UCSD的光通信研究：如何基于非线性效应来更好控制光纤中的光波

3/26/2025，光纤在线讯，从圣迭戈市区坐蓝线轻轨向西北方向，有好几站都是UCSD加州大学圣迭戈分校的地盘。这所拥有包括华裔科学家钱永健在内的27位诺贝尔化学，生理学，经济学，物理学奖得主的美国名校在光通信领域也颇多建树。回到酒店，我查到了关于他们一些光通信领域成果的介绍文章。

https://optics.org/news/6/7/7
2015年7月发表在科学杂志的一篇UCSD文章(作者UCSD 高通学院博士生E Temprana和N Alic)宣称克服了光信号注入光纤受到的非线性克尔效应的限制，使光纤内信号传输距离在不需要中继器，只用普通放大器的情况下达到1.2万公里。实现这一突破的关键是所谓的宽带频率梳。频率梳使信息的串扰可以预测，从而可以在接收端得到处理。UCSD教授Stojan Radic领导的光子系统小组成功基于他们的频率梳对光载波的频率变化进行同步，对信号串扰进行了补偿。在实验中他们送入光纤的信号功率是之前的20倍。光学频率梳的作用确保系统不会累积随机失真。

在另外一篇文章https://www.smithsonianmag.com/science-nature/combing-through-light-may-give-us-faster-more-powerful-internet-180955705/?no-ist中

   E Temprana和N Alic（右）
Alic解释他们如何找到一种方法来减少信号抖动的随机性。如果他们确切地知道每个通道中的光波长会变化多少，那么当信号到达接收器时，他们就可以对其进行补偿。这就是频率梳的用武之地。频率梳是一种产生许多非常特定波长的激光的设备。输出看起来像一个梳子，每个“齿”都处于给定频率，每个频率是相邻频率的精确倍数。使用频率梳来校准输出光纤信号就像指挥家为管弦乐队调音。他说，“想象一下指挥使用音叉告诉每个人中音A 是什么。”

该文章原文Eduardo Temprana, Evgeny Myslivets, Bill P.-P. Kuo, Lan Liu, Vahid Ataie, Nikola Alic and Stojan Radic, "Overcoming Kerr-induced capacity limit in optical fiber transmission", Science, Vol. 348  no. 6242  pp. 1445-1448 (2015),), DOI: 10.1126/science.aab1781.

https://www.laserfocusworld.com/lasers-sources/article/16564497/500-ghz-photon-switch-is-based-on-subnanometer-scale-engineered-optical-fiber
 2014年9月的文章，关于UCSD开发的首个500GHz光子开关。UCSD的科学家只用3个光子输入，实现了瓦级的500GHz频率的超快光束。这一技术为超高速光子传感器和光处理器提供了可能。同样出自Stojan Radic团队，他们开发了一种测量技术，能够分辨纤芯尺寸的亚纳米级波动。这一点至关重要，因为即使纤芯尺寸波动很小，局部光纤色散也会发生很大变化。如果一只苍蝇降落在数英里外的光纤上，纤芯的略微变形也可以实现检测。在此基础上，他们建立了纳米级的光纤纤芯结构特征库，从而通过光纤结构定制，实现少光子控制。他们的试验中实现了2.5ps，178nW峰值功率的光束，对应3个光子。

这两件工作的背后关键人物都是Stojan Radic教授。在2003年11月加入UCSD之前，Radic先后在康宁和贝尔实验室工作，在工业界也享有很高声誉。从Researchgate的数据可以看到，最近这些年，Radic教授和他的团队（包含好多华裔学生）工作重点除了频率梳，还包括微波光子，高速调制接收器等领域。