以光取代電，大幅提高傳輸速率

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撰文／李名揚
審稿／黃承彬（清華大學光電所副教授）、伍茂仁（中央大學光電系副教授）

 

　　 公車和捷運上、排隊等待時、乃至逛街累了坐下來歇會兒，經常可看到低頭族緊緊盯著手機螢幕。現在行動通訊裝置越來越普遍，人們對訊號傳輸速率的需求也與日俱增。現有3G手機的傳輸速率約為每秒2Mb，傳送照片或電子書已經足夠，然而若要下載每部4.75Gb的高畫質電影，觀賞者就有得等了。
在手機上看電影看到一半，回家後想轉存到大螢幕的電腦或數位電視機上，舒舒服服坐下來欣賞，由於USB接埠的傳輸速率大約每秒0.5Gb，只需要相當短的10秒鐘就可傳送完成；可是隨著雲端時代來臨，人們越來越依靠雲端系統，極大量的資料在雲端機房的伺服器之間不斷傳輸著，在這裡每秒0.5Gb的傳輸速率就顯得不足了。 

 

控制光脈衝以提升傳輸速率??? 

　　 現有手機訊號都是以微波傳送，但由於可見光的頻率高出微波萬倍，能搭載的訊號量遠多於微波，若能改用光來傳輸訊號，可大幅提高傳輸速率。清華大學物理系教授潘犀靈率領的跨校研究團隊已經開發出每秒可傳輸25Gb的技術，是現有技術的1萬多倍。

　　 團隊成員之一的清華大學光電所副教授黃承彬指出，這項技術的首要工作，是產生可任意控制波形、極高（>100GHz）重複率（光脈衝間隔出現的頻率），並且非常短的皮秒（10-12秒）等級「光脈衝序列」（見圖），以搭載大量訊號。電磁波的波形可由多個不同頻率、振幅、相位的正弦波根據傅立葉合成（Fourier synthesis，分析與轉換正弦波形的數學運算方式）組合出來，研究團隊結合了外調式光頻梳及光脈衝逐線塑型器等先進技術，精準控制雷射光的頻率、相位及振幅，組合出脈衝寬度1皮秒、重複率介於31~496GHz的可調式光脈衝序列。

 

 

▲控制雷射光的頻率、相位及振幅，即可組合出特定的光脈衝序列。目前國內跨校研究團隊已開發出脈衝寬度1皮秒、重複率將近500GHz（即每2皮秒重複一次）的光脈衝序列。（電腦繪圖：姚裕評） 

　　 接著要將此光脈衝透過光纖傳送到遠方的手機基地台，這時最大的問題在於不同頻率的光在光纖中行進時，會因為材料的色散作用而有不同的速率，而光脈衝是由許多不同頻率的光組合而成，結果原本振幅強、脈衝窄的「高瘦」光脈衝，會逐漸變得「矮胖」，也就是振幅降低、脈衝變寬，最後甚至造成多個脈衝彼此交錯、重疊，訊號全部扭曲。

　　 研究團隊運用「時域自我顯像」的技術巧妙地解決這個問題，就是透過精密計算及控制波形，讓光脈衝在前進一定距離後，其交錯、疊加後的波形，剛好跟剛射出時的強振幅、窄脈衝波形一模一樣，如此一來就可將訊號完美地送到遠方的基地台。目前已可傳送到200公里遠處。

 

 

▲「瘦高」的光脈衝在光纖中長程傳輸時，會因材料的色散作用而變得「矮胖」，時域自我顯像技術可使這些交錯、重疊的矮胖光脈衝疊加後，變回原來的瘦高光脈衝。（電腦繪圖：姚裕評）

 

延伸閱讀 〈度量時間，以光為尺〉，康帝夫（Steven Condiff）、葉軍（Jun Ye）、霍爾（John Hall）撰文，《科學人》2008年5月號 〈開燈，就能無線上網〉，凱夫拉德（Mohsen Kavehrad）撰文，《科學人》2007年8月號 〈台灣LED，打開光通訊大門〉，朱灼文撰文，《科學人》2007年8月號 〈與光纖「銅」在一起〉，伍德（Lamont Wood）撰文，《科學人》2005年8月號 〈用電線上網〉，明克爾（JR Minkel）撰文，《科學人》2005年4月號 〈光通訊的最後一哩路〉，阿坎波拉（Anthonyn Acampora）撰文，《科學人》2002年9月號

 

 

 

【本文轉載自科學人科學Easy Learn網路版‧行政院國科會補助案】