港城市大學（香港城大）科學家特製晶片的新技術，近期刷新了光纖傳輸頻譜效率的世界紀錄。技術了不起之處，在於運用單一集成光子晶片就可以達到極快的網速：等同少於一秒已經可以下載1,000套高清電影！
研究團隊的科研人員分別來自澳洲、加拿大、中國內地和香港。當中來自香港城大物理學系的副教授朱世德博士，主力研發技術所需的關鍵晶片。研究結果早前已在科學期刊《自然通訊》（Nature Communications）上發表，題為〈Ultra-dense optical data transmission over standard fibre with a single chip source〉。
關鍵：能產生獨特頻率響應的集成光子晶片
朱博士是研製集成光路組件（integrated optical circuits components）的專家，投身相關研究逾30年。他與中國科學院西安光學精密機械研究所的Brent E. Little博士一同設計，以及製作這次技術使用的晶片。
朱博士指出，晶片裡的主要結構是一個微環諧振器（micro-ring resonator），能夠產生出一種光學頻率響應叫「微梳」（micro-comb，即光譜上的頻率線是等距相隔，像梳子一樣）。一個微梳能替代數十個不同波長的激光源，也就是說，單憑一個集成光子晶片中的微環諧振器，就能為超高速光傳輸提供足夠多的信號載體。
朱博士表示，這塊特製晶片的特別之處是它能產生一種獨特的微梳，叫「光孤子晶體」（soliton crystals）。他解釋，所謂光孤子，實則為微梳的時域（time domain）表現，是一種能在光纖中傳播並長時間保持形態、幅度和速度不變的光脈衝。而微環諧振器能產生十分穩定的光孤子信號，對實現長距離的高速光信號傳輸極為關鍵。他又補充，「晶體」的意思是形容釋放出來的光頻率模式，有着晶體般的形狀。
朱博士形容，製作這些光子晶片需要十分精準，製成後要在香港城大的實驗室內進行篩選測試，確保可產生「光孤子晶體」，才交由合作的研究團隊裝嵌於光學結構裝置內作為激光源，進行高速光纖傳輸測試。
朱博士進一步解釋，按現時的傳輸技術，由於每個激光源只能發出一個特定波長的激光傳輸訊號，若要產生80個不同波長的激光，便需要80個激光源，「但採用我們研製的集成光子晶片，則只需一個激光源。當激光通過這個具有微環諧振器的集成光子晶片，經調校後，便會產生光孤子晶體，衍生出80個不同波長的光波，而且是光孤子晶體的脈衝，十分穩定，適合長距離光纖傳輸」。
實地測試證實訊號傳送極快兼穩定
研究團隊不單於實驗室進行測試，更將技術應用於澳洲墨爾本蒙納士大學和皇家墨爾本理工大學校園之間、全長逾75公里的單芯光纖作實地訊號傳送測試。實驗結果顯示，比起同樣運用單一晶片的類似技術，新技術的頻譜效率（spectral efficiency, 即每秒每單位的頻寬可以傳輸多少資料）比舊紀錄大幅提高了3.7倍，是技術發佈時世界最快的紀錄。朱博士更指出他們的實驗結果顯示，經過逾75公里的傳送，頻譜效率都只是輕微下跌，證明訊號傳送穩定。
團隊新技術的網速更每秒達44.2 Terabits (等於每秒達5,525 GB )，亦比同樣紀錄提升了大約50%。每秒達44.2 Terabits的網速大約等於用少於一秒，已經可以下載1,000套高清電影。
「我們進行實地測試使用的光纖，是現時光纖傳輸網絡市場中常用的C-band光纖。假如使用其他更闊頻寬的光纖，相信數據傳輸的速度可以更加快，能增加兩到三倍。」朱博士進一步說。
團隊研發的這個技術也可以應用於多芯光纖（multicore fibre）之中。多芯光纖是將多條光纖集合在一起，構成並行的多個傳輸通道，如果結合團隊的單一晶片裝置，數據傳輸的速度就可以加快。另外，特製晶片所使用的微梳技術，除可應用於光纖通訊領域外，亦可以用於精密光譜測量、傳感器、量子測量等領域。
來自斯威本科技大學的David Moss教授領導此項研究，他與來自蒙納士大學的Bill Corcoran博士是論文的共同通訊作者。Bill Corcoran博士同時是論文的第一作者。除了香港城大的朱博士之外，這支跨國研究團隊的成員還包括皇家墨爾本理工大學的Arnan Mitchell教授；加拿大國立科學研究院的能源、材料及通訊研究院的Roberto Morandotti教授等等。
DOI number: 10.1038/s41467-020-16265-x