重大突破:一条光纤的传输容量高达661Tbps(附论文)

  研究人员将全世界目前的光纤容量塞入到一条链路中。

重大突破:一条光纤的传输容量高达661Tbps(附论文)

  社会对数据的渴求永无止境。事实上,想想这个就令人相当惊讶:平均的互联网流量是每秒几百兆兆位,耗电量约占我们发电量的8%。这一切用来传输猫咪即时拍视频,我们对新的猫咪视频的渴求显然无法满足,因此需要更多的容量和更多的电量。

重大突破:一条光纤的传输容量高达661Tbps(附论文)

  然而,在扩增容量的同时能源需求并不继续以同样的速度增长就好了。研究人员已设法将数量异常多的信息编码到单个激光器的光中,为实现这个目标迈出了坚实的一步。

  扩增带宽和功率的问题归结为激光器及其低效率。好的激光器其效率约 30%。典型的电信激光器可能发射 20mW,因此每个激光器的功率至少是 70mW(放大器的能耗更多)。为了将更多的数据塞入到一条光纤中,数据被分配到不同颜色的光,这就叫波分复用(WDM)。遗憾的是,每种颜色都需要自己的激光器,这意味着能量成本随带宽而增加。

  颜色众多的激光器

  

  研究人员从所有光通信系统开始的同一个地方入手:使用激光器。但是这种激光器不是发出很纯的颜色,而是发出光脉冲。将许多很纯的颜色叠加在一起,就能生成这些脉冲,颜色由大小均匀的频隙分开来。

  激光器本身并不生成好多这些颜色,因此研究人员使用一种技巧生成更多的颜色。光通过一根细细的导线(直径约 300 纳米)传输。直径很小,于是光被压缩,变得很亮。高强度使得组成导线的材料通过生成新颜色作出反应。诀窍在于,这些新颜色遵循激光器脉冲设置的间距。因此,从导线出来的光脉冲由成千上万种很纯的颜色组成。

  这意味着单单一个激光器可以生成整个系统所需的全部 80 种颜色,这很棒。然而,研究人员还没有完成全部工作。

  塞入数据

  

  激光器发射的光分成两个偏振(偏振是指电场振荡时的方向),所以每种颜色贡献两个信道。然后,由于激光器是脉冲的,可以将信息放入到四个不同的时隙中,这就叫时分复用(TDM)。因此,每种颜色的原始数据速率约 320Gbps。不过有 80 种颜色,这相当于 25Tbps。

  研究人员依然没有停下脚步。

  传输信号的光纤由 30 个导光芯组成,这些导光芯外面裹以一个包层。这意味着每个芯都能够以 25Tbps 的速率传输数据,从而使总容量达到 768Tbps。然而这是原始数据速率。数据传输时始终会有一些冗余,以便纠正错误,这就叫前向纠错。一旦考虑到冗余,最终的数据传输速率为 661Tbps。

  无论按哪个标准来衡量,这都是令人难以置信的数据量。

  至于功率节省方面多显著,我其实心里没谱。每路数据流仍需要独立的调制对数据进行编码,因此这方面无法节省功率。然而,激光器本身发射的功率小于 90mW,这大约是每种颜色独立发射时所耗用的光功率的5%。假设激光器有同样的效率――这是一大假设,那么功率节省也就意味着电能节省。

  可以想象,这有望在数据中心等环境大大节省能源。但是对于长距离连接而言,我怀疑主要的能源成本在放大器方面。话虽如此,无论你怎么看待,这都是了不起的技术成就。

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