多元传输引爆通讯革命

穿过全息图的光束将呈螺旋状。

资料来源:格拉斯哥大学m.p.j. lavery/m.j. padgett

全球数据传输情况就像洛杉矶通勤的复制品。它非常拥挤。如今，数据传输最拥挤的地区是大型公司的数据中心，如脸书、亚马逊和谷歌。

他们必须接受大量信息，存储服务器也在满负荷运行，他们需要整理客户最需要的信息。虽然这些数据是通过光纤传输的，但人们已经可以感觉到数据中心的传输速度正在减慢，因为数据传输量正在呈指数级增长。

现在，研究人员已经构建了一种新的光纤数据传输模式，可以用一种全新的方式对数据进行编码，通过这种方式光波可以螺旋传播。同时，新模式的数据传输速率将通过使用填充有额外数据的更传统的传输模式而大大提高。

美国哥伦比亚大学的电气工程师凯伦·伯格曼说:“螺旋传动给我留下了深刻的印象，让我很兴奋。”科学家在20世纪90年代证明，如果不同的数据流被编译成不同的颜色或波长，在同一根光纤上同时传输多个数据是可行的。褒曼注意到，在这之后，电信公司大大增加了他们的数据带宽。

如今，通过使用波分复用技术，只需要一根光纤就可以同时传输数百种不同的数据流。电信提供商也利用光的偏振和光波的高度和宽度来编辑数据。总而言之，与30年前相比，光纤的数据传输速度是那个时代的1万倍。一种充分利用光的轨道角动量的新编码技术“是一个类似的突破”褒曼说。

与其他光特性相比，用肉眼很难捕捉到OAM。传统光纤中的光看起来和手电筒的光束一样:中心更密集，边缘更薄。但是当光穿过全息图时，研究人员可以迫使每个光子以螺旋模式行进。不同的全息图决定了在给定的传输距离内可以螺旋传输多少光子。

此外，光束的扭曲程度决定了每个给定部分的光的独特模式，例如，它可以是集中在中心的光点或像靶心一样的圆。由OAM模式编译并以不同螺旋度或“模型”传输的光子，即使同时传输，也能避免数据流传输过程中的相互干扰。

十多年来，光学研究人员一直使用OAM模式汇编数据。例如，由南加州大学的电气工程师艾伦·威尔纳领导的一个团队去年在《自然光子学》杂志上报道说，他们可以使用OAM编译技术以每秒2.5万亿比特的速度在空中传输数据。但是当通过光纤(现代通信传输的主要模式)传输时，光束会在1米内分解。

数据传输失败的原因是，如果数据在标准玻璃纤维中以不同的OAM模式编译，它们将在传输过程中相互渗透，造成数据损坏。波士顿大学的电气工程师西达尔特·拉玛钱德朗说:“正因为如此，我们正在考虑是否可以让编译后的数据看起来像不同的颜色，而不会在传输过程中互相干扰。”

2011年，Ramachandran和OFS菲特公司(位于丹麦布隆德比，专门从事光纤制造)的合作伙伴做到了这一点:他们向玻璃纤维中添加了各种标准化学添加剂的混合物(混合物排列成同心环)。这些添加剂改变了光在玻璃中的传播速度，并为光纤中以不同OAM模式编译的数据提供了不同的传输通道。这也证明了纤维仍然有很大的潜力。

在目前的研究中，拉马钱德兰的团队和威尔纳合作证明了该技术可以实现高速数据传输。通过特殊的光纤，它们达到了每秒1.6万亿比特的速度，在10种不同的波长和两种OAM编译模式下传输超过1000米的数据。尽管这种传输距离非常短，需要在未来大幅扩展，但对于数据中心和科学机构等其他高端用户群体来说，这已经足够了。纽约罗切斯特大学的物理学家罗伯特·博伊德说:“这个研究结果令人印象深刻。我已经可以预见一个巨大的商业市场。”

Ramachandran和Willner意识到OAM模式并不是打破数据传输速度瓶颈的唯一解决方案。近年来，光学研究人员已经开发出可支持多达12种编译模式的光纤。然而，这种传输方法通常需要在数据接收终端安装大量的计算机来解释信号。

另一种方法是“多核”光纤，即光纤包含多个“核”，不同的编译模式通过不同的“核”传输。去年，美国研究人员使用这种方法成功地将传输速度提高到每秒1万亿位(大约是当前OAM编译模式传输速度的1000倍)。

Willner说这些方法并不相互排斥，在他看来，未来的“多核”光纤也最能支持各种OAM编译模式。此外，现有的传输手段也将能够在新的光纤中一起使用。如果这一想法能够实现，那时的数据传输速度将与光纤互联网和拨号互联网的速度之差一样大。(段鑫)

中国科学新闻(2013-07-08第三版国际版)