经过几十年的指数级增长，光纤通信的速度可能遇到了瓶颈。自20世纪80年代以来，每秒可在光纤中传输的信息字节数增加了约1000万倍。即使在上世纪末电子技术飞速发展的前提下，这种发展速度也是惊人的，甚至被超越了。同一时期集成电路芯片上晶体管数量的增长速度。对于后者，有摩尔定律预测它的增长，这也是光纤通信所需要的，我们称它为凯克定律以纪念唐纳德凯克。他是低损耗光纤的共同发明人之一，为光纤通信容量的逐步提高做出了贡献。或许给这样的增长趋势和模式起一个有趣的名字，有助于吸引更多人关注这个鲜为人知但意义重大的工业成就。摩尔定律万众瞩目，但唯有将以其为代表的高速电子器件的发展与光纤通信的发展相结合，才能创造出不可思议的“网络奇迹”。强电子-电子相互作用，数字和存储中高速开关电子的优势，以及远距离信号传输的较弱光子，结合起来，技术革命才得以实现，我们生活的时代才得以塑造。现在，半导体行业面临着维持摩尔定律的巨大挑战，而光纤则艰难地保持着高速发展的趋势。在过去的几十年里，一系列的技术进步使得通信行业的从业者不断提高光纤通信网络的数据传输速率。然而，几乎所有易于改进的地方都达到了极限。为了继续保持发展趋势，他们必须做出真正伟大的创新。“图片笔记”光纤的数据容量在过去几十年里呈指数级增长，图片来自唐纳德。根据Keck收集的数据绘制而成，从中可以追溯商业应用中经常出现的突破性“伟大实验”，该图显示了应用WDM技术前后的通信容量（浅蓝色区域）。的成长。目前使用的光纤纤芯是一根直径为9微米的玻璃丝，对波长为1.55微米的红外光几乎完全透明。纤芯外有一层50多微米厚的玻璃包层，其折射率低于玻璃芯材料。因此，在其中传播的激光信号被限制在内核中，通过内反射沿光纤向前传播。这些激光脉冲信号在光纤中以每秒20万公里的速度快速传播——由于介质的存在，这里的光速只有真空中光速的三分之二。除了原子核占据的空间非常小之外，纤维芯材内部几乎是空的，但光子总会撞到其中一个原子核，也就是会发生散射。光信号传播的时间越长，散射和逃逸到外包层和保护层的光子就越多，从而导致信号衰减。一般传播50公里后，90%的光信号都在衰减中丢失，其中大部分是由于散射效应造成的。因此，我们需要在一定的距离间隔内增加中继站来增强光信号，但这样的方案有其自身的局限性。当光信号经过中继站放大后重新引入光纤时，光与光纤内芯的相互作用会造成信号失真，而且这种失真会随着距离的增加越来越显着。例如，就像在雾中一样，我们仍然可以清楚地看到近距离的物体，但是随着距离的增加，它变得越来越模糊。这种失真现象是非线性的；当信号强度加倍时，失真量不会以同样的方式加倍，但可能会增长得更快。所以当信号经过中继站放大后，如果放大的强度过大，所产生的失真会使信号本身淹没在一片噪声中。对光纤的研究主要是想方设法提高信号的信息容量和传播距离，同时避免散射和畸变。起初，光纤通信只是简单地通过激光发射源的开关来编码1和0。工程师们不断提高光源的开关频率，以提高信息的传输速率。到20世纪80年代中期，光纤通信网络才刚刚商业化几年，这样的解决方案就可以实现数十公里每秒数百兆比特的传输。为了将信号传输距离延长到50公里以上，需要中继器来放大已经严重衰减的信号。中继器首先将光脉冲信号转换成电信号，滤除噪声，然后进行放大，最后将电信号转换回激光信号，送入下一段光纤。这种光电转换过程复杂且昂贵。幸运的是，1986年，英国南安普顿大学的戴维·佩恩发明了一种更好的方法。在他的方案中，光信号可以在光纤中直接放大，不需要外部电路。佩恩在光纤内芯中掺杂了一些稀土元素铒，他发现用激光照射铒原子，使其进入激发态，可以放大波长为1.55微米的入射光，这恰好是光纤中使用的具有最高透射率的波段。到20世纪90年代中期，由掺铒光纤制成的信号放大器已用于长距离光纤通信。在一定距离设置歌曲放大器（具体间隔视通信距离而定），可实现500至数千公里距离的光纤信号传输，更远的距离需要更高成本的电路系统来实现过滤掉噪音和重复。信号。今天，铒光纤放大器链允许光信号通过光纤穿越大陆和海洋。掺铒光纤放大器的出现提供了一种提高通信容量的新途径：多波段通信。铒原子实际上可以放大一个波长范围内的光信号，在1.53~1.57微米波长范围内放大倍数非常均匀。这个范围足以在同一根光纤中合并多个信号，只需要为它们分配不同的窄带即可。『图注』在图中左侧的信号源中，电信号被转换成光信号，然后传输到光纤中。每隔一段时间，有一个用掺有特殊材料的光纤制成的光放大器，用来增强信号。.光纤的末端是接收器。接收器将光信号分为载波和数据本身，提取数据成分，转换成电信号，再通过选择器传递给不同的转换器，即成为光信号。信号发出去，送到下一个目的地。多波段通信方案称为波分复用。它和激光信号开关频率的不断提高，促成了20世纪90年代中后期光纤通信容量的爆发式增长。到2000年，商用光纤通信系统可以同时放大80个独立的信号，每个信号每秒传输10,000兆比特(10Gb)的数据。事实上，当时没有人需要这样的通信容量，所以当时只使用了一部分频段，其他频段可以在以后添加。2000年后随着互联网的快速发展，网络运营商在现有的光纤通信系统中增加了更多的频段。但很快，传统的信号编码方式已经达到了极限，如果没有其他新技术或更多的光纤，现有系统很快就会饱和。on或off形式的信号一次只能发送1位数据（如果光信号强度高于某个阈值，则表示1，如果低于某个阈值，则表示0）。这种编码方式要想提高通信容量，唯一的办法就是工程研究人员一直在努力的方向：更短的脉冲，或者更短的脉冲间隔。然而，脉冲信号越短，信号越容易受到色散效应的影响。色散效应是指不同波长的光在介质中以不同速度传播的现象。例如，通过棱镜将太阳光分成彩虹色带就利用了色散效应。其原理是不同波长的光在介质中的传播速度不同。光纤通信中使用的激光脉冲虽然单色性很好，但仍不是绝对的单色光，在传播过程中仍会因色散而展宽。当两个原本相隔一段时间的脉冲信号在传播过程中变宽时，就会相互干扰。随着通信容量的增加，即相邻脉冲之间的时间间隔减小，这个问题会越来越严重。因此，10Gb/s通信容量1000公里后需要信号滤波再制造的光纤，在100Gb/s通信容量下只能行驶10公里。更高质量的光纤可以有效降低色散的影响，但更换现有光纤网络的成本是无法承受的。到2001年，因互联网泡沫过度建设的大量光纤网络资源闲置。它们被称为“深色”纤维。幸运的是，工程师还有其他选择，包括以前用于将多个无线电信号压缩到窄带中的两个。其中一种方法改变了信号的编码方式。在该方案中，数据的0和1不再通过激光器的开关来表示。激光光源一直开着，调制的是光波的相位，即波峰和波谷的到达时间。最简单的数字信号相位调制方法是将激光器的波峰比正常情况提前四分之一波长，即相位超前90度。如果用正常相位来表示0，那么当它提前90度时，就表示1。使用这种方法，激光器一次发送1位，但是通过叠加两束波可以使信号容量增加一倍.叠加激光的相移可以细分为135度、45度、-45度和-135度四个相位，分别可以代表两位的四种情况：00、01、10和11。2007年2010年，贝尔实验室和Verizon使用这种方案的一个变体，称为正交相移键控，在佛罗里达州的Verizon通信网络中实现了500公里100Gb/s的通信。信号传输。这是很大的进步，但对Verizon来说仍然不够。他们希望骨干光纤网络能够像其他长途运营商一样，在没有昂贵的中继器的情况下传输1000-1500公里的信号。幸运的是，第二种选择可以帮助光纤通信弥合这一传输距离差距。这种方法利用了激光的固有特性，即相干性。相干性是指当一束激光分成两束时，它们的相位始终相同，波峰和波谷始终重合，就像列队行军的士兵一样。使用相干性可以大大提高接收者提取信息的能力。该方法将接收信号与接收机产生的同频信号叠加。接收器产生的信号非常纯净，或者接近理想情况。通过它可以判断接收信号的相位。后者是远距离传输。嘈杂。然后信号的载波被过滤掉，留下信号本身，接收器将其转换为电信号，携带最初发送的编码为1和0的信息。在红外光波段信号上使用原来用于微波通信的方法比较困难，因为接收器产生的光信号的频率与接收信号的频率匹配比较困难。随着高级数字信号处理器的发展，这个问题在2000年代初得到了解决。它们允许接收器生成与接收信号有频率偏移的信号，在这种情况下，可以重建和同步信号的相位，并且它们可以校正传输中发生的脉冲展宽。正交编码和相干检测技术的结合，结合使用两种不同偏振态的光来传输信号，已经将光纤通信推向了极限。今天，新的发射器和接收器让原本设计用于10Gb/s通信容量的光纤在单一频率，即单一波长下实现100Gb/s的远距离传输。传统光纤最多可容纳100个频段，因此其通信容量可达10Tb/s。【插图】光波的相位，即波峰和波谷的到达时间，可以用来编码信息。在正交编码方式中，四个不同的相位（图中由上、中两个具有一定相位差的相位编码信号叠加而成）可以表示2bit信号（图中下波形）的四种情况。1990年代后建设的区域、国家和国际光纤网络大多兼容上述技术，并且在过去六年中，许多骨干网络已经更新以达到这样的信号传输速率。“目前，很多长距离地面通信电缆和大部分海底电缆都升级到了100Gb带宽。”TeleGeography的高级研究员ErikKreifeldt说。让我们以Ciena在马里兰州汉诺威的光纤网络为例，感受一下这些数字。该系统有6个频段，每个频段的通信容量为100Gb/s，传输距离可达数百至数千公里。超高清视频。这只是一根光纤。今天的光缆可以包含几十到几百根光纤。然而，尽管21世纪初网络泡沫破灭，全球用户对带宽的需求却从未减弱。根据思科最近的一份报告，全球互联网传输的数据量在2010年至2015年间增长了整整五倍，而且这一趋势看起来还将继续，这主要归功于网络视频和物联网的增长.未来光纤通信将如何不断完善？研究人员正在积极探索。其中一个想法是使用更先进的信号编码技术。现在广泛使用的正交相移技术可以在单位信号间隔内编码2比特，而Wi-Fi等无线系统使用的编码方式更为复杂。例如，广泛使用的16-QAM编码可以在一个信号中包含4bit的所有16种情况，从0000到1111。一些有线电视也使用256-QAM。这种先进的编码方法确实可以用在光纤中，但正如您所料，这是有代价的。编码方法越复杂，信息就越需要打包在一起进行传输。信号包含的数据越多，它可以容忍的外部扰动就越少，否则其中一些将被破坏。增加信号传输功率可以改善这种情况，但这会增加非线性失真，并且随着距离的增加而增加。因此，16-QAM编码技术只能应用于较短的信号传输距离，大约几百公里。对于更长的距离，研究人员试图更紧密地压缩不同的频段。这确实是可能的，因为今天先进的长距离光纤包含几十个频段，相邻频段之间有一些间隔以防止串扰。如果可以缩短甚至省略这些缓冲频带，单根光纤就可以容纳更多的频带，从而实现所谓的超级信道系统（superchannel），信号在光纤中以全频带传输。据Ciena产品和技术营销总监HelenXenos介绍，这样的解决方案可以在现有基础上提高30%的数据传输速率。要应用这样的技术，就需要找到一种编码方法，使不同频段的信号互不干扰，一些公司已经找到了一些方法。2013年，Ciena与英国电信集团BT采用无缓冲频段技术在伊普斯威奇和伦敦之间建设了一个800Gb/s的超多频段通信网络。此外，至少还有一位Ciena客户正在将他们的SuperBand系统应用于海底跨洋电缆。Ciena表示，他们使用单独的芯片来处理多个激光信号，但他们也有能力将它们集成到一个芯片中，使其更紧凑、更便宜。“我们的秘密武器是光子集成电路技术，”Infinera技术解决方案总监GeoffBennett说。2014年，他的公司发布了传输速率为1Tb/s的超频系统。该系统具有集成10个激光发射器的光子集成电路。他还提到，未来长距离传输系统的通信容量可以提高到12Tb/s，城市中使用的短距离系统的通信容量可以提高一倍。【注】不同模式的信号，即不同的空间分布形式，可以在同一根光纤中传输多个信号，从而提高信号容量。在某种模式下，光纤截面上不同区域的光密度是不同的。图的上半部分显示了光纤中可能存在的信号模式，而图的下半部分显示了随着传输距离的增加，不同的模式可能会发生振荡并相互干扰。这样的超宽带系统要普及还需要几年时间，但一旦技术普及，这可能是我们在现有光纤基础上能做的最后一次大规模增容。这是因为我们即将面临称为非线性香农极限的基本技术障碍。ShannonLimit是由信息学家Crowder开发的。香农于1948年提出，他指出存在一个最大容量由带宽和信噪比决定的信道，可以正确传输数据。非线性香农极限还包括另一个因素，即信号功率的最大值，超过这个值，非线性效应（只出现在玻璃中）会导致过大的噪声淹没信号。没有办法打破非线性香农极限。但在更多光纤设施的建设中，光纤载体本身仍有改进的空间。Infinera的Bennett提到的“最成熟、最容易理解的方法”，就是把光纤的内核做大。早期光缆的内芯很小，极大地限制了光信号的传播路径。较小的内芯有助于避免光子在内芯和外包层的界面处以不同的角度反射，如果不同的光子在界面处以非常不同的角度反射，它们在光纤中传播的距离是有差异的，有些是有的长有的短，会造成脉冲展宽，造成相邻脉冲重叠。在新的光纤设计中，使用了一种新的内芯微结构，比如光子晶体材料，它也可以限制光线，使其在内核中以相同的路径向前传播，而光的截面积路径是标准9微米光纤的路径。双倍的。由于光信号有更多的空间和截面可以通过，可以降低其单位面积的能量密度，有利于减少非线性失真，减少这种效应对传输距离和速率的限制。最终结果是可以增加通信容量。贝内特提到，未来这种光纤有望将通信容量提高十倍左右。这些大芯径光纤已经投入使用，主要用于海底电缆，其中增加的数据传输容量最有价值。一般来说，它们也是一些新网络的选择之一。Bennett提到，“如果有人计划建造新的地面光缆，他们可能还需要大芯径光纤。”尽管它们很吸引人，但大芯径光纤并不能完全消除非线性失真问题。另一种更有前途的方案是在光纤中创建许多平行的光信号路径，用于许多独立的信号传播。研究人员称其为空分复用，其中物理空间被分成多个部分，多个信号可以同时使用。该术语实际上涵盖了三种不同的并行信号传输方式。其中，最常见、最简单的并行方式是多条物理光通道，即在单根光缆中叠加多根光纤。多纤光缆已得到广泛应用，但更换和升级现有光缆成本高昂，而且技术复杂，因为单根光缆中的多根光纤需要各自的发射器、接收器和信号放大器。更理想的方法是在一根光纤中集成多个离散的光信号路径。一种方法是使用可容纳多个光波导芯的光纤。与普通光纤一样，多芯光纤首先将纤芯材料放入圆柱形预制棒中，然后加热并拉制，形成细长的玻璃纤芯。与需要单独放大器的多芯光纤不同，多芯光纤只需要一个专门的放大器，8芯放大器的成本远低于8个单纤放大器。另一种方法是让光纤芯以几种不同的方式（称为模式）引导激光。两种不同模式的光在光纤中可以相互穿过，但在光纤末端可以分开。为了在光中实现多模，需要使不同模式的信号在光路截面上的投影形状不同。某一模的信号由特定的激光发射器产生，经过接收器的光、电处理后可以从多模信号中分离出来。这种分离技术已经应用于多输入/输出射频天线。目前，多模、多芯光纤通信尚处于发展初期。还有一些被称为“英雄实验”的实验室测试给记者和管理人员留下了深刻印象，因为它们在光纤通信方面创下了历史新高。这样的实验结果表明，它们都具有很大的发展潜力，可以进一步提高光纤的通信容量。当这些技术结合在一起时，有可能将通信容量提高数百倍。然而，要应用这些技术，现有系统还不能满足要求，还有很多实际应用问题需要解决。“基本上，所有的空分复用技术都还存在明显的问题。”本尼特是这么想的。例如，对于多芯和多模光纤，光纤前端到发射器和光纤端到接收器的连接比当前标准光纤技术复杂得多，需要更高的机械精度，以确保不同的光信号进入特定的纤芯，或形成特定的模式，这就要求每个系统的连接精度更高。除非在工程技术上有突破，“否则，最简单的就是再增加一根光纤，这是光纤通信服务商告诉我们的。”贝内特说。贝尔实验室技术部门的重要成员兼高速光纤系统行业领导者彼得温泽同意铺设容纳更多光纤的新电缆确实是最简单的方法。但在最近的一篇文章中，他警告说，这种方法会增加成本，可能不是通信公司的最佳选择。新的想法不断涌现。2015年6月，加州大学圣地亚哥分校的NikolaAlic和他的同事报告说，他们使用光频梳成功地增加了光纤通信的距离。该技术将一个激光束的波长锁定为另一个激光束的波长，从而消除毛刺并提高信号质量。“使用这项技术，我们至少可以将任何系统的通信能力提高一倍。”Alic提到，Winzer也认为，“这是一个非常好的、扎实的研究成果。”但他也想知道这项技术是否足以让开发者产生怀疑，毕竟他们期望通信能力有更显着的提升。下一步是什么？当前通信行业正在加紧建设100Gb相干系统。Hyperband系统可以将最大通信容量提高30%左右，空分复用看起来是下一个重大突破的最佳候选者。但除此之外，谁知道还有什么？也许，一些新的旧酒创新会出现。相干信号传输技术在20世纪80年代成为研究热点，2010年前后得到广泛应用，但很快被其他新技术赶超和取代。光子学研究的沃土上可能会出现全新的技术。而且我们总是需要更多的光纤。无论如何，世界对进一步提高数据传输速度和容量的渴望将驱使研究人员不惜一切代价继续扩大带宽。
