【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，北京大學(xué)電子學(xué)院王興軍教授-舒浩文研究員團(tuán)隊(duì)與華中科技大學(xué)武漢光電國家研究中心王健教授團(tuán)隊(duì)合作，在國際學(xué)術(shù)期刊Nature Communications在線發(fā)表題為 “Exploiting a centrally powered coherent microcomb for lightweight optical transmission”的研究論文。在人工智能(AI)、物聯(lián)網(wǎng)(IoT)與低空智能系統(tǒng)等新興場景中，數(shù)據(jù)流量呈指數(shù)級(jí)爆發(fā)，計(jì)算范式正從“中心化云端”向“分布式邊緣”深刻演變。一方面，復(fù)雜的動(dòng)態(tài)環(huán)境要求邊緣節(jié)點(diǎn)(如基站、自動(dòng)駕駛車輛、工業(yè)網(wǎng)關(guān))具備處理海量實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的能力；另一方面，邊緣設(shè)施的物理空間極度受限，對光傳輸系統(tǒng)的體積、功耗和集成度提出了嚴(yán)苛要求。
研究團(tuán)隊(duì)在芯片尺度上證明了光載噪比(OCNR)、線寬與傳輸速率之間的制約關(guān)系，并實(shí)現(xiàn)了單波長1Tbps的傳輸能力。該工作進(jìn)一步通過片上波形整形與半導(dǎo)體光放大器的協(xié)同集成，構(gòu)建了“芯片級(jí)并行載波發(fā)生器”，在將系統(tǒng)體積縮小百倍的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了5Tbps的聚合傳輸容量，為“高容量、低功耗、微型化”的下一代邊緣計(jì)算光互連提供了全新的技術(shù)路徑。
光頻梳產(chǎn)生與單載波輕量化傳輸演示
本研究主要驗(yàn)證了微腔光梳在標(biāo)準(zhǔn)通信場景下的性能。實(shí)驗(yàn)利用自注入鎖定(SIL)微光梳中間功率最高的16根梳齒作為載波，分別進(jìn)行了兩種傳輸測試。首先是在一公里短距離的“自零差”系統(tǒng)中，單通道實(shí)現(xiàn)了110 Gbaud DP-32QAM的超高速率，單波長凈速率突破1Tbps。其次是更接近實(shí)際城域網(wǎng)應(yīng)用的160公里長距離“零差”傳輸，采用70 Gbaud DP-16QAM調(diào)制，實(shí)現(xiàn)了約8.96Tbps的總?cè)萘俊Ρ葘?shí)驗(yàn)結(jié)果表明，相比于線寬約10kHz的高性能商用外腔激光器(ECL)，該微光梳由于具有極窄的線寬(<600Hz)，在長距離傳輸后表現(xiàn)出更低的誤碼率和更小的光信噪比(OSNR)代價(jià)，證明了其在對抗光纖非線性效應(yīng)和相位噪聲方面的優(yōu)勢。
空分復(fù)用(SDM)大容量傳輸演示
本研究通過增加空間維度來極大提升傳輸容量，模擬分布式邊緣節(jié)點(diǎn)的流量聚合。實(shí)驗(yàn)核心是利用一根兩公里的24芯多芯光纖(MCF)配合16個(gè)波長的微光梳信號(hào)，實(shí)現(xiàn)了高達(dá)215.04Tbps(凈速率約200Tbps)的總傳輸速率，這是目前基于片上光源在C波段實(shí)現(xiàn)的最高記錄。此外，實(shí)驗(yàn)還展示了模分復(fù)用(MDM)的能力，分別在25公里的少模光纖(FMF)中傳輸LP模態(tài)，以及在50米的環(huán)形芯光纖(RCF)中傳輸軌道角動(dòng)量(OAM)模態(tài)。這證明了該微光梳光源能夠兼容各種特種光纖技術(shù)，通過“波長+空間+模態(tài)”的多維復(fù)用，在不增加波長資源的情況下大幅擴(kuò)展系統(tǒng)容量。
集成輕量化傳輸演示
為了滿足邊緣計(jì)算“輕量化”需求而構(gòu)建的微型化系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)去除了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中體積龐大的波長選擇開關(guān)(WSS)和摻鉺光纖放大器(EDFA)，替換為集成的硅光波形整形芯片(IWC)和半導(dǎo)體光放大器(SOA)。雖然集成的SOA和IWC相比臺(tái)式設(shè)備引入了更高的插損和噪聲(特別是SOA的ASE噪聲)，但得益于SIL微光梳本身極高的相干性和信噪比，系統(tǒng)仍能“扛住”這些惡化。最終，該芯片級(jí)系統(tǒng)在10公里傳輸中成功實(shí)現(xiàn)了5.12Tbps的聚合速率(40 Gbaud DP-16QAM)，并將系統(tǒng)物理尺寸縮小了約100倍，驗(yàn)證了其在緊湊型邊緣設(shè)備中部署的可行性。
本論文的共同第一作者為北京大學(xué)電子學(xué)院博士生韓君豪，華中科技大學(xué)博士生顏國鋒、李康，北京大學(xué)電子學(xué)院博士后沈碧濤，舒浩文。舒浩文、王興軍、王健為本文共同通訊作者。北京大學(xué)電子學(xué)院博士生王藝蒙、華中科技大學(xué)博士生張宇辰、北京大學(xué)電子學(xué)院博士生肖炯、北京大學(xué)電子學(xué)院博士生吳一晨、北京大學(xué)電子學(xué)院博士生常華墐、華中科技大學(xué)博士后蔡成坤、北京大學(xué)電子學(xué)院博士后張緒光為本文作出重要貢獻(xiàn)。該研究得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金、中國博士后創(chuàng)新人才支持計(jì)劃、湖北省自然科學(xué)基金以及湖北光學(xué)基礎(chǔ)學(xué)科研究中心創(chuàng)新基金等項(xiàng)目的資助與支持。
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