在光子芯片上使用孤子的光通信

      ICCSZ訊 光孤子是特殊的波包，它們在不改變形狀的情況下傳播。它們在自然界中無處不在，并且發(fā)生在等離子體物理學(xué)中，水波發(fā)生在生物系統(tǒng)中。雖然孤立子也存在于20世紀(jì)80年代在貝爾實(shí)驗(yàn)室發(fā)現(xiàn)的光纖中，但迄今為止技術(shù)的應(yīng)用受到限制。雖然研究人員研究了它們在光通信中的應(yīng)用，但最終這種方法被放棄 現(xiàn)在，KIT光子學(xué)和量子電子學(xué)院(IPQ)研究小組和微結(jié)構(gòu)技術(shù)研究所(IMT)與EPFL光子學(xué)和量子測量實(shí)驗(yàn)室(LPQM)的合作表明，孤子可能會卷土重來：而不是使用一串光纖中的孤子脈沖，它們在緊湊的氮化硅光學(xué)微諧振器中產(chǎn)生連續(xù)循環(huán)的光孤子。這些連續(xù)循環(huán)的孤子導(dǎo)致寬帶光學(xué)頻率梳。兩個(gè)這樣的疊加頻率梳在179個(gè)波長信道上實(shí)現(xiàn)了大規(guī)模并行數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)速率超過每秒50太比特 - 這是頻率梳的記錄。這項(xiàng)工作發(fā)表在自然。

      約翰霍爾和西奧多W.H?nsch于2005年獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的光學(xué)頻率梳由大量相鄰光譜線組成，這些光譜線在規(guī)則的等距網(wǎng)格上對齊。傳統(tǒng)上，頻率梳用作頻率測量的高精度光學(xué)參考。所謂的克爾頻率梳的發(fā)明，其特征在于大的光學(xué)帶寬和通信的最佳線間距，使得頻率梳同樣非常適合于數(shù)據(jù)傳輸。每條單獨(dú)的譜線可用于傳輸數(shù)據(jù)信號。

      在他們的實(shí)驗(yàn)中，KIT和EPFL的研究人員在光子芯片上使用了光學(xué)氮化硅微諧振器，可以很容易地集成到緊湊的通信系統(tǒng)中。對于通信演示，使用兩個(gè)交錯(cuò)頻率梳來在179個(gè)單獨(dú)的光載波上發(fā)送數(shù)據(jù)，這些載波完全覆蓋光通信C和L頻帶，并允許在75千米的距離上傳輸55太比特/秒的數(shù)據(jù)速率。“這相當(dāng)于超過50億個(gè)電話或超過200萬個(gè)高清電視頻道。這是使用芯片格式的頻率梳源達(dá)到的最高數(shù)據(jù)速率，”KIT教授Christian Koos解釋說。

      這些部件有可能大大降低通信系統(tǒng)中光源的能耗。研究人員工作的基礎(chǔ)是在低損耗光學(xué)氮化硅微諧振器中產(chǎn)生的孤子。在這些中，2014年由Kippenberg的EPFL實(shí)驗(yàn)室首次產(chǎn)生了光孤子狀態(tài)。“由于微諧振器中光場強(qiáng)度高，非孤子形成孤子”Kippenberg解釋道。微諧振器僅通過連續(xù)波激光器泵浦，通過孤子，產(chǎn)生數(shù)百個(gè)新的等距激光線。氮化硅集成光子芯片在EPFL的微納米技術(shù)中心(CMi)中生長和制造。同時(shí)，來自LPQM的創(chuàng)業(yè)公司，LiGenTec SA，

      該工作表明，微諧振器孤子頻率梳源可以顯著提高光通信中波分復(fù)用(WDM)技術(shù)的性能。WDM允許通過在單個(gè)光波導(dǎo)上使用多個(gè)獨(dú)立數(shù)據(jù)信道來傳輸超高數(shù)據(jù)速率。為此，信息在不同波長的激光上編碼。對于相干通信，微諧振器孤子頻率梳源不僅可以用于發(fā)射機(jī)，還可以用于WDM系統(tǒng)的接收機(jī)側(cè)。梳狀源極大地提高了各個(gè)系統(tǒng)的可擴(kuò)展性，并實(shí)現(xiàn)了與光的高度并行相干數(shù)據(jù)傳輸。據(jù)Christian Koos稱，這是邁向未來petabit網(wǎng)絡(luò)的高效芯片級收發(fā)器的重要一步。