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香港中文大學（中大）物理系劉仁保教授與他的實驗夥伴──加州大學聖芭芭拉分校的Mark Sherwin教授及博士研究生Ben Zaks，最近在超高速光學通信研究取得重大突破，可望將現有的互聯網速度提升上萬倍。該研究剛於最新一期的國際權威學術期刊《自然》發表。 

有賴中大前校長高錕教授發明光纖，光學通信成為現代資訊技術的基礎，而高錕教授也憑藉此項發明獲頒2009年諾貝爾物理學獎。光學通信的速度取決於開關光的頻率，稱之為位率。目前，最快的鈮酸鋰調製器可以10Gb/s的速度──即每秒一百億次的頻率調製光的亮度；劉仁保教授與夥伴研究出的新方案較之還要快100倍，即達到了每秒萬億次的調製頻率。相較現時互聯網廣泛採用的銅纜傳輸技術，新方案傳輸數據的速度更要快上萬倍。 

約五年前，劉仁保教授和清華大學的合作夥伴朱邦芬教授預言，強交流電場可在半導體中以太赫茲（每秒萬億次）的極高頻率調製光束。這個構想源自量子世界的一個奇妙現象：在半導體中，一束光可以產生一個電子並留下一個空穴。電子和空穴攜帶相反電荷，因而會相互吸引，形成類似氫原子的複合體。在量子世界，粒子卻像聲波一樣可以穿透牆壁。如對半導體施以強電場，電子和空穴會突然分離，然後各自因強電場而加速。如果電場翻轉方向，電子和空穴又會再互相靠近，並會因碰撞而湮滅，發射出光子。由於電子和空穴在加速時獲得額外的動能，發射光子的能量會大大高於入射光子的能量。在強交流電場的作用下，一束連續光在半導體中會被吸收，然後每隔半個交流電的週期就輻射一次，形成一串光脈衝。在頻譜上看，一束單色光入射，出射的則是含有多束不同顏色的光，不同顏色成分之間的頻率間隔正好是交流電頻率的兩倍，稱之為光梳現象。 

加州大學聖芭芭拉分校擁有世界上最先進的自由電子激光器，可以太赫茲頻率輸出實驗所需的高頻強交流電。利用自由電子激光照射半導體裝置，研究員觀察到劉教授等人預言的光梳現象。劉教授的理論充分解釋了實驗中顯示的現象，為邁向高達Tb/s（每秒萬億位）的高速光通信奠定了重要基礎。

「如此高速光通信若成為現實，傳輸一張四層的藍光碟或一個包含百萬冊圖書的電子圖書庫將只需時僅僅一秒。」劉教授說：「不過，目前的實驗須利用巨型加速器來產生自由電子激光，因此還未適合日常應用。我們希望將來利用高速晶體管放大信號來直接調製光纜中的光束，便可製成可適用於家居或商用的小型裝置。 」中大將繼續與加州大學聖芭芭拉分校合作，希望可開發出應用Tb/s頻率的實用光學通信技術；而中大物理系的光學科學中心將是這項研究的基地。 

劉仁保教授專於量子物理和凝聚態物理的研究。他畢業於南京大學物理系，於中科院半導體所獲得博士學位，及後分別在清華大學和加州大學聖達戈分校從事博士後研究，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，以及香港物理學會副理事長。劉教授曾於《自然》、《自然－納米技術》、《物理評論快報》等著名國際期刊發表50多篇論文，科學貢獻廣受認同，並獲頒中大2010青年研究獎。 

《自然》是報導高水平科學進展的著名科學期刊。有別於一般專門的科學期刊，它發表廣泛科學領域中的原創成果。