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香港中文大学（中大）物理系刘仁保教授与他的实验伙伴──加州大学圣芭芭拉分校的Mark Sherwin教授及博士研究生Ben Zaks，最近在超高速光学通信研究取得重大突破，可望将现有的互联网速度提升上万倍。该研究刚于最新一期的国际权威学术期刊《自然》发表。 

有赖中大前校长高锟教授发明光纤，光学通信成为现代资讯技术的基础，而高锟教授也凭藉此项发明获颁2009年诺贝尔物理学奖。光学通信的速度取决于开关光的频率，称之为位率。目前，最快的铌酸锂调制器可以10Gb/s的速度──即每秒一百亿次的频率调制光的亮度；刘仁保教授与伙伴研究出的新方案较之还要快100倍，即达到了每秒万亿次的调制频率。相较现时互联网广泛采用的铜缆传输技术，新方案传输数据的速度更要快上万倍。 

约五年前，刘仁保教授和清华大学的合作伙伴朱邦芬教授预言，强交流电场可在半导体中以太赫兹（每秒万亿次）的极高频率调制光束。这个构想源自量子世界的一个奇妙现象：在半导体中，一束光可以产生一个电子并留下一个空穴。电子和空穴携带相反电荷，因而会相互吸引，形成类似氢原子的复合体。在量子世界，粒子却像声波一样可以穿透墙壁。如对半导体施以强电场，电子和空穴会突然分离，然后各自因强电场而加速。如果电场翻转方向，电子和空穴又会再互相靠近，并会因碰撞而湮灭，发射出光子。由于电子和空穴在加速时获得额外的动能，发射光子的能量会大大高于入射光子的能量。在强交流电场的作用下，一束连续光在半导体中会被吸收，然后每隔半个交流电的周期就辐射一次，形成一串光脉冲。在频谱上看，一束单色光入射，出射的则是含有多束不同颜色的光，不同颜色成分之间的频率间隔正好是交流电频率的两倍，称之为光梳现象。 

加州大学圣芭芭拉分校拥有世界上最先进的自由电子激光器，可以太赫兹频率输出实验所需的高频强交流电。利用自由电子激光照射半导体装置，研究员观察到刘教授等人预言的光梳现象。刘教授的理论充分解释了实验中显示的现象，为迈向高达Tb/s（每秒万亿位）的高速光通信奠定了重要基础。

「如此高速光通信若成为现实，传输一张四层的蓝光碟或一个包含百万册图书的电子图书库将只需时仅仅一秒。」刘教授说：「不过，目前的实验须利用巨型加速器来产生自由电子激光，因此还未适合日常应用。我们希望将来利用高速晶体管放大信号来直接调制光缆中的光束，便可制成可适用于家居或商用的小型装置。 」中大将继续与加州大学圣芭芭拉分校合作，希望可开发出应用Tb/s频率的实用光学通信技术；而中大物理系的光学科学中心将是这项研究的基地。 

刘仁保教授专于量子物理和凝聚态物理的研究。他毕业于南京大学物理系，于中科院半导体所获得博士学位，及后分别在清华大学和加州大学圣达戈分校从事博士后研究，直至2005年加入中大物理系。他目前任物理系副教授、量子相干中心主任，以及香港物理学会副理事长。刘教授曾于《自然》、《自然－纳米技术》、《物理评论快报》等着名国际期刊发表50多篇论文，科学贡献广受认同，并获颁中大2010青年研究奖。 

《自然》是报导高水平科学进展的着名科学期刊。有别于一般专门的科学期刊，它发表广泛科学领域中的原创成果。