作者:段歆涔 来源:中国科学报 发布时间:2013-7-8 9:09:33
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多元传输引爆通讯革命
——解码光纤数据传输新模式

光束穿过全息图会被螺旋化。
图片来源:M. P. J. LAVERY/M. J. PADGETT, UNIVERSITY OF GLASGOW
 
全球的数据传输境况就好像美国洛杉矶通勤的翻版,拥堵不堪。当今数据传输最拥堵的地段要数脸谱、亚马逊以及谷歌等大型公司的数据中心了。
 
它们必须接纳海量信息,储存服务器也在满负荷运转,并且需要分拣出客户最需要的信息。虽然这些数据是通过光纤传输的,但在数据中心,由于数据传输量成倍地增长,人们已经能感觉到传输速度变慢了。
 
现在,研究者构建了一种能够以全新方式编码数据的光纤数据传输新模式,通过这种方式,光波能够螺旋传播。与此同时,通过搭配使用更常规的填充额外数据的传输模式,新模式的数据传输率将获得极大提高。
 
美国哥伦比亚大学电机工程师Keren Bergman说:“螺旋状传输令人印象深刻,使我感到兴奋不已。”科学家于上世纪90年代证明:如果将不同的数据流编译成不同的颜色或者波长,那么在同一根光纤上同时传输多个数据是可行的。Bergman注意到,在此之后,电信公司极大地提高了数据带宽。
 
当今,通过利用波分复用技术,只需要一根光纤就可以同时传输数百个不同的数据流。电信供应商还利用光的极化以及光波的高度与宽度来编译数据。总而言之,与30年前相比,光纤的数据传输速度是当时的1万倍。充分利用光的轨道角动量(OAM)的新编码技术,“是一次类似的突破。”Bergman说。
 
与其他的光属性相比,OAM难以用肉眼去捕捉。传统光纤内的光看上去与手电筒打出的光束一样:中心更密集,边缘较稀疏。但当光穿过全息图时,研究者可以迫使每个独立的光子以螺旋状的方式传输。不同的全息图决定着在既定的传输距离内,有多少光子可以被螺旋化。
 
另外光束扭曲程度的不同决定了每个既定部分的光的独特模式,例如可以是集中在中心的一个光点,也可以是像靶心一般围成一圈。通过OAM模式编译、以不同的螺旋化程度或“模型”传输的光子,即使同时传输,也能够在数据流的传输过程中避免相互干扰。
 
光学研究者已经利用OAM模式编译数据十多年时间了。例如,由美国南加州大学电机工程师Alan Willner所带领的团队,于去年在《自然—光子学》期刊报告称:他们利用OAM编译方式,能以每秒2.5万亿比特的速度在空气中传输数据。但是当以光纤(现代通信传输的主导方式)传输时,光束不到1米就瓦解了。
 
数据传输失败的原因在于:在标准的玻璃纤维内,如果数据以不同的OAM模式编译,那么在传输过程中它们会互相渗透,造成数据的损毁。波士顿大学电机工程师Siddharth Ramachandran说:“正因为如此,所以我们思考:是否能够使得编译的数据可以像不同颜色那般,在传输过程中互不干扰。”
 
2011年,Ramachandran与一名来自OFS Fitel公司(位于丹麦布隆德比,专门从事光纤制造)的合作者做到了:他们在玻璃纤维中加入了多种标准化学添加剂的混合物(混合物以同心环的形式排列)。这些添加剂改变了光在玻璃中的传播速度,为以不同OAM模式编译的数据在纤维中提供了不同的传输通道。而这也证明了纤维仍有很大潜力。
 
现阶段的研究中,Ramachandran团队与Willner展开合作,证明了科技可以实现数据的高速传播。他们通过特殊纤维实现了以每秒1.6万亿比特的速度,在10种不同的波长中以及两种OAM编译模式下,传输数据超过1000米。虽然这个传输距离很短,未来需要极大的延长,但对于数据中心以及科学机构等其他高端用户群体来说,这样的传输距离足够了。纽约罗切斯特大学物理学家Robert Boyd说:“这个研究成果令人印象深刻,我已经可以预见到一个广阔的商业市场。”
 
Ramachandran和Willner认识到,打破数据传输速度的瓶颈,OAM模式并非唯一的解决方法。近年来,光学研究者已研制出最高可支持12种编译模式的光纤。但是,这种传输方式通常需要在数据接收终端安置大量的电脑来解读信号。
 
另一种方法则是“多核”光纤,即光纤内包含多个“核心”,不同的编译模式通过不同的“核心”传输。去年,美国研究者利用这种方法成功地将传输速度提高到每秒1千万亿比特(大约是目前OAM编译模式传输速度的1000倍)。
 
Willner表示,这些方法并不相互排斥,在他的设想里,未来的“多核”光纤最好也能够支持多种OAM编译模式。此外,现有的传输手段也将能在新光纤内搭配使用。如果这个设想得以实现的话,那时的数据传输速度与现有的速度相比,就如同光纤上网与拨号上网的速度差距一样大。(段歆涔)
 
《中国科学报》 (2013-07-08 第3版 国际)
 
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