25 Pb s-1 extreme-multiplexed fiber-optic communications enabled by orbital angular momentum physics
本文通过利用19芯环形芯纤中的轨道角动量模态来构建块对角信道矩阵，从而克服了模间耦合与对准挑战，展示了一种在10公里距离上实现25.24 Pb/s单纤传输的系统，并以低复杂度、全自动的MIMO均衡实现了突破性的容量。
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互联网是一条广阔而无形的各种信息之河，但承载它的管道正趋于极限。几十年来，工程师们一直试图通过将不同颜色的光紧密排列在一起，将更多数据挤进单根玻璃纤维中，就像在同一个频率范围内堆叠不同的广播电台一样。然而，在这些颜色开始相互干扰之前，存在一个物理上的上限。为了突破这一障碍，科学家们正转向研究光本身的形状。他们不再仅仅改变光的颜色，而是将光扭转成螺旋状，创造出携带一种被称为轨道角动量的特定自旋的光束。想象一下一个在空间中移动的螺旋形软木塞；螺旋扭转得越紧、螺旋结构越复杂，通道就变得越独特。这种方法允许研究人员不仅将光视为一股流，而且将其视为一系列独立的车道，这有可能将单根光纤电缆的容量提高数百倍。然而，挑战在于如何防止这些车道在光传输过程中合并成一片混乱，以及如何弄清楚如何在旅程的起点和终点实现完美的对齐，而不必花费数年时间进行手动调整。
来自中山大学的一个研究团队，在与工业界及其他机构合作伙伴的协作下，展示了一种使这种大规模扩张成为可能的方法。他们构建了一个能够通过单根光纤每秒传输 25.24 Petabits（拍比特）数据的系统。为了直观理解这个规模，一个 Petabit 是百万亿比特；这根电缆在一秒钟内传输的数据量，超过了几年前全球互联网的总流量。研究人员通过使用一种含有 19 个独立核心的特种光纤电缆实现了这一目标，每个核心都能同时携带多束扭转光束。总计，该系统管理着 266 个不同的空间通道，每个通道携带 1,240 种不同的光波长，从而导致 329,840 条并行的信息流通过一根电缆。
这一突破在于团队如何管理这数百个通道使其互不干扰。在以往扩展此类系统的尝试中，由于玻璃中的微小缺陷或电缆弯曲的方式，光波最终会混合在一起，迫使工程师使用极其复杂的计算机处理技术来解开信号。这种处理过程过于沉重，以至于增加更多通道变得不切实际。研究人员通过设计一种具有环形核心的光纤解决了这个问题，这种核心能自然地将扭转光强制约束在特定的、稳定的组内。由于这些螺旋行为的物理特性，一组中的光即使在 10 公里的距离内，也无法轻易跳入另一组。这创造了一种情况，使信号保持有序，从而允许团队使用一个非常简单的、固定大小的计算机模块来清理信号，而不是使用一个随着每个新通道加入而不断增长的庞大且耗能的处理器。
在电缆的两端，即光进入和离开的地方，研究人员面临着另一个障碍：完美对齐数百束光通常需要专业技术人员进行繁琐的手动微调。团队发现了一种利用扭转光独特属性来自动执行此过程的方法。因为这些螺旋体无论如何旋转看起来都一样，所以系统不需要追踪光束的确切角度。此外，研究人员发现，如果他们纠正了一种螺旋类型的畸变，那么同样的修正对于同一束中的其他螺旋类型也几乎是完美的。这意味着他们只需要校准每个核心中的一束光，然后就可以将此修复应用于所有其他光束。他们构建了一个自动化系统，利用计算机算法瞬间找到最佳对齐方式，消除了人工干预的需求，并使整个装置变得稳定可靠。
结果是一个在单根光纤中运行效率达到前所未见水平的传输系统。研究人员测量了通过其定制的 19 核心光纤在 10 公里长度上的数据流，并证实该系统可以在不降低信号质量的情况下处理极大的数据量。他们实现的资料密度比目前的标准电缆高出近四百倍，同时保持了信号处理的复杂性处于低水平且恒定。这项工作证明，构建一个可以扩展到数百个通道且不会变得难以管理的光纤网络是可能的。通过利用自然界的物理定律来保持光的有序，该团队展示了通往全球通信未来的清晰路径——在那个未来，单根玻璃纤维就能轻松承载整个国家的数据需求。
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