物理

以光取代電,大幅提高傳輸速率

資通訊世界中越來越大的資料量,需要越來越快的傳輸速度,才能滿足人們的需求。運用台灣研究團隊開發的技術,下載高畫質電影到智慧型手機或平板電腦上,只需不到一秒鐘!

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)

物理

以光取代電,大幅提高傳輸速率

資通訊世界中越來越大的資料量,需要越來越快的傳輸速度,才能滿足人們的需求。運用台灣研究團隊開發的技術,下載高畫質電影到智慧型手機或平板電腦上,只需不到一秒鐘!

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。


功能強大的智慧型手機越來越普遍,資訊傳輸速率也越顯重要。(影像來源:呂怡貞)


  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)


以矽晶片縮小接埠體積


  至於個人手機、電腦、數位電視之間的資料傳遞,目前都是以USB接埠連接銅製傳輸線。若要快速傳輸大量資訊,同樣是要用光取代電,因此必須把銅線換成光纖,可是目前市面上可以連接光纖的光學連接埠,長寬最小都在一公分左右,體積太大,無法適用於USB接埠。


  中央大學電機系與光電系教授綦振瀛率領跨校團隊研究解決了這個問題。團隊成員之一的中央大學光電系副教授伍茂仁指出,現有的光學連接埠無法縮小的原因,在於發射訊號時,為了減少耗能,都是採用「面射型雷射」做為光源。顧名思義,這種雷射是從半導體晶片的平面而非側邊射出,因此射出的雷射光訊號會與晶片本身垂直,必須讓雷射入射到傾斜45度的反射面,才能垂直轉彎回到光纖上,傳輸至接收端。過去只能用具45度反射面的塑膠射出成型光學元件來實現此一光學架構,因此體積無法縮小。


上圖為傳統架構,面射型雷射射出的雷射為垂直向上,必須經過具45度反射面的塑膠射出成型光學元件,才能垂直轉彎進入光纖而傳送出去;下圖是中央大學率領的跨校團隊做出的新架構,在矽晶片上以化學蝕刻的方式做出傾斜45度的反射面,大幅縮小元件體積。(資料來源:中央大學,電腦繪圖:姚裕評)


  團隊採用化學蝕刻的方式,成功在矽晶片上製造出從前難以做到的傾斜45度的反射面,取代過去以塑膠製造的光機結構,成功研發出極精巧的「矽微型化光學連結模組」,將體積縮小到只有五毫米見方,因此可透過USB接埠連接電腦、手機、數位電視等各種界面。


  這樣即可以光取代電來傳輸資訊,因而大幅提高傳輸速率,一秒鐘可以傳輸56GB,比現在快了100多倍。這項技術已取得多國專利,目前全世界每年新生產25億個USB接埠,估計市場價值高達新台幣2500億元。




延伸閱讀

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〈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



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