小型化的光孤子通信系统：速度超50Tbps！

导读

最近，德国和瑞士科学家组成的科研小组，采用芯片上的氮化硅微谐振器产生光孤子，并制造出光学频率梳，通过两个叠加的频率梳，能在179个波长通道上，进行大规模并行数据传输，数据速率超过50Tbps，传输距离达75千米。

关键字

光通信、光孤子、芯片

背景

与以往一样，我们今天还是从一个物理概念说起。这个概念就是：

孤子（Soliton）

对于这个概念，大家可不要望文生义，把它理解为“孤独的孩子”。那么，到底什么是“孤子”呢？

也许，大家都很熟悉水波。往水中投一个小石块，你就会看到水面荡起波纹。这种水波，是由水面的振动形成的，它会随着传输距离越来越远，能量逐渐衰减而很快消失。

然而，1834年，英国科学家约翰·斯科特·罗素在勘察运河河道时，看到一只迅速前进中的船，在突然停下来时，其船头形成了一个孤立的水波。水波的形状滚圆、光滑、轮廓分明。随后，这个孤立的水波迅速离开船头，以每小时约14～15千米的速度前进。前进过程中，水波保持着原有的形状，稳定地的传播着。水波的大小、形状和速度变化很缓慢，它前进了大约2～3千米才消失掉。

（图片来源于：M. J. Ablowitz and D. E. Baldwin, Phys. Rev. Lett. 2012 ）

这个现象引起罗素的注意和思考，他认为这个水波不同于普通的水波。后来，罗素将这种奇特的波包称为孤立波，并在其后半生专门从事孤立波的研究。但是，很长一段时间，罗素所发现的孤立波现象并未能引起人们的重视。

直到1895年，数学家科特维格与得佛里斯从数学上推导出了著名的浅水波 KdV方程，并给出了一个类似于罗素孤立波的解析解，即孤立波解，孤立波的存在才得到普遍承认。

那么，孤立波为什么又称为孤子呢？

单个孤立波行进过程中非常稳定。对此，科学家们从实验和理论上进行了证实。那么，如果两个孤立波相互碰撞，又会发生什么？是不是稳定的波包将会遭到破坏呢？

科学家通过计算机对于孤立波的进一步研究并发现：两个孤立波发生相互碰撞后，形状仍维持不变，这一点与粒子十分相似，而且还遵守粒子的动量守恒和能量守恒定律，甚至还具有质量特性。孤立波能有这么多的粒子特性，所以，科学家又称之为“孤立子”，也可以简称为“孤子”。

光孤子又是什么？

后来，科学家又发现孤立波不仅存在于水中，而且还存在于声、光、电等多个领域。1973年，孤立波的概念开始引入到光纤通信领域。与水波中的孤子概念相似，光孤子其实是一种光脉冲波，它在光纤中传播时，可长时间、长距离保持形态、幅度和速度不变。所以，光孤子在超长距离、超大容量的光通信领域，有着十分重要的价值。

创新

最近，德国卡尔斯鲁厄理工学院（KIT）光子与量子电子学研究所（IPQ）、微结构技术研究所（IMT）以及瑞士洛桑联邦理工学院（EPFL）光子和量子测量实验室（LPQM）的研究人员组成了研究小组，采用芯片上的氮化硅微谐振器产生光孤子，并制造出宽带光学频率梳。

两个叠加的频率梳可在179个波长通道上，进行大规模并行数据传输，数据速率超过50Tbps，传输距离达75千米。

相关的研究论文发表于《自然》杂志。

光孤子频率梳，产生于氮化硅微谐振器内，可以通过多个频道进行大规模并行数据传输。

(图片来源于: J. N. Kemal/ P. Marin-Palomo/ KIT)

技术

从技术的角度说，光学频率梳是这项研究的一个重要观察点。

何为光学频率梳?

光学频率梳，是指在频谱上由一系列均匀间隔且具有相干稳定相位关系的频率分量组成的光谱。2005年，科学家John Hall 和 Theodor W. Hänsch 由于在频率梳方面的开创性工作，获得了诺贝尔物理奖。

从原理上说，光学频率梳在频域上，表现为具有相等频率间隔的光学频率序列。这些频谱线的分布特性如同我们日常生活中使用的梳子，梳齿之间保持着相等的距离。

（图片来源于：维基百科）

传统意义上说，光学频率梳常用于高精度的光学频率测量。然而，自从克尔频率梳发明以来，光学频率梳的应用得到了拓展。这种频率梳的光学带宽很大，且谱线密度也非常适合用于数据通信，每条单独的谱线都可以用于传输数据信号。

为了演示通信功能，研究人员采用了两种相互叠加的频率梳，在179个光学载波上进行数据传输，完全覆盖了光通信的C和L波段，数据速率达55Tbps，传输距离达75千米。

如何制造出光学频率梳？

在实验中，研究人员采用了位于光子芯片上的光学氮化硅微谐振器，它可以很方便地集成到小型化的通信系统中。

携带多个氮化硅微谐振器的光学芯片

(图片来源: J. N. Kemal/ P. Marin Palomo/KIT)

这种低损耗的光学氮化硅微谐振器能够产生出光孤子，是这项研究的基础。

氮化硅微谐振器

(图片来源: V. Brasch /LPQM, EPFL )

2014年，科研人员在 Kippenberg 的实验室，首次制造出光孤子状态。

根据Kippenberg 的说法，光孤子是通过非线性过程的产生的，微谐振器中的高强度光场起到了重要作用。微谐振器利用连续波激光器产生的激光，通过光孤子的方式，产生几百条新的等距激光线。

价值

对于这项研究的价值。首先是超高的数据速率，正如KIT的教授 Christian Koos 所说：

“它相当于超高50亿台手机或者200万个高清电视的信道。目前为此，这是使用芯片形式的频率梳所达到的最高数据速率。”

除了惊人的超高数据速率外，这些新器件还将大幅降低光通信系统中光源的能耗，另外还具有小型化特点，可以集成到芯片上。

这种微谐振器光孤子频率梳，对于改善光通信领域的波分复用（WDM）技术，也很有帮助。WDM 技术通过单个光学波导上的大量独立的数据信道，达到超高的数据速率。因为，信息可以通过不同波长的激光编码。

对于相干通信来说，微谐振器光孤子频率梳不仅可以用于发射器，还可以用于WDM系统的接收器端。这种频率梳将显著提升相应系统的可扩展性，另外还将带来高度并行的相干光通信。

未来的petabit （相当于10的15次方个二进制数）网络，需要采用更加高效的芯片级收发器。向着这个目标，这项研究迈出了十分重要的一步。

参考资料

【1】https://www.kit.edu/kit/english/pi_2017_074_nature-optical-communication-at-record-high-speed.php

【2】https://actu.epfl.ch/news/optical-communication-using-solitons-on-a-photon-2/

【3】Pablo Marin-Palomo, Juned N. Kemal, Maxim Karpov, Arne Kordts, Joerg Pfeifle, Martin H. P. Pfeiffer, Philipp Trocha, Stefan Wolf, Victor Brasch, Miles H. Anderson, Ralf Rosenberger, Kovendhan Vijayan, Wolfgang Freude, Tobias J. Kippenberg, Christian Koos: Microresonator-based solitons for massively parallel coherent optical communications. Nature, 2017 (DOI: 10.1038/nature22387)

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光纤中暗孤子的产生 郎克强学习翻译

光纤中暗孤子的产生 郎克强学习翻译

一.

研究了正常色散状态下非线性光纤中暗脉冲孤子的产生。我们证明了无阈值的任意暗脉冲可以产生成对的暗孤子，并得到所产生的孤子的参数。本文还描述了盒状暗脉冲和随机高斯脉冲产生孤子的情况。相干光学系统使用一个被调制的连续光束，通过在接收器上与本地振荡器混合来检测调制。在这种情况下，约束条件变成了临时条件。在T-+-。在a=+1时，单色平面波lul=const，在边带的形成（所谓的benja-min-feir不稳定性）中是不稳定的，因此，用iul-const求解。AT T-A也不稳定。但是，在a=-1时，lul=const的解。是稳定的，因此，具有暗孤子解，即稳定均匀状态的局域非线性激发。

二.

最近，Krokel等人7通过实验观察了在具有快速强度下降（暗脉冲）的长亮脉冲上形成暗脉冲孤子。因为暗区的自相位调制信号脉冲是反向的，平衡使暗脉冲传播不受干扰成为可能。本文旨在研究光纤中暗孤子的产生。这个问题对于解释Krokel等人的一些结果很重要。以及暗孤子在光通信系统中的潜在应用。

由逆散射变换可知，特征值（13）对应于一对振幅为U0A，速度为+2XO的暗孤子。因此，对于大于0的情况，可以在没有阈值的情况下创建暗脉冲孤子，即通过无限小的驱动脉冲创建。这一分析结果解释了Krokel等人7的一些实验观察，特别是他们没有注意到暗孤子产生的任何阈值功率。

三.

众所周知，产生亮光孤子的过程是阈值4，即，如果包络下的区域大于阈值7r/2，则亮孤子是由局部脉冲产生的。由逆散射变换可知，特征值对应于一对振幅为U0A，速度为+2XO的暗孤子。因此，对于大于0的情况，可以在没有阈值的情况下创建暗脉冲孤子，即通过无限小的驱动脉冲创建。这一分析结果解释了Krokel等人7的一些实验观察，特别是他们没有注意到暗孤子产生的任何阈值功率。

有趣的是，我们对本征问题的结果和关系式与量子力学中著名的Peierls问题有相似之处：一个维度Wellways包含离散能级。

为了在更一般的情况下研究孤子的产生，我们从数学的角度考虑另一个输入脉冲，它是感兴趣的，可以通过分析来考虑，即盒状暗脉冲的情况，根据式13和关系式14，概率[式（18）]具有在Uoflo/n<w<uofon区间内产生两个振幅相等的暗孤子的概率的意义。小随机驱动脉冲产生孤子的总概率为p=limn--pn=1/2。在值0（t）不小的情况下，该概率将大于1/2，因为特征值也可能出现负值4。

因此，暗孤子产生的阈值的缺失导致了一些重要的结论。一个人可以很容易地通过一个小的驱动脉冲在光纤中产生暗孤子，但另一方面，小的（随机或系统的）波动通常作用于真实光纤中的孤子，将在连续波背景上产生额外的（二次）暗脉冲，概率p>1/2。后一种情况可能不允许在光通信系统中以类似于亮孤子的方式有效地使用暗孤子。

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