在氮化硅微谐振腔中产生的孤子频率梳，用于不同频率通道的大规模并行数据传输。图片由J. N. Kemal / P. Marin-Palomo / KIT提供

光学孤子是一种能够不改变形状传播的特殊波包。在光通信中，孤子可以用于产生具有各种谱线的频率梳，这为实现高效紧凑的大容量光通信系统创造了条件。 最近由KIT的光子与量子电子学研究所（IPQ）和微结构技术研究所（IMT）的研究人员以及EPFL的光子与量子测量实验室（LPQM）的研究人员证明了这一点。

据“Nature”报道，研究人员使用了氮化硅微谐振腔，这种腔可以很容易地集成到结构紧凑的通信系统。在这些谐振器中，孤子不断循环往复，从而产生宽带光频梳。

John Hall和Theodor W.Hänsch因频率梳，于2005年被授予诺贝尔物理学奖，频率梳是由多条光谱线组成的，这些谱线与常规的等距网格对齐。传统上，频率梳用作测量频率的高精度光学参考。所谓的克尔频率梳具有大的光学带宽以及相当大的线间距，并且特别适用于数据传输。每个单独的谱线可以用于发送单独的数据信道。

在他们的实验中，来自卡尔斯鲁厄和洛桑的研究人员使用两个交错频率梳在179个单独的光载波上传输数据，这些数据完全覆盖了光通信C和L波段，并允许以55Mbit/s的速率传输数据，传输距离超过75km。KIT的光子与量子电子学研究所（IPQ）、微结构技术研究所（IMT）教授Christian Koos解释说：“这相当于超过五十亿部电话或二百万个高清电视频道，这是使用频率梳源芯片格式达到的最高数据速率。” Christian Koos因其光频梳研究，获得了欧洲研究理事会（ERC）的独立研究员经费。

带有大量氮化硅微谐振器的光学芯片。图片由J. N. Kemal / P. Marin Palomo / KIT提供

这些部件有可能大大降低通信系统中光源的能耗。研究人员的工作建立在低损耗光学氮化硅微谐振器上。EPFL的Tobias Kippenberg教授的研究团队在2014年，在这些谐振腔中首次产生了孤子态。Kippenberg教授解释了该方法的优点：“我们的孤子梳源非常适合数据传输，可以在低成本的微芯片上大量生产。”通过所谓的非线性光学过程，微谐振器中的高强度光场产生了孤子。微谐振器仅被连续激光器抽运，借助于孤子产生数百个新的等距激光线。梳子源目前正在通过EPFL分拆使用。

“Nature”杂志发表的工作表明，微谐振器孤子频率梳信号源可以显著提高光通信中波分复用（WDM）技术的性能。波分复用允许通过在单个光波导上使用多个独立的数据通道来传输超高数据速率。为此，需不同波长的激光进行信息编码。 对于相干通信，微谐振器孤子频率梳信号源不仅可以用于发射机，而且可用于波分复用系统的接收机端。梳状信号源显著提高了相应系统的可扩展性，并实现了与光的高度并行相干数据传输。据Christian Koos介绍， 这是走向未来千兆网络高效芯片收发器的重要一步。

更多信息：Pablo Marin-Palomo et al. Microresonator-based solitons for massively parallel coherent optical communications, Nature (2017).DOI: 10.1038/nature22387

来源：https://m.phys.org/news/2017-06-optical-record-high-soliton-frequency-microresonators.html

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