没有。 36：即使在高图像质量下也几乎为零延迟！什么是将彻底改变数据传输的“光开关”？

远程办公已经普及，线上会议、会议也变得司空见惯，但很多人可能会想：“与面对面的会议相比，我做得不太好。”产生这种奇怪感觉的原因是视频传输时“延迟”造成的“停顿”。
我们可能没有预见到这场“新冠灾难”，但您是否知道，日本目前在数据传输技术方面处于世界领先地位，这对于消除延迟非常有用？而走在最前面的人，是一个才刚刚研究三年级的年轻人。我不喜欢这样，但这不是点燃了探索者的精神吗？

发布于 2022 年 2 月 14 日
黑田龙明的采访和文字

即使是 4K，也能以“几乎零延迟”的方式转播图像

当我放大安装在窗户附近的 4K 摄像机时，彩虹桥清晰地显示在大显示屏上。透过上下甲板缝合在一起的锯齿形加劲梁，可以清楚地看到里面驶过的每辆车。您还可以看到 Yurikamome New Transit 正在后台运行。不出所料，这是 4K 视频。

然而，这不是普通的 4K 视频。摄像机位于国立先进工业科学技术研究所 (AIST) 海滨城市中心的一个房间内，但显示器和我们的考察队观看它位于筑波市的 AIST 实验室，距离 70 多公里。此外，视频不是通过互联网传输，而是通过专用光纤线路传输。这是AIST光纤通信技术的演示实验的试验台。

“使用 4K 视频的转播正在变得司空见惯，但实际上，此类视频仍然没有充分利用 4K 视频。”

位于临海副都心中心附近的松浦博之在显示屏上与我们交谈。作为AIST研究员的同时，Hikaripath 通信有限公司的代表该公司成立于2017年，旨在将AIST的光纤通信技术社会化。

``这是因为数据在传输过程中被压缩，以防止信号处理被打孔。因此，图像质量不可避免地会在细节上恶化，如果拍摄快速动作，处理可能无法跟上时间，导致图像中出现锯齿状伪影。''

此演示不需要数据压缩的原因是它是专用光纤线路。这是因为它使用了一种称为动态光路网络 (DOPN) 的技术。

通信网络中不可缺少交换电路，但由于传统的光纤通信采用电气交换机（电子设备、电子路由器）进行交换，因此不可避免地需要将光信号先转换为电信号，经过交换机，然后再转换回光信号。

无论光纤传输带宽有多宽，这种切换都会成为瓶颈，并且随着数据量的增加，压缩变得必要。

另一方面，DOPN 是一种可以直接使用光信号进行通信的网络技术。松浦先生继续说明。

``DOPN在传输视频、音频等大量数据时尤其有效。除了超宽带之外，它还具有几乎零延迟和超低功耗的优点。随着音乐会、电子竞技等内容分发需求的增加，传统方法不可避免地面临功耗的挑战，功耗随着数据量的增加而增加。我们相信DOPN将成为那时的一项必不可少的技术。

在此演示中也感受到了接近零的延迟。

使用互联网进行视频会议的不便之处之一是当多人讲话时发言者更换时会出现停顿。当我试图开始对话时，其他人常常开始说话，最终淹没了我的声音。另一方面，如果你为了避免混乱而犹豫不决，你可能会错过说话的机会。

也许是因为这个演示没有延迟，所以我并没有觉得延迟有那么糟糕。

先生松浦先生在显示屏上建议我们玩“石头剪刀布”。然后，我就可以玩石头剪刀布了，就好像松浦先生就在我面前一样。这在常规远程会议中是不可能实现的。

实现高容量世界纪录的“光开关”

顺便说一下，这次探险队的任务不是报道这次示威活动。去年，AIST针对作为DOPN关键的光开关技术发布了非常有影响力的新闻稿。

“光交换机实现每秒125亿千兆的数据传输”，但探险队听说负责此事的人是研究所一名三年级的年轻研究员。除了报告结果之外，我真的很想见见研究人员。

在进一步讨论之前，我们先回顾一下光开关技术以及去年公布结果的背景。 Shu Namiki，AIST 负责 DOPN 技术基础研究的人 (平台光子学研究中心酋长)寻求解释。

“DOPN的关键点是能够在不将光信号转换为电信号的情况下进行光信号交换，在演示中我们仅使用8 x 8端口光交换设备进行交换。‘8 x 8端口’是指可以以8种方式交换8个输入信号的目的地的交换设备。但是，为了扩大网络规模，这还不够，我们必须创建具有更多端口数的光交换设备。”

AIST拥有开发光开关器件的硅光子研究团队，据说处于世界光开关器件开发的最前沿。

看来2015年公布的“32×32端口光开关器件”仍然是没有被打破的冠军数据。据说，世界上还没有超过AIST“32 x 32”的光开关器件满足这些条件：采用可量产的设计制造，并通过向所有端口传递信号来验证其操作。

“在努力增加端口数量的同时，我们通过提高 8 x 8 端口光开关设备的 SN 比（信噪比）、降低损耗并使其超宽带来提高设备的规格。”

说完之后，并木同学随意补充道。

“10万端口光开关设备。这是我们目前正在考虑的目标。”

呃，“100,000 x 100,000”！ ？自从六年前的“32x32”以来，这个记录还没有被打破过……成员们很惊讶，想知道这是什么遥远的未来，但并木平静地继续说道。

“前面的演示是关于它在远程会议中的使用，但 DOPN 也将在计算领域变得不可或缺。例如，目前，全球各地的数据中心每年处理的信息量为 20,000 EB（例如，据说 1 exa 是代表 10 的 18 次方的单位），但由于最近的趋势，例如“Metaverse”，使用化身在虚拟空间中进行交流。”

半导体的集成似乎正在接近其物理极限。信息量的增加意味着数据中心将变得越来越大，功耗也会随之增加。随着应对气候变化的势头增强，数据中心电力消耗的增加被指出是一个紧迫的问题。

“DOPN 可以解决这个问题。如果使用 DOPN 连接数据中心中的计算机，则可以将网络功耗降低三到四个数量级。”

这不是一个使用 DOPN 创建类似于当前互联网的网络的故事吗？迄今为止，我们见证了社会因互联网而发生重大变革的过程。而且，随着DOPN的蔓延，我们或许能够经历比以前更多的变化。想到这里，我就有些兴奋。

“但是我们需要有多少光交换设备才能实现这一点？我们估计大型数据中心的最小单位约为2平方公里，其中运行着大约10万台服务器。因此，我们认为拥有一台可以交换10万个端口的设备就足够了。”

但是如何制造如此大规模的光开关设备呢？

“在电信领域，爪式配置（Clos）可以将32 x 32端口光开关设备排列成三排（三级），以配置一个具有512 x 512端口的交换设备。如果第二排有32个32 x 32端口光开关设备，第三排有32个32 x 16端口光开关设备，那么总体结果是512 x 512 端口交换机设备。

“此外，将您刚刚配置的 512 x 512 端口视为一台设备，并再次执行相同的爪配置。具体来说，连接第一行512个设备，第二行512个设备，第三行512个设备。这将产生 131,072 x 131,072 个端口。这将实现 130,000 个端口。”

我明白了。即使单个设备只有 32x32，如果将许多设备排列起来并重复爪式配置，每次都可以成倍增加端口数量。如果你问我，这是显而易见的事情。

“不，事情没那么简单。32x32 端口光开关设备的输出信号约为输入信号的 1/10。”

“一般来说，光信号每次通过设备时都会衰减，而串扰会增加噪声，从而降低信噪比，因此您不能随意重复爪配置。仅配置 512 x 512 端口就意味着信号通过设备三次。我们知道我们可以走那么远，但我们认为我们无法超越”

串扰是开关设备中的一种现象，其中每个信号泄漏到其最初连接的端口以外的端口（称为“泄漏光”），导致多个输入信号相互干扰。随着端口数量的增加以及单个设备内并行处理的信号数量的增加，串扰的影响也相应增加。

如果将 32 x 32 端口光开关设备排列成两层爪式配置，从而形成 131,072 x 131,072 个端口，则输入信号将通过该设备九次。

然而，并木先生随后微笑着补充道：

``不过，我们中心光网络研究团队中最年轻的研究人员已经证明，可以使用看似不可能的方法配置多达 130,000 个端口。这是 2021 年 6 月的新闻稿中宣布的结果。''

“为什么每个人都如此惊讶？”

当我被带进实验室时，实验室被分成了许多架子，里面摆满了仪器，架子之间的缝隙里堆满了折叠起来的彩色电缆卷，使它看起来像一个秘密基地。一名看上去还是个研究生的年轻人正坐在那儿，埋头苦干。该团队最年轻的研究员 Ryosuke Matsumoto 取得了颠覆传统观念的成果。

先生松本正和我们聊起新闻稿结果的过程，就像我们在闲聊一样。

“我想是在 2020 年 7 月左右。团队决定尝试一下，看看光信号可以通过 32 x 32 端口光开关设备多少次，尽管会有串扰效应。接下来的一个月，我准备了信号系统，设备团队（硅光子研究团队）调整了 32 x 32 端口光开关设备。”

实际上，这个设备的制造成本很高，所以我们只有一个可以用于实验。因此，我们没有排列许多设备来实际创建爪形配置，而是进行了一项实验，看看光信号可以通过一个设备多少次。

是否可以使用具有 32 x 32 端口的设备创建具有 130,000 个端口的设备取决于光信号可以通过该设备的次数。所以这个方法就足够了。在实验设备中，松本指出了一个立方体形状的设备，上面有杂乱的旋钮和显示面板。

“我用这个设备来产生和分析光信号。它由两部分组成：任意波形发生器和数字存储示波器。但是，仅靠这个设备是做不到任何事情的。为了按照设计产生输入信号并分析输出信号，必须连接到计算机并通过编程来操作。可以说，我在这个房间里的大部分时间都花在编程上。”

当这个设备在2005年左右出现时，光纤通信实验所需的技术发生了变化，编程成为实验的关键。

“我在大学学习编程时遇到了这个设备，但我花了两年时间才熟练使用它。”

我明白了，我明白这不是任何人都可以做的实验。那么他是如何成功完成看似不可能的事情的呢？

``其实，我并没有做什么特别的事情。甚至在开始实验之前，我就感觉根据我自己的经验，这种水平的串扰我大概可以通过大约 9 次。''

先生松本计划从一开始就进行九次实验，准备好所有光纤电缆，并重复连接和更换它们、逐一增加通过次数并分析输出的过程。

“我认为从第3遍到第9遍只花了几个小时。”

什么！ ？当并木先生谈到这件事时，似乎很难……

“当我拿着测试结果向上级报告我已经通过了9次测试时，大家都非常惊讶。有人怀疑我是否真的确定。另一方面，我想知道为什么大家都如此惊讶。”

嗯，您是说松本先生和他周围的资深研究人员对于串扰的影响存在很大的理解差距吗？

“当我研究过去的研究时，我意识到，当 20 世纪 90 年代讨论光开关端口之间的串扰时，人们认识到即使泄漏光减少到信号的 1/100 以下，也无法用于光网络。从那时起，这似乎已成为研究人员的常识。”

其实后来光纤通信中引入了一种叫做“纠错码”的技术。这是一种向信号添加冗余并纠正传输过程中出现的错误的方法。通过使用该方法，即使在信噪比在一定程度上较差的传输线上也可以正确地传输信息。顺便说一句，这项技术也被用来识别现在非常流行的二维码，即使它们有点脏也可以读取所需的信息。

纠错码的想法可以追溯到 20 世纪 40 年代。然而，光纤通信与传统的通信方式相比，具有优越得多的传输路径，因此在过去似乎不需要这样的技术。此外，20世纪光纤通信中没有任何电子电路可以处理每秒1至10 Gbits的带宽，因此使用它会很困难。

然而，随着时间的推移，一万多公里的长距离光纤通信网络陆续建成，连接太平洋两岸，信号频段也在迅速扩大。与此同时，噪音条件也变得更加严格。后来，在2005年，由于称为相干方法的通信技术的发展，不仅使用光的振幅，还使用相位信息来大幅提高传输容量，以及实现高速数字处理的电子电路技术的发展，出现了数字相干方法。

随着这些技术的进步，到2011年松本先生进入大学时，采用数字处理的纠错码技术已经成为光纤通信的标准技术。

“所以，基于纠错码技术的使用，我预测它会通过9次，但我认为我的前辈，不仅是设备研究人员，甚至是网络研究人员，都受到20世纪90年代的先入之见的束缚，没有想到要接受调查和解决端口之间串扰的挑战。”

松本先生为仍持怀疑态度的探险家提供了更多信息。

“想象一下，五十年前的奥运会上，据说体操转一圈就可以赢得一枚金牌。现在，三转已成为常态。为什么它进化了这么多？但是，如果一个 50 年前的体操运动员回到现在，他不会轻易相信，因为地板已经改变了。”

“同样，尽管他们知道现在存在纠错码技术，但我认为很难想象对此可以采取什么措施。”

这有点像哥伦布的蛋。那么，这是否意味着松本先生只是一个幸运的男孩

支持从麦克斯韦方程组开始的理论

或许是察觉到了成员的想法，松本同学的语气变了。

“这其实是我纠结的地方。光是说‘我试过了，通过了9次’，不足以在学术会议上做演讲。为什么可以？纠错码技术真的有效吗？还有数字滤波器等其他因素在起作用吗？我被我的老板、组长和中心主任拷问了。我给他们看了实验结果，说‘这不是数字滤波器的效果’，但他们回答说：“这不会让所有人满意。”

“从那时起，我们开始制定和测试各种假设。每当获得重要数据时，相关人员都会收集和讨论。我们收到作业，收集数据，进行讨论，彻底重复这个过程，将我们研究主题的核心提炼成每个人都可以同意的扎实内容。”

经过与上级和同事的多次讨论，我得出的结论是，让每个人都能理解这项研究的最佳方法是用经典电磁学中的麦克斯韦方程组来支持它，这是光纤通信的基本理论。因此，松本先生开始研究创建方程，并从理论上分析端口之间的串扰如何引起噪声。

``但是，如果你使用数学公式来写下决定信号是否通过（或不通过，并正确传输而不会被噪声淹没）的误码率，那么它就会变得复杂且难以正常解决。''

此时许多研究人员可能会放弃，但松本坚持了下来。

“即使我们无法准确计算，我们认为估计最坏情况就足以评估信号，因此我们简化了公式并取得了突破。此外，为了评估该理论计算的结果，我们并行进行了数值模拟，结果表明该理论能够很好地再现模拟结果。”

这样，松本先生最终建立了一种方法，用于从理论上估算在使用某种光开关器件构建爪式配置时可以增加多少端口数量。换句话说，我们现在有一种方法可以估计需要将设备的规格提升到什么程度才能达到目标端口数量。

当你读去年的新闻稿时，最吸引你眼球的是冠军数据“世界上最大的光开关，总容量为每秒125亿吉比特”和壮观的短语“相当于一秒钟传输超过60万张蓝光光盘的信息的能力。”但在那之后，还写着：

<建立最大化光交换机端口数量的一般理论>

这可能是松本先生的真正成就，他从“我尝试过并且有效”的想法中磨练了他的研究。

“现在想来，我非常感谢中心主任和组长在百忙之中抽出时间来参加讨论。我认为这是 AIST 照顾下一代的良好文化。”

我想追求逻辑并确定极限

先生松本作为研究人员的优势似乎在于他能够全面地研究一个主题，包括使用编程进行实验、理论计算和数值模拟。这股力量到底是如何修炼出来的？

“从中学开始，我就想尽快工作，所以我就去了国立技术学院。那时，我从来没有梦想过自己会成为一名研究员。我只是一个擅长科学和数学的学生，根本不会摆弄机器，不会做东西，所以我被称为‘不讨人喜欢的技校生’

“然而，技术学院的教授有自己的实验室并进行研究。当我拜访教授并在他们的实验室呆了一段时间时，我开始想，“研究听起来很有趣。”

因为他没有理科男孩通常具有的“色彩”，例如对机械、电子工作或电脑的热爱，所以他可能有潜力成为一名全面发展的全能选手。

“我在一所技术学院的毕业研究中做的是磁性器件，但是当我进入大学时，我有两个实验室可供选择：磁性器件和光纤通信，我选择了后者。当时磁性器件研究的理论还不成熟，实验结果很难预测，但光纤通信的理论和实验结果非常吻合，所以我认为它更适合我的个性。”

“我有强烈的愿望以逻辑方式理解一切，当我在日常生活中遇到困扰我的事情时，我会立即开始研究各种事物以寻求合乎逻辑的解释。”

一些研究人员可能会发现遇到神秘现象的行为本身就令人兴奋。就松本而言，他似乎是那种寻求可以解释的快乐的人。

“在大学实验室，我们首先去公司要求他们制造设备。但是，当我们开始制造设备时，由于某种原因，实验结果与理论不符。因此，为了弥补差距，我们开始进行数值模拟。我想大约在这个时候，我们形成了一种实验和数值模拟并存的风格。”

如果您是那种在实验结果未达到预期时对自己的实验技能充满信心的人，您可能会尝试通过设计实验方法来克服它。然而，松本先生通过学习新的数值模拟来寻找出路。我觉得松本先生的优点就在于他不遗余力地开拓新的研究。

“大学完成博士课程后，我加入了一家公司，从事光纤通信的研发工作大约三年，并于2019年转到AIST。我加入AIST的好处是来自不同领域的研究人员可以轻松地相互交谈。在大学和公司，即使有会议，我认为与其他领域的研究人员自由咨询和讨论的机会并不多。”

最后，我们问他将来想从事什么研究工作。

“我希望能够确定光纤通信的传输极限。决定光纤通信质量的三个主要因素是：量子噪声、色散和非线性光学效应。其中，量子噪声在物理上是不可避免的。色散已经得到解决。”

“对剩余的非线性光学效应的研究已经进行了很多年，但还没有结束的迹象。不过，近年来，也许是由于重视应用研究，非线性光学效应的研究有所减少，我的印象是，在研究领域积累的资产的继承进展并不顺利。我希望继承前人的遗产，有一天结束这项研究。”

先生松本正直接受养育他的前辈们的想法，并努力不辜负他们的期望。

光纤通信是一项与日本有着深厚渊源的技术，日本的研究自诞生之日起就一直在取得进展。近年来，日本在信息通信产业和半导体产业方面经常落后，但未来，日本的光开关技术和硅光子学可能会领先世界……我感觉我找到了一个可以帮助我实现这样一个梦想的年轻人。