告别网速焦虑？科学家打通O到U全波段，单根光纤容量迎来“史诗级”扩容

想象一下，如果把现在的互联网比作一条高速公路，那么无论这条路修得有多宽，随着车辆（数据）的指数级增长，早晚都会堵得水泄不通。为了解决这个问题，工程师们通常会采用两种办法：要么多修几条车道（铺设更多光纤），要么把车变成双层巴士甚至火车（在一根光纤里传输更多信息）。

在光通信领域，这两种思路分别对应着“空分复用”（SDM）和“波分复用”（WDM）。前者像是增加车道，后者则是在不同颜色的光波上搭载信息。虽然这些技术已经非常成熟，但人类对数据传输的需求是个无底洞。现有的通信系统大多拥挤在特定的波段（主要是C波段和L波段），就像高速公路虽然有几十条车道，但大家都只挤在中间那两条最好跑的道上，旁边的“应急车道”和“超车道”却因为路况复杂、缺乏配套设施而被闲置。

如果不铺设新的光缆，仅仅通过“拓宽车道”——也就是利用光纤所有的可用波段，能不能让网速原地起飞？

最近，来自深圳大学、南京信息工程大学和复旦大学的研究团队给出了肯定的答案。他们通过一种创新的“超宽带光学衍射网络”，成功打通了从O波段到U波段的整个光通信“全波段”，实现了带宽超过420纳米的超高速传输。这项研究不仅打破了单一波段的限制，更为未来的超大容量光通信系统提供了一把通用的“万能钥匙”。

1. 被闲置的“黄金车道”：为何我们以前只用C波段？

要理解这项技术的含金量，我们得先聊聊光纤里的“偏科”现象。

光纤通信虽然利用光来传输信号，但光纤对不同颜色的光（波长）“态度”是不一样的。长期以来，C波段（1530-1565纳米）因为传输损耗最低，被视为光通信的“C位”，也就是最黄金的车道。后来随着拥堵加剧，L波段（1565-1625纳米）也逐渐被开发利用。目前最先进的商业系统，基本就是靠这就着这两个波段过日子。

然而，光纤其实还有很多潜力可挖。按照国际标准，光通信波段被划分为O、E、S、C、L、U六大波段，覆盖了从1260纳米到1675纳米的广阔范围。如果能把这些波段全部利用起来，理论上通信容量可以翻好几倍。

既然这么好，为什么以前不用？

核心难点在于“色差”和“模式控制”。

想象一下，你戴着一副眼镜，看红光非常清晰，但看蓝光就一片模糊，这就是色差。在光通信中，不同波长的光在经过同一个光学器件时，发生的折射和衍射效果是不同的。传统的器件（如透镜、光栅）很难在如此宽的范围内（跨度超过400纳米）同时把所有颜色的光都“伺候”好。特别是当我们想要在每一束光里再进行“模式复用”（即在同一波长下，利用光斑的不同形状来传输多路信号）时，难度更是呈指数级上升。

简单来说，现有的设备就像是一个挑食的交通指挥员，它能指挥C波段的光走直线，但遇到O波段或U波段的光，可能就会把它们带沟里去，导致信号混乱、串扰严重。

2. 让AI来“磨镜片”：逆向设计打造全能光网络

为了解决这个棘手的“色差”问题，研究团队摒弃了传统的透镜组合，而是采用了一种全新的思路：多层光学衍射网络。

你可以把这个装置想象成一叠透明的“千层饼”，每一层薄片上都刻有极其微小且复杂的凹凸纹理。当一束混合了各种波长的光穿过这叠薄片时，每一层都会对光进行微调。经过多次折射和衍射，原本“各自为政”的不同波长的光，最终都会被驯服，乖乖地按照预定的模式输出。

但是，这就带来了一个新问题：这叠薄片上的纹理该怎么设计？如果靠人工计算，这其中的变量多如牛毛，几乎是不可能完成的任务。

这时候，端到端的逆向设计算法就派上用场了。研究人员并没有直接去设计每一层的结构，而是先设定好“终点”——也就是我们希望输出什么样的光场效果（高纯度、低串扰的特定模式）。然后，通过计算机算法不断地反向推演，让AI去寻找最优的结构参数。

如图[1]所示，这是一个典型的端到端逆向设计框架。左侧是输入的复杂光场，中间是多层衍射网络，右侧则是经过“调教”后输出的标准光斑。我们可以看到，无论是针对波长较短的蓝紫色光（示意短波长），还是波长较长的红色光（示意长波长），这套网络都能将它们精准地转换成目标形状的光斑（Target）。

在这个设计中，研究团队引入了一个关键的“宽谱色散补偿机制”。这就好比给AI下达了一个死命令：“不管进来的光是什么颜色，出去的时候必须步调一致。”通过这种算法优化，每一层衍射单元不仅承担了聚焦光线的功能，还顺便把不同波长带来的相位偏差给抵消了。

最终，他们设计出了一款拥有6层结构的衍射网络，其工作带宽惊人地覆盖了从1260纳米到1680纳米的范围，总宽度达到420纳米。这意味着，O、E、S、C、L、U这六大波段的“任督二脉”终于被一次性打通了。

3. 性能大考：跨越400纳米的“稳如泰山”

设计归设计，实战效果究竟如何？这个“AI设计师”交出的答卷是否经得起推敲？

从理论模拟的数据来看，结果非常令人振奋。如图[2]所示，图中的曲线展示了该器件在不同波长下的性能表现。最上方的橙色曲线代表了“模式纯度”（Mode purity），可以看到，在从1260纳米到1675纳米这整整400多纳米的跨度内，光的纯度始终稳定在90%以上，最高甚至超过了94%。这意味着，绝大部分的光能量都被准确地“驯服”成了我们需要的形状，没有发生畸变。

同时，代表信号干扰的“串扰值”（Crosstalk，中间蓝色曲线）也被压制在极低的水平。模拟结果显示，各通道间的串扰低于-15dB，这就好比在一条拥挤的街道上，虽然行人摩肩接踵，但每个人都严格遵守交通规则，互不碰撞。

当然，纸上得来终觉浅。研究团队利用高精度的微纳加工技术，将设计好的相位图案刻蚀在硅基板上，制造出了实物器件，并搭建了实验平台进行验证。如图[3]所示，这是一个反射式的实验装置，光束在那个金色的反射腔内来回弹射，每弹射一次就被“整形”一次。左下角的图[3]b展示了最终输出的光斑实拍图，无论是在短波长的O波段，还是长波长的U波段，输出的光斑都清晰圆润，与理论预测高度一致。

更难能可贵的是，实测的信号串扰甚至比模拟还要好，低于-17dB。这说明，这个看似简单的光学器件，真的具有了“以不变应万变”的能力，成功驾驭了跨度极大的“彩虹光”。

4. 实战演练：全波段通车，速度与质量兼得

既然“路”修好了，那“车”跑得怎么样呢？为了验证这项技术在实际通信中的潜力，研究团队搭建了一套完整的全波段光通信测试系统。

如图[4]所示，这套系统就像是一个微缩版的未来互联网主干道。左侧是发射端，不同颜色的激光（代表不同波段的信号）被汇聚起来；中间就是我们主角——宽带模分复用器，它将光信号转换成不同的空间模式（LP模式）送入特制的光纤；右侧则是接收端，负责把混在一起的信号解开并还原。

实验结果证明，这条“超级高速公路”不仅路面宽，而且路况极佳：

• 低成本方案的胜利（O波段和E波段）：在波长较短的O和E波段，团队采用了成本较低的直接检测技术（CWDM）。如图[4]b所示，所有信道的误码率（BER）都低于前向纠错（FEC）的门限值。这意味着，对于那些对成本敏感的数据中心互联场景，这项技术能提供极具性价比的高速传输方案。
• 点亮“处女地”（U波段）：U波段通常因为缺乏配套器件而被长期冷落。但在这次实验中，即便是最长波段的U波段（图[4]c），信号传输依然稳健，误码率表现优异，成功证明了该波段的可用性。
• 主力波段的狂飙（S、C、L波段）：在目前通信网络最繁忙的S、C、L三个波段，团队利用更高级的相干检测技术进行了测试。从图[4]d密密麻麻的数据点中可以看到，即便是在数据最密集的区域，该系统依然游刃有余，所有通道的信号质量都完全达标。

这一系列实验有力地证明，利用单一的超宽带光学器件，完全可以实现覆盖全波段的高质量光通信。我们不再需要为每个波段单独制造设备，大大降低了系统的复杂度和成本。

结语：光速狂飙的未来

这项研究的成功，不仅仅是造出了一个性能优异的光学器件，更重要的是它向我们展示了一种打破“波段孤岛”的可能性。通过将“空分复用”与“超宽带波分复用”深度融合，科学家们实际上是在现有的光纤物理极限上，硬生生开辟出了一个新的增长空间。

试想一下，未来的光纤网络，不仅拥有更宽的“车道”（全波段），还能在同一车道上跑“双层巴士”（多模式），通信容量将迎来指数级的爆发。这对于正在爆炸式增长的AI算力网络、8K视频传输以及未来的6G通信来说，无疑是一剂强心针。

也许在不久的将来，随着这种超宽带通用器件的普及，我们不再需要担心网络拥堵，“带宽焦虑”将成为历史名词。在这个光与信息交织的时代，每一次对光谱极限的探索，都是人类向数字未来迈出的坚实一步。

论文信息

• 标题：Ultra-wideband optical diffractive network for mode multiplexing across the entire telecommunication range.
• 论文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-025-66929-9
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• 发表时间：2025-12-5
• 期刊/会议：Nature communications
• 作者：Aru Kong, Jianxin Ren, Kaihui Wang, ..., Xiaocong Yuan

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