每秒下载2.3亿张照片：仅用单芯片创造数据传输的世界纪录

光子盒研究院出品

丹麦技术大学、查尔姆斯理工大学的科学家团队仅用单个激光器和单个光学芯片实现了每秒1.84千万亿比特（Pbit）的数据传输；这个数据量约是整个互联网流量的两倍，相当于每秒下载2.3亿张照片：如今，全球平均互联网带宽估计约为1 Pbit/s。

10月20日，研究成果以《使用芯片级微梳环形谐振器源进行每秒Pbit数据传输》为题[1]，发表在《自然·光子学》期刊上。

01

互联网的骨干——光纤通信，亟需扩展数据传输容量

光纤通信是互联网的骨干。随着基本核心技术的尺寸、速度和能源效率接近极限，需要能够进一步扩展数据传输容量的新技术。

换个角度来看，1.8 Pbit相当于全球互联网流量的两倍。要使用当代最先进的商业设备达到相同的速度，需要1000多个激光器。

这一成功的基础是光源，这是一种专门设计的光学芯片，可以使用来自单个红外激光器的光来创建彩虹色光谱或频率。每种颜色都具有隔离和印记数据的能力，然后可以重新组合并通过光纤发送，从而传输数据。

研究开发这种芯片的一个关键因素是所谓的“Q因子（品质因子）”，这是衡量光损耗的物理特性——Q因子越高，损耗越低。“自2019年以来，我们是世界上为数不多的能够制造光学质量超过千万的集成微谐振器的团队之一。”开发和制造该芯片的研究小组的负责人Victor Torres Company表示[2]。有趣的是，该芯片并未针对这一特定应用进行优化。

“然而，通过团队的努力，我们现在能够对工艺进行逆向工程，并在电信目标应用中实现高再现性微梳。”Victor Torres Company说：“我们现在正在根据我们所说的‘光子分子’来了解这些更新、更可重复的微梳的特性，因为我们相信它们将使未来达到每秒速度的愿景成为可能。”

02

数据传速1.84 Pbit/s，带宽增加8251倍

光子芯片技术在光学数据传输方面大有希望：因为处理器和传输介质都与光波一起工作。科学家简单地解释了由Asbjørn Arvad Jørgensen领导的丹麦科学家如何利用手头的资源设法提供这样的带宽。

通信系统模型。来源：丹麦技术大学

首先，试验中使用的数据流被分成37条线路，每条线路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，对应于光谱的区域。这允许创建一个“频率梳”，其中数据同时以不同的颜色传输，而不会干扰其他流。换句话说，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。当然，这种拆分和重新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 Pbit/s带宽并不容易：因为没有计算机可以发送或接收，更不用说存储如此庞大的数据量了。研究小组在各个通道上使用虚拟数据来验证什么是全带宽容量。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。

实际上，光子芯片将单个激光器分成许多频率，并且需要进行一些处理来对37个数据光纤流中的每一个数据流的光数据进行编码。根据Jørgensen的说法，一个精巧的、功能齐全的光学处理设备应该可以构建成大约一个火柴盒的大小——这与电信行业当前使用的单色激光传输设备的尺寸相似。

实现的数据传输率（红色三角形）与理论吞吐量。来源：丹麦技术大学

最终，实验将能够保持相同的光缆基础设施，用类似大小的光子芯片供电设备替换火柴盒大小的光学数据编码器/解码器，从而可能使数据带宽有效增加8251倍。研究人员表示[3]，他们的工作显示出足够的潜力来激发“未来通信系统设计的转变”。

03

有望改变未来通信系统，数据传速将达100 Pbit/s

此外，研究人员创建了一个计算模型，从理论上检验使用与实验芯片相同的单芯片进行数据传输的基本潜力。研究人员声称，单个芯片级光源最终能够在大规模并行空间和波长多路复用数据传输系统中支持100 Pbit/s。

“我们的计算表明，借助查尔姆斯理工大学制造的单芯片和单激光器，我们将能够传输高达100 Pbit/s的数据，”Leif Katsuo Oxenløwe教授说[4]：“这样做的原因是我们的解决方案是可扩展的：无论是在创建许多频率方面，还是在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用作我们可以传输数据的并行源方面。换句话说，我们的解决方案提供了替代位于互联网中心和数据中心的数十万台激光器的潜力，所有这些激光器都会消耗电力并产生热量——我们有机会为实现减少气候足迹的互联网做出贡献。”

这些新发现可能标志着未来通信系统设计的转变：它的目标是设备高效的发射器和接收器。

“全世界都在做将激光源集成到光学芯片中的工作，我们也在努力。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，即、激光、梳状创建芯片、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[5]。

参考链接：

[1]https://www.nature.com/articles/s41566-022-01082-z

[2]https://www.chalmers.se/en/departments/mc2/news/Pages/Chip-from-Chalmers-enables-data-transmission-world-record-.aspx

[3]https://www.tomshardware.com/news/record-184-petabit-per-second-data-transfers-achieved-using-photonic-chip-and-fiber-optic-cable

[4]https://www.inceptivemind.com/researchers-set-world-record-transmitting-1-8-pbit-s/27972/

[5]https://phys.org/news/2022-10-transmission-laser-optical-chip.html