多元传输引爆通讯革命
2013年07月08日
作者：段歆涔
来源：中国科学报
多元传输引爆通讯革命
——解码光纤数据传输新模式
光束穿过全息图会被螺旋化。
图片来源：M. P. J. LAVERY/M. J. PADGETT, UNIVERSITY OF GLASGOW
全球的数据传输境况就好像美国洛杉矶通勤的翻版，拥堵不堪。当今数据传输最拥堵的地段要数脸谱、亚马逊以及谷歌等大型公司的数据中心了。
它们必须接纳海量信息，储存服务器也在满负荷运转，并且需要分拣出客户最需要的信息。虽然这些数据是通过光纤传输的，但在数据中心，由于数据传输量成倍地增长，人们已经能感觉到传输速度变慢了。
现在，研究者构建了一种能够以全新方式编码数据的光纤数据传输新模式，通过这种方式，光波能够螺旋传播。与此同时，通过搭配使用更常规的填充额外数据的传输模式，新模式的数据传输率将获得极大提高。
美国哥伦比亚大学电机工程师Keren Bergman说：“螺旋状传输令人印象深刻，使我感到兴奋不已。”科学家于上世纪90年代证明：如果将不同的数据流编译成不同的颜色或者波长，那么在同一根光纤上同时传输多个数据是可行的。Bergman注意到，在此之后，电信公司极大地提高了数据带宽。
当今，通过利用波分复用技术，只需要一根光纤就可以同时传输数百个不同的数据流。电信供应商还利用光的极化以及光波的高度与宽度来编译数据。总而言之，与30年前相比，光纤的数据传输速度是当时的1万倍。充分利用光的轨道角动量（OAM）的新编码技术，“是一次类似的突破。”Bergman说。
与其他的光属性相比，OAM难以用肉眼去捕捉。传统光纤内的光看上去与手电筒打出的光束一样：中心更密集，边缘较稀疏。但当光穿过全息图时，研究者可以迫使每个独立的光子以螺旋状的方式传输。不同的全息图决定着在既定的传输距离内，有多少光子可以被螺旋化。
另外光束扭曲程度的不同决定了每个既定部分的光的独特模式，例如可以是集中在中心的一个光点，也可以是像靶心一般围成一圈。通过OAM模式编译、以不同的螺旋化程度或“模型”传输的光子，即使同时传输，也能够在数据流的传输过程中避免相互干扰。
光学研究者已经利用OAM模式编译数据十多年时间了。例如，由美国南加州大学电机工程师Alan Willner所带领的团队，于去年在《自然—光子学》期刊报告称：他们利用OAM编译方式，能以每秒2.5万亿比特的速度在空气中传输数据。但是当以光纤（现代通信传输的主导方式）传输时，光束不到1米就瓦解了。
数据传输失败的原因在于：在标准的玻璃纤维内，如果数据以不同的OAM模式编译，那么在传输过程中它们会互相渗透，造成数据的损毁。波士顿大学电机工程师Siddharth Ramachandran说：“正因为如此，所以我们思考：是否能够使得编译的数据可以像不同颜色那般，在传输过程中互不干扰。”
2011年，Ramachandran与一名来自OFS Fitel公司（位于丹麦布隆德比，专门从事光纤制造）的合作者做到了：他们在玻璃纤维中加入了多种标准化学添加剂的混合物（混合物以同心环的形式排列）。这些添加剂改变了光在玻璃中的传播速度，为以不同OAM模式编译的数据在纤维中提供了不同的传输通道。而这也证明了纤维仍有很大潜力。
现阶段的研究中，Ramachandran团队与Willner展开合作，证明了科技可以实现数据的高速传播。他们通过特殊纤维实现了以每秒1.6万亿比特的速度，在10种不同的波长中以及两种OAM编译模式下，传输数据超过1000米。虽然这个传输距离很短，未来需要极大的延长，但对于数据中心以及科学机构等其他高端用户群体来说，这样的传输距离足够了。纽约罗切斯特大学物理学家Robert Boyd说：“这个研究成果令人印象深刻，我已经可以预见到一个广阔的商业市场。”
Ramachandran和Willner认识到，打破数据传输速度的瓶颈，OAM模式并非唯一的解决方法。近年来，光学研究者已研制出最高可支持12种编译模式的光纤。但是，这种传输方式通常需要在数据接收终端安置大量的电脑来解读信号。
另一种方法则是“多核”光纤，即光纤内包含多个“核心”，不同的编译模式通过不同的“核心”传输。去年，美国研究者利用这种方法成功地将传输速度提高到每秒1千万亿比特（大约是目前OAM编译模式传输速度的1000倍）。
Willner表示，这些方法并不相互排斥，在他的设想里，未来的“多核”光纤最好也能够支持多种OAM编译模式。此外，现有的传输手段也将能在新光纤内搭配使用。如果这个设想得以实现的话，那时的数据传输速度与现有的速度相比，就如同光纤上网与拨号上网的速度差距一样大。（段歆涔）
《中国科学报》 (2013-07-08 第3版 国际)