盤點：2013年光通信領(lǐng)域科學(xué)前沿技術(shù)

伴隨著人們對高速傳輸需求的上升，2013年的科學(xué)界也在上演一場“速度比拼”，科學(xué)家們通過開發(fā)新的傳輸材質(zhì)、新的工藝結(jié)構(gòu)、新的編碼技術(shù)等多種方式，實現(xiàn)更高效的通信。另外，在光集成、通信安全等領(lǐng)域也獲得了不同程度的突破。

NEC 實現(xiàn)1Tb信號的5400公里長距離實時通信

NEC公司 2013年1月宣布，其通過實時處理成功使用每秒1Tbit(1T=1024G)的大容量信號進行了5400公里的長距離通信。此次是將100 Gbit的副載波信號以高密度方式疊加，生成1Tbit的"超信道信號"，并通過光纜傳輸了5400公里的距離。NEC已通過實驗證實，可對該疊加信號進行實時處理，并毫無錯誤地完成通信。5400公里大約相當(dāng)于東京和新加坡或者紐約和倫敦之間的距離。如果將新技術(shù)應(yīng)用于橫跨大陸間的海底光纜上，那么將可以更加輕松地將大城市高速連接起來。

該級別的大容量長距離通信實驗的成功在全球尚屬首次。隨著大容量視頻發(fā)送和云計算的普及，采用海底光纜的國際通信網(wǎng)絡(luò)需求激增。NEC在這個領(lǐng)域擁有全球最高的市場份額。由于新技術(shù)面向?qū)嵱没~進了一大步，因此NEC將強化針對通信運營商等的業(yè)務(wù)活動。計劃今后利用新鋪設(shè)的海底光纜使該其通信服務(wù)被通信網(wǎng)絡(luò)采用。

NEC的此次實驗中采用了精密調(diào)整信號波形(光譜形狀)以抑制因傳輸而產(chǎn)生的信號劣化，以及通過數(shù)字電路補償失真的方法，確立了在數(shù)千公里的長距離通信中也不會產(chǎn)生錯誤的技術(shù)。與目前主流的采用100 Gbit信號的光纜通信網(wǎng)絡(luò)相比，可將頻率利用效率(通信容量)提高約43%。

同在1月份，NEC美國全資子公司與康寧聯(lián)合宣布創(chuàng)造了光纖傳輸新記錄。NEC在美國普林斯頓的研究人員和康寧在蘇利文工業(yè)園研究中心的工程師聯(lián)合成功實現(xiàn)了基于多芯光纖MCF的1.05Pbps(1pbps=1000tbps)的超高速傳輸，其頻譜利用效率109比特每秒每赫茲頻率。傳輸采用了空分復(fù)用(SDM)方案和光多輸入多輸出(MIMO)的信號處理技術(shù)。

這些新技術(shù)為新的超高速傳輸提供了新的可能，同時也為運營商快速增加網(wǎng)絡(luò)容量提供了經(jīng)濟有效的解決方案。

英研制出以99.7%光速傳輸數(shù)據(jù)的新型光纖

英國南安普敦大學(xué)的研究團隊讓光纖傳輸速度真正接近了宇宙的速度極限——光速。弗朗西斯科˙伯樂蒂(Francesco Poletti)和他的團隊制造的光纖能夠以99.7%的光速傳輸數(shù)據(jù)，換成數(shù)據(jù)量73.7Tb/s，即大約10TB/s，這個速度比現(xiàn)在常用的40Gb級的光纖電纜要快一千多倍，并且大大降低了傳輸時延。

光在真空中的傳播速度為299,792,458米每秒，而在其余介質(zhì)中的光速會大為降低。在普通光纖(材質(zhì)為石英玻璃)中，光的傳播速度將降低31%。由于光在空氣中的傳播速度要快于在玻璃中的傳播速度，研究團隊也因此萌生了相當(dāng)有創(chuàng)意的想法——他們要制造一種空心光纖，空氣將成為這種光纖的主要組成材質(zhì)。

但他們遇到的最大問題便是這樣制造出來的光纖難以彎曲。對于普通光纖來說，玻璃/塑料材質(zhì)擁有一定的折射率，光線因為全反射可以在光纖內(nèi)曲折前進。但是，當(dāng)光纖內(nèi)部存在中空時，一旦光纖發(fā)生彎曲，信號的傳輸就會被干擾，光纖的帶寬就會被限制。

對于這個歷史性難題，南安普敦大學(xué)的研究團隊從根本上升級了中空光纖的設(shè)計，在光纖內(nèi)部空氣與玻璃接觸面上附上一層超薄的特殊物質(zhì)，形成核心-包覆邊界，使光無法向外折射。他們新設(shè)計的光纖每公里的損耗為3.5dB，而帶寬高達160nm。當(dāng)然，最關(guān)鍵的是，光在這種光纖內(nèi)的傳播速度大幅提升，擺脫了傳統(tǒng)光纖因為材質(zhì)產(chǎn)生的31%速度上限衰減。研究團隊通過波分復(fù)用技術(shù)(WDM)在310米長的中空光纖中發(fā)送了37個40Gb的信號，實驗室結(jié)果顯示傳輸速度高達每秒73.7Tb，創(chuàng)下了人類有史以來在實驗室中最快的傳輸記錄之一。“之前的光纖要不就是用高損耗換取帶寬，要不就是犧牲帶寬減小損耗，而我們做到了兩全其美。”伯樂蒂說道。

在現(xiàn)實應(yīng)用中，每公里3.5dB的損耗是可以接受的，但這種“空氣光纖”在短時間內(nèi)取代傳統(tǒng)光纖的可能性還是比較小的(畢竟短期內(nèi)服務(wù)商也不可能提供如此高的帶寬)。但對于大型數(shù)據(jù)中心和超級計算機互聯(lián)而言，使用這種光纖倒是能顯著地降低延遲，提升速度。

耳機降噪原理可用于光纜通信領(lǐng)域 提高網(wǎng)速

美國貝爾實驗室的研究人員發(fā)現(xiàn)，耳機噪音消除的基本原理能夠提高互聯(lián)網(wǎng)的連接速度和可靠性，借助該技術(shù)現(xiàn)已于1.28萬公里長的光纖電纜線路上，實現(xiàn)了以每秒400GB的速度發(fā)送數(shù)字信號。

一直以來，光信號在長途光纜中傳輸所帶來的噪音就一直困擾著通信業(yè)。但現(xiàn)在研究人員從降噪耳機那里獲得了靈感——它能夠接收外界的噪音，然后通過耳機內(nèi)部的電子電路產(chǎn)生與噪音音波相位相反的信號，以此來消除噪音。研究人員認為，這種原理同樣能夠應(yīng)用于光纜通信領(lǐng)域，即將耳機主動式降噪技術(shù)應(yīng)用于提高光纖連接的速度和可靠性，所不同之處只在于用光信號取代電信號。

研究團隊此次運用了相位共軛(phase conjugation)技術(shù)，這也是一種很有前景的抑制”非線性克爾(Kerr)效應(yīng)“的手段——正是后者限制了光纖通信中的傳輸速率和容量，并成為當(dāng)前光纖通信系統(tǒng)的主要障礙。

而相位共軛簡單說來，就是將兩個電波相互重疊，以取得抵消噪聲，消除非線性失真的效果。研究人員的具體做法則是在光纖電纜上傳輸原始數(shù)據(jù)的同時，發(fā)送兩個光束進行噪聲消除——光束具有收集并消除噪聲的性質(zhì)。

此次的技術(shù)或?qū)⒊蔀橥ㄐ艠I(yè)的福音。目前，全球運營商建設(shè)的傳輸網(wǎng)，主要以單波10Gbps以及40Gbps傳輸網(wǎng)為主。而隨著網(wǎng)絡(luò)流量的快速增加，100Gbps系統(tǒng)組建傳輸網(wǎng)已經(jīng)成為必然--但該種組網(wǎng)的興建遇到相當(dāng)多的問題，其中噪音就是最棘手的之一，單波400Gbps系統(tǒng)的情況更為嚴(yán)重。

相比之下，劉響的團隊現(xiàn)已經(jīng)在一條1.28萬公里長的光纖電纜線路上，實現(xiàn)了以每秒400GB的速度發(fā)送數(shù)字信號，而目前谷歌光纖向用戶提供的互聯(lián)網(wǎng)速度是每秒1GB。如果該技術(shù)得到應(yīng)用推廣，400Gbps的系統(tǒng)將可以實現(xiàn)單纖24Tbps的大容量遠距離傳輸，從而大大緩解目前運營商所面臨的流量問題。

有外媒評論稱此次技術(shù)將極大優(yōu)化和提升當(dāng)前互聯(lián)網(wǎng)的性能。不過劉所在研究團隊尚未確定這項技術(shù)進行商業(yè)化應(yīng)用的時間。

扭曲光束可提高光纖信息承載能力

美國的一個科研小組的研究成果顯示，通過不同形狀的扭曲光束來編碼信息，可以提高互聯(lián)網(wǎng)”信息高速公路“的承載能力，從而有效地緩解網(wǎng)絡(luò)擁堵。

從前幾年開始，就有多個研究團隊在嘗試通過光束的形狀來為信息編碼，以此緩解網(wǎng)絡(luò)交通堵塞，該技術(shù)利用到了被稱為軌道角動量的光屬性。目前，網(wǎng)絡(luò)信號是利用直向傳播的光束來傳送的，但特定的濾波器可以使光束在行進過程中發(fā)生不同程度的扭曲。不過，利用這種效應(yīng)進行的實驗效果不甚理想：不同形狀的光束在前進不到1米的距離后，往往就相互混雜了。

但現(xiàn)在，美國波士頓大學(xué)和南加州大學(xué)的研究人員合作，找到了一種方法使不同形狀的光束分開行進，傳送距離達到了創(chuàng)紀(jì)錄的1.1公里。實驗中，研究人員設(shè)計并建造了一條1.1公里長的玻璃電纜，其橫截面有不同的折射率(用于衡量光線在特定介質(zhì)中行進速度有多快)。然后，他們沿著電纜分別發(fā)送了曲折的和直向的光束。

該研究小組發(fā)現(xiàn)，光輸出和輸入能夠相匹配，表明各種形狀的光束并沒有出現(xiàn)混雜。不同的折射率明顯只影響某一種形狀的光束，因此，這些不同形狀的光束在電纜中是以不同的速度前進的。”這意味著我們可以讓它們保持分離。“研究小組負責(zé)人、波士頓大學(xué)電氣工程師賽達斯˙拉瑪錢德蘭說。

研究人員利用沿順時針和逆時針方向呈不同扭曲度的光束進行了多次測試，發(fā)現(xiàn)大約有10種不同形狀的光束可被用來傳遞信息。這個結(jié)果令人振奮，因為每一個形狀都可能預(yù)示著”信息高速公路“上的交通有望達到一個全新的水平。在此基礎(chǔ)之上，再將數(shù)據(jù)流按照不同顏色進一步劃分為狹窄的”車道“，從而能使流量最大化。

不過，要將實驗室成果應(yīng)用于現(xiàn)實世界還需要時間，部分原因在于目前的互聯(lián)網(wǎng)電纜只輸送直向光束。拉馬錢德蘭說，一個更直接的目標(biāo)，可能是在臉譜等一些大型網(wǎng)絡(luò)公司所使用的服務(wù)器群的服務(wù)器之間，安裝能夠短距離傳送扭曲光束的電纜。

解碼光纖數(shù)據(jù)傳輸新模式 多元傳輸引爆通訊革命

研究者構(gòu)建了一種能夠以全新方式編碼數(shù)據(jù)的光纖數(shù)據(jù)傳輸新模式，通過這種方式，光波能夠螺旋傳播。與此同時，通過搭配使用更常規(guī)的填充額外數(shù)據(jù)的傳輸模式，新模式的數(shù)據(jù)傳輸率將獲得極大提高。

美國哥倫比亞大學(xué)電機工程師Keren Bergman說：“螺旋狀傳輸令人印象深刻，使我感到興奮不已。”科學(xué)家于上世紀(jì)90年代證明：如果將不同的數(shù)據(jù)流編譯成不同的顏色或者波長，那么在同一根光纖上同時傳輸多個數(shù)據(jù)是可行的。Bergman注意到，在此之后，電信公司極大地提高了數(shù)據(jù)帶寬。

現(xiàn)階段的研究中，Ramachandran團隊與Willner展開合作，證明了科技可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速傳播。他們通過特殊纖維實現(xiàn)了以每秒1.6萬億比特的速度，在10種不同的波長中以及兩種OAM編譯模式下，傳輸數(shù)據(jù)超過1000米。雖然這個傳輸距離很短，未來需要極大的延長，但對于數(shù)據(jù)中心以及科學(xué)機構(gòu)等其他高端用戶群體來說，這樣的傳輸距離足夠了。紐約羅切斯特大學(xué)物理學(xué)家Robert Boyd說：“這個研究成果令人印象深刻，我已經(jīng)可以預(yù)見到一個廣闊的商業(yè)市場。”

Ramachandran和Willner認識到，打破數(shù)據(jù)傳輸速度的瓶頸，OAM模式并非唯一的解決方法。近年來，光學(xué)研究者已研制出最高可支持12種編譯模式的光纖。但是，這種傳輸方式通常需要在數(shù)據(jù)接收終端安置大量的電腦來解讀信號。

另一種方法則是“多核”光纖，即光纖內(nèi)包含多個“核心”，不同的編譯模式通過不同的“核心”傳輸。去年，美國研究者利用這種方法成功地將傳輸速度提高到每秒1千萬億比特(大約是目前OAM編譯模式傳輸速度的1000倍)。

Willner表示，這些方法并不相互排斥，在他的設(shè)想里，未來的“多核”光纖最好也能夠支持多種OAM編譯模式。此外，現(xiàn)有的傳輸手段也將能在新光纖內(nèi)搭配使用。如果這個設(shè)想得以實現(xiàn)的話，那時的數(shù)據(jù)傳輸速度與現(xiàn)有的速度相比，就如同光纖上網(wǎng)與撥號上網(wǎng)的速度差距一樣大。

相位共軛光技術(shù)突破長距離傳輸容量極限

隨著高速傳輸技術(shù)在現(xiàn)網(wǎng)中的應(yīng)用，長距離傳輸技術(shù)的發(fā)展也備受關(guān)注，尤其是目前100G技術(shù)的商用后，400G、1T的傳輸速率已經(jīng)被提上議程，基于現(xiàn)有的技術(shù)發(fā)展路線，長途傳輸容量的極限也遭受挑戰(zhàn)，要確保長距離傳輸?shù)墓庑盘枏姸?，同時擴展傳輸容量已經(jīng)成為長距離光通信領(lǐng)域的重要課題。

貝爾實驗室目前已經(jīng)開發(fā)出了能夠打破這一局限的突破性技術(shù)，通過“相位共軛光”，大幅降低因光纖中非線性光學(xué)效應(yīng)而導(dǎo)致的信號劣化。據(jù)了解，貝爾實驗室將這項技術(shù)用于復(fù)用傳輸8個不同波長光信號的長距離光通信系統(tǒng)后確認，一根1.28萬公里長的光纖具備406.6Gbit/秒的傳輸容量。而這一數(shù)字與目前實用的最新傳輸容量相同，值得一提的是，相比之下，采用新技術(shù)后光信號質(zhì)量更高，或只需更小的光信號強度。

相位共軛光是指從光源處發(fā)射出的光線經(jīng)相位共軛反射鏡后按照原路徑反射回光源處的光。相位共軛光的振幅和頻率與原光線相同，僅光線的傳播方向相反。與傳統(tǒng)的反射光相比，相位共軛光不僅消除了信號失真，同時波長分散、相位噪聲等都會因此而消失。傳統(tǒng)的光纖傳輸中，光信號通過一系列的全反射進行光傳輸，在傳輸過程中的光信號衰減、非線性效應(yīng)等問題都存在，而通過相位共軛光的傳輸，則可以有效消除一系列的非線性效應(yīng)。

據(jù)了解，相位共軛光的技術(shù)研究已經(jīng)持續(xù)較長時間，同時在光通信領(lǐng)域已有研究，然而由于傳輸過程中需要特殊的中繼器，因而實用化較低。貝爾實驗室所提出的這一創(chuàng)新技術(shù)也是采用了相位共軛光，從而實現(xiàn)了現(xiàn)有光纖也可也可降低因非線性光學(xué)效應(yīng)而導(dǎo)致的信號失真。

此次貝爾實驗室提出的通信系統(tǒng)則無需中繼器。該系統(tǒng)在傳輸光信號時，可以同時傳輸普通的光信號A及其相位共軛光的光信號A+。雖然任何一個光信號都會在傳輸路徑上出現(xiàn)劣化，但A+所承受的信號失真的主要成分，其編碼與A信號失真的主要成分相反。也就是說，A與A+合成后，信號失真的大部分會相互抵消。

新技術(shù)使得光纜數(shù)據(jù)傳輸速率提高10倍

自從上世紀(jì)七十年代光纜問世以來，新技術(shù)革新使得平均每過4 年其傳輸速度就會提升10 倍，但近幾年我們似乎遇到了瓶頸。

世界各地的科學(xué)家都在努力穿過這段狹小的瓶頸，位于洛桑的瑞士聯(lián)邦理工學(xué)院率先完成了這項任務(wù)。他們發(fā)表在《 Nature Communications 》上的論文揭示了一種將光纜數(shù)據(jù)傳輸速率提高 10 倍的方法。

一直以來研究者們都明白縮小信號間距是一條正確的路線，但過小的距離總會產(chǎn)生信號干涉，沒人能解決這個問題。而通過用同一頻率發(fā)射脈沖信號，科學(xué)家們得以避免相近信號的干涉，獲得 99%數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性的理想脈沖信號。

該論文合著者之一的 Camille Brès 表示“為了能把它們搭配在一起，這種脈沖的形狀比普通脈沖更尖銳，你可以想想一下拼圖的每一片相互銜接的樣子。當(dāng)然，這種信號仍會存在干涉，但它們都不在我們讀取數(shù)據(jù)的部分。”

研究者們表示該技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，造價也不昂貴，完全可以投入商業(yè)普及，他們期望光纜工業(yè)會采取此技術(shù)。

IBM光通信鏈路數(shù)據(jù)傳輸能效創(chuàng)新記錄

運行速度是現(xiàn)有計算機系統(tǒng)一百倍的超快超級計算機距離應(yīng)用又近了一步。美國IBM公司在美國國防先期計劃研究局的支持下，再一次降低大量數(shù)據(jù)傳輸所用功耗。

研究人員在3月17～21日在美國加利福尼亞州阿納海姆市召開的光纖通信會議和博覽會/國家光纖工程師會議(OFC/NFOEC)上對此光通信鏈路進行詳細描述，該鏈路較之前能效記錄提升了一倍。

研究人員預(yù)測未來的計算機將達到億億次級規(guī)模，可用于全球氣候模擬、細胞整體的分子級仿真，納米結(jié)構(gòu)設(shè)計等更多功能。IBM公司位于紐約州約克敦海茨的TJ華盛頓研究中心的研究人員喬納森說：“計算機預(yù)計將在2020年左右達到億億次級，但在此之前還需進行大量的研究。”為了實現(xiàn)該目標(biāo)，研究人員必須找到計算機在較低功耗下可快速傳輸大量數(shù)據(jù)的方法。

通過結(jié)合IBM公司32納米絕緣體上硅(SOI)CMOS工藝制成的集成電路，以及美國住友電氣創(chuàng)新設(shè)備公司(以前的商埃姆科公司)制造的先進垂直腔面發(fā)射激光器(VCSEL)和光電探測器，喬納森和同事制造出新的高能效光通信鏈路，每秒傳輸速度達到25Gbit，總功耗只有24mW，約合每比特耗能1pJ。喬納森說：“與之前的記錄相比，數(shù)據(jù)傳輸速度提高了66%，功耗降低了一半。我們將繼續(xù)提高光通信的傳輸速度和功耗效率。人們總希望能以更低的功耗傳輸更多的數(shù)據(jù)，這也正是我們努力的方向。”

新技術(shù)為實現(xiàn)下一代單芯片光互連打開大門

可將光信號變成沿金屬表面行進的波

美國科學(xué)家制造出一種新的納米尺度的連接設(shè)備，能將光學(xué)信號轉(zhuǎn)變成沿金屬表面行進的波。更為重要的是，新設(shè)備還能識別偏振光的偏振方向，并據(jù)此朝不同的方向發(fā)送信號。

科學(xué)家們表示，最新研究提供了一種新的方式，讓人們能在亞波長尺度下精確地操控光，而不會破壞可能攜帶有數(shù)據(jù)的信號，這為有效地從光子設(shè)備傳遞信息給電子設(shè)備從而實現(xiàn)下一代單芯片光子互聯(lián)打開了大門。

新連接設(shè)備由一層薄薄的金組成，其上布滿小孔，科學(xué)家們設(shè)計的天才之處正在于這些切口形成的像鯡魚魚骨(箭尾形)一樣的圖案。

新結(jié)構(gòu)非常微小，每個圖案單元比可見光的波長還要小，因此，科學(xué)家們認為，新結(jié)構(gòu)應(yīng)該很容易同平面光學(xué)等新奇技術(shù)整合。然而，卡帕索表示，新設(shè)備最有可能用于未來的高速信息網(wǎng)絡(luò)內(nèi)--納米尺度的電子設(shè)備(目前已經(jīng)出現(xiàn))、光子設(shè)備和等離子體有望集成在一塊微芯片上，從而實現(xiàn)下一代單芯片光子互聯(lián)。

南開聯(lián)手哈佛：為光電子集成與互聯(lián)技術(shù)發(fā)展奠定基礎(chǔ)

在手機、電腦、網(wǎng)絡(luò)等現(xiàn)代社會信息化技術(shù)飛速發(fā)展的今天，以微電子技術(shù)為基礎(chǔ)的電子信息技術(shù)引發(fā)了一場改變?nèi)祟惿詈凸ぷ鞯男畔⒒锩?，其特點是依靠集成電子器件提供更高的信息處理速度、存儲密度和片上可集成度等能力，但受到納米尺寸的瓶頸限制，集成電子器件已開始受到制約。與微電子技術(shù)發(fā)展并行的另一門高新技術(shù)-光電子技術(shù)，在實現(xiàn)集成光子回路、互聯(lián)光路、光計算等功能方面顯現(xiàn)出巨大的潛力和優(yōu)勢，有可能是取代“集成電路”的新一代信息技術(shù)的重要支柱，該技術(shù)的關(guān)鍵點是如何在納米尺寸高度集成的芯片上實現(xiàn)人們像操縱電子那樣操控光子。

表面等離激元(SPPs)是在金屬表面區(qū)域的一種自由電子和光子相互作用的形成的電磁模，經(jīng)常被稱為“能夠?qū)崿F(xiàn)導(dǎo)線傳輸光子”的信息載體，它在發(fā)展新一代光電子集成技術(shù)中發(fā)揮重要作用，但怎樣在納米尺寸的芯片上實現(xiàn)SPPs的“傳輸控制”是該領(lǐng)域的一個國際研究熱點。

4月19日，由南開大學(xué)信息技術(shù)科學(xué)學(xué)院教授、長江學(xué)者袁小聰帶領(lǐng)的新加坡南洋理工大學(xué)課題組與美國哈佛大學(xué)Capasso教授課題組合作，在國際頂級刊物Science(科學(xué))上發(fā)表了題目為“可重構(gòu)偏振調(diào)控型表面等離激元定向耦合”的文章，解決了SPPs在芯片上傳輸過程中的“交通控制”問題。

文章提出了一種全新的SPPs耦合方式，通過一系列亞波長“人”字型微納金屬結(jié)構(gòu)，解決了目前入射光偏振態(tài)嚴(yán)重影響SPPs耦合效率以及SPP傳播方向無法精確控制等技術(shù)難題，實現(xiàn)了SPPs的可重構(gòu)定向耦合新機制，該研究成果對微納光子芯片水平的SPPs產(chǎn)生、傳輸、調(diào)控、互聯(lián)與探測等應(yīng)用有重大積極推進作用，為未來發(fā)展SPPs大規(guī)模光電子集成與互聯(lián)技術(shù)奠定了基礎(chǔ)。

袁小聰教授談到，信息時代的計算機按照“摩爾定律”飛速發(fā)展，但是近年來該定律越來越受到納米尺寸極限的挑戰(zhàn)，而且隨著集成電路中線路密度的增加，其復(fù)雜性和差錯率也將呈指數(shù)增長，同時能耗、散熱也越大，因此人們熱切尋求集成電路的替代方案。集成光子回路將會用“光子芯片”取代傳統(tǒng)的“電子芯片”，具有傳輸速度快、能耗低等優(yōu)點。經(jīng)過廣大研究人員的努力，現(xiàn)今集成光子技術(shù)已初步取得一些結(jié)果，并應(yīng)用于光通信、光網(wǎng)絡(luò)等，未來的“光子芯片”將成為構(gòu)成整個“光互聯(lián)世界”王冠上一顆璀璨的明珠，真正實現(xiàn)高處理速度、高存儲密度、高集成度、低能耗的新一代信息技術(shù)。

荷法科學(xué)家研發(fā)新型光開關(guān) 速率提高350倍

當(dāng)前，普通電子開關(guān)的工作頻率為4 GHz，荷蘭特溫特大學(xué)和法國納米科學(xué)與低溫工程研究所的科學(xué)家開發(fā)出了一種半導(dǎo)體平面微腔開關(guān)，實現(xiàn)了1.4 THz的重復(fù)率開啟和關(guān)閉操作，速率提高了350倍，相關(guān)成果發(fā)表在Opt. Lett. 38, 374。

研究人員在砷化鎵和砷化鋁層中構(gòu)造了空腔，并使用1284.1 nm的探測光測量其諧振頻率。

實驗中，研究小組使用兩個由近紅外鈦寶石激光抽運的光參量放大器，將探測光束和觸發(fā)光束射入微腔中。觸發(fā)光束產(chǎn)生電克爾效應(yīng)，在亞皮秒時間尺度上，改變了空腔材料的折射率。研究人員將觸發(fā)光束的波長延長到2400 nm，以減少空腔內(nèi)的雙光子吸收。據(jù)估計，空腔只吸收了百萬分之一的入射光。

據(jù)作者所言，空腔存儲時間大約為300 fs，決定了開關(guān)速率的基本“速率限制”，這種現(xiàn)象不依賴于微腔的幾何結(jié)構(gòu)。

除了超快片上光子調(diào)制，這種新型開關(guān)可能會應(yīng)用于空腔量子電動力學(xué)的基礎(chǔ)研究，并且，有可能大大提高未來通信系統(tǒng)甚至量子計算機的運行速率。

美科學(xué)家突破光通信中的標(biāo)準(zhǔn)量子極限

由于固有噪聲的存在，人們很難或者完全不可能從微弱信號(例如，光網(wǎng)絡(luò)中的微弱信號)中提取有意義的信息?，F(xiàn)在，美國聯(lián)合量子研究所(JQI)的科學(xué)家們發(fā)明了一種新方法，可將量子系統(tǒng)的誤碼率降低到標(biāo)準(zhǔn)量子極限以下，從而實現(xiàn)更高效的通信。

JQI博士后研究員Francisco Elohim Becerra指出，一臺理想的、效率為100%的接收器可以識別那些低于標(biāo)準(zhǔn)量子極限(一個特定的最低限度的誤差率)的非正交相干態(tài)。通過在光的多個相位中對數(shù)據(jù)進行編碼，科學(xué)家們能夠?qū)⒏嗟男畔⒕幋a成一個信號，但是，態(tài)或者相位的數(shù)目越多，接收器越難于識別，特別是對低強度信號而言。

為了“突破”標(biāo)準(zhǔn)量子極限，JQI研究小組設(shè)計了一個自適應(yīng)反饋系統(tǒng)，對輸入信號的相位進行多次測量。

實驗裝置包含：波長為633 nm的脈沖He-Ne激光器，用于提供輸入信號;波長為780 nm的連續(xù)激光器，用于提供參考信號;配有分束器的馬赫曾特干涉儀;單模光纖;單光子探測器以及現(xiàn)場可編程門陣列。實驗中，研究人員測量了正交移相鍵控的格式中區(qū)分4個態(tài)時出現(xiàn)的實驗誤碼率。對于理想接收器而言，誤碼率為6 dB，低于標(biāo)準(zhǔn)量子極限;而對于效率為72%的實際探測器來說，誤碼率為13 dB，同樣也低于量子極限。

Becerra說，該技術(shù)在應(yīng)用于通信網(wǎng)絡(luò)之前，還有很多工作需要去做。他和同事們將研究如何在4個以上的態(tài)中實現(xiàn)該技術(shù)，以及如何實現(xiàn)該技術(shù)與其他數(shù)據(jù)運載方案(如，正交幅度調(diào)制的整合。

提高”時間斗篷“數(shù)據(jù)隱形時長 讓光纖通訊更安全

美國研究人員表示，他們已經(jīng)研制出一種制造光纖通訊中的”時間斗篷“的方法，其可以防止偷聽，因此有望改進光纖通訊的安全性，也可用于軍事、國土安全或者執(zhí)法等領(lǐng)域。

早在2012年就有其他科學(xué)家發(fā)明了這種”時間斗篷“，但其隱藏的時間僅為光纖通訊中用于發(fā)送數(shù)據(jù)的時間的千萬分之一?，F(xiàn)在，普渡大學(xué)的研究人員將其提高到千萬分之四十六，使其有望用于商業(yè)領(lǐng)域。另外，在以前的”時間斗篷“研究中，科學(xué)家們需要用到復(fù)雜的、能超快速發(fā)射脈沖的”飛秒“激光器，但最新研究只需要用到商業(yè)光纖通訊中常用的調(diào)相器。

在最新研究中，研究人員通過操控光脈沖的相位實現(xiàn)了”時間斗篷“。他們解釋道，如果一種正在上升的光波與其他正在下降的光波相遇，它們會相互抵消，使得光強為零。光波的相位決定了這些波之間的干涉程度。

該研究的領(lǐng)導(dǎo)者、普渡大學(xué)的研究生約瑟夫-盧肯斯說：“通過讓這些光波相互干涉，我們可以讓它們等于1或者0，位于信號為零的地方的任何數(shù)據(jù)都會被'隱形'?？刂乒獠ǖ南辔皇刮覀兛梢杂脗鬏斝盘?和1來通過光纖發(fā)送數(shù)據(jù)。”研究中用到的關(guān)鍵零件——調(diào)相器一般被用來在光纖通訊中修改信號。科學(xué)家們首先使用兩個調(diào)相器制造出了一些洞，再用另外兩個調(diào)相器來掩蓋這些洞，如此一來，信號看起來似乎沒有經(jīng)過任何處理。

盧肯斯強調(diào)說，他們可以對這一技術(shù)進行改進，以增加其操作帶寬并提高隱形時長。這種效應(yīng)之所以被命名為“時間斗篷”，是因為它會讓被傳送的數(shù)據(jù)不時“隱形”，其與科學(xué)家們最近利用“超材料”實現(xiàn)的隱藏實際物體的空間“隱形斗篷”技術(shù)并不一樣。在這項研究應(yīng)用于實踐之前，還需要進行很多研究工作，但這項技術(shù)確實可以很好地同現(xiàn)有的電信基礎(chǔ)設(shè)施結(jié)合。

科學(xué)家研發(fā)出可見光能無限穿透超材料

荷蘭原子與分子物理研究所物質(zhì)基礎(chǔ)研究所和美國賓夕法尼亞大學(xué)科學(xué)家合作，制造出一種由堆積銀和氮化硅納米層構(gòu)成的新材料，能賦予可見光近乎無限的波長。該材料有望在新型光學(xué)元件、光線路等領(lǐng)域大顯身手，也可用于設(shè)計更高效的發(fā)光二極管。

光的相位速度和波群速度控制著光在一種介質(zhì)中的傳播。相位速度決定了波峰和波谷在該介質(zhì)中的運動，波群速度則描述了能量的傳播。根據(jù)愛因斯坦的理論，光能的傳播永遠不會快于光速，因此相位速度雖沒有物理限制，但波群速度是有限的。當(dāng)相位速度變?yōu)榱銜r，波峰和波谷的運動消失，此時其波長看作是接近無窮大的一個極大值。然而在自然界并不存在這種性質(zhì)的材料。

研究人員解釋說，光在介質(zhì)中傳播的方式取決于介質(zhì)材料的介電常數(shù)，即它對光波電場的阻抗。近零材料(ENZ，介電常數(shù)接近零的材料)具有獨特的性質(zhì)，光在其中傳播時，幾乎沒有相位超前。雖然目前已有微波和遠紅外波譜的人造材料，但可見光范圍的塊狀三維ENZ材料還很難得到。

為制造這種材料，研究小組用精密排列的堆積銀和氮化硅納米薄層，使通過其中的光能“感覺”到這兩種材料的光學(xué)性質(zhì)。他們利用聚焦離子束銑削技術(shù)對材料結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了納米尺度的控制。因為銀的介電常數(shù)可以忽略，而氮化硅的介電常數(shù)為正，二者結(jié)合介電常數(shù)在實際效果上就等于零，對光而言所受阻抗看起來也是零，能以無限的相位速度傳播，光的波長也近乎無限。

經(jīng)專門建造的干涉儀顯示，光在這種材料中傳播時，相對于幾乎無限的波長而言，其相位確實沒有明顯變化。通過改變材料的幾何形狀，還可調(diào)整適用于整個可見光譜的范圍。研究人員指出，這種新材料有望在新型微波/納米光學(xué)元件領(lǐng)域大顯身手，如透射增強、波陣面造型、控制自發(fā)射和超輻射等方面。