发布时间:2021-09-17 06:30:46

光纤通信技术发展现状与展望

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  前不久,珠澳合作开发横琴的年中答卷徐徐展开,其中一条跨境光纤引人瞩目,它穿越珠澳两地,实现澳门到横琴的算力互联、资源共享,筑起信息通途。上海也正在推进“光进铜退”全光纤通信网络升级改造项目,为经济高质量发展、居民享受更好的通信服务保驾护航。

  随着互联网技术的迅速发展,用户对互联网流量的需求日益增长,如何提升光纤通信的容量成为亟须解决的问题。

  光纤通信技术自出现以来带来了科技和社会领域的重大变革。作为激光技术的重要应用,以光纤通信技术为主要代表的激光信息技术搭建了现代通信网络的框架,成为信息传递的重要组成部分。光纤通信技术是当前互联网世界的重要承载力量,同时也是信息时代的核心技术之一。

  随着各种新兴技术如物联网、大数据、虚拟现实、人工智能(AI)、第五代移动通信(5G)等技术的不断涌现,对信息交流与传递提出了更高的需求。据思科公司2019 年发布的研究数据显示,全球年度 IP 流量将由2017年的1.5ZB(1ZB=1021B)增长为2022年的4.8ZB,复合年增长率为26%。面对高流量的增长趋势,光纤通信作为通信网中最骨干的部分,承受着巨大的升级压力,高速、大容量的光纤通信系统及网络将是光纤通信技术的主流发展方向。

  随着 1958 年亚瑟肖洛与查尔斯汤斯揭示激光器工作原理之后,1960 年第一台红宝石激光器研制成功。接着,1970 年第一个能在室温下连续工作的 AlGaAs 半导体激光器研制成功,并在 1977 年实现半导体激光器在实用环境中连续工作几万小时以上。

  至此,激光器已具备应用于商用光纤通信的前提。在激光器发明之初,发明者已意识到其在通信领域的重要潜在应用。然而,激光通信技术存在两个明显的短板问题:一是因激光波束发散会损失大量能量;二是受应用环境的影响较大,如在大气环境下应用时会显著受制于天气情况的变化。因此,对激光通信而言,一个合适的光波导至关重要。

  诺贝尔物理学奖获得者高锟博士提出的用于通信的光纤满足了激光通信技术对波导的需求。他提出,玻璃光纤的瑞利散射损耗可以非常低(低于20 dB/km),而光纤中的功率损耗主要来源于玻璃材料中的杂质对光的吸收,因此材料提纯是减小光纤损耗的关键,此外还指出单模传输对保持好的通信性能很重要。

  1970 年,康宁玻璃公司根据高锟博士的提纯建议研制出了损耗约为20dB/km 的石英系多模光纤,使光纤作为通信的传输媒介成为现实。之后经过不断研发,石英系光纤的损耗逼近理论极限。至此,光纤通信的条件已完全满足。

  早期的光纤通信系统均采用直接检测的接收方式。这是一种较简单的光纤通信方式,PD 是一种平方律的检波器,只有光信号的强度可以被探测到。这种直接检测的接收方式从20世纪70年代的第一代光纤通信技术一直延续到了20世纪90年代初期。

  进入20世纪90年代以来,光纤通信技术中的相干检测技术逐渐成为研究热点。通过引入相干检测技术,接收机的灵敏度得到了极大提升。在第一代相干检测系统中主要采用外差探测和零差探测,其中外差检测指信号载波与本地载波的频率差值为中频,而零差探测指信号载波与本地载波频率完全相同、相位差固定。

  光放大器也是光纤通信技术史上重要的成果之一。采用光放大器的光纤链路,也可以达到散弹噪声极限的探测灵敏度,同时可以去除所有的电中继,使得光纤通信技术可以实现长距离传输。光放大的概念在最早的激光器专利中就有所建议,最终在1987年,该项技术被南安普敦大学和贝尔实验室首次实现。

  自20世纪90年代以来,随着互联网技术的迅速发展,用户对互联网流量的需求日益增长,并随之带来了对光纤通信容量的迫切需求。如何提升光纤通信的容量成为亟须解决的问题。

  “信息论之父”香农给出了信道容量的极限,任何通信系统传输信息的容量都不会超过这个极限,它与系统的带宽与信道中的信噪比相关。系统带宽越大、信噪比越高,系统的容量极限越高。

  典型的C波段掺铒光纤放大器(EDFA)的带宽为35nm,即约4375GHz。面对如此巨大的带宽资源,如何充分利用它来实现大容量的光纤传输是关键。

  由此我们想到了波分复用(WDM)。波分复用是使不同波长的载波同时承载信号,共同在一根光纤中传输,由于各载波的波长不同,故可轻易分别解调出来。此外,光纤布拉格光栅的发明也方便了波分复用。

  增加带宽内的频谱利用率需从两方面着手:一是采用技术逼近香农极限,但频谱效率的增加对电信噪比的要求有所提升,从而减少了传输的距离;二是充分利用相位、偏振态的信息承载能力来进行传输,这也就是第二代相干光通信系统。

  第二代相干光通信系统采用光混频器进行内差检测,并采用偏振分集接收,即在接收端将信号光与本振光分解为偏振态互为正交的两束光,在这两个偏振方向上分别拍频,这样可以实现偏振不敏感接收。另外,需要指出的是,此时接收端的频率跟踪、载波相位恢复、均衡、同步、偏振跟踪和解复用均可以通过数字信号处理(DSP)技术来完成,这极大简化了接收机的硬件设计,并提升了信号恢复能力 。

  通过各种技术的运用,目前学界和业界已基本达到光纤通信系统频谱效率的极限,如要继续增大传输容量,只能通过增加系统带宽 B(线性增加容量)或增加信噪比来实现,具体探讨如下。

  由于适当增加光纤截面的有效面积可以降低高功率传输带来的非线性效应,因此采用少模光纤代替单模光纤进行传输是一种增加功率的解决方案。此外,当前最通用的解决非线性效应的方案是采用数字背向传输(DBP)算法,但算法性能的提升会导致运算复杂度的增加。近期,机器学习技术在非线性补偿方面的研究显现出了很好的应用前景,极大地降低了算法的复杂度,因此今后可通过机器学习来辅助 DBP系统的设计。

  增加带宽可以突破 EDFA 的频带范围的限制,除了C波段与L波段以外,可将S波段也纳入应用范围,采用SOA或拉曼放大器进行放大。而现有光纤在 S 波段之外的频段损耗都较大,需设计新型光纤来降低传输损耗。但对其余波段而言,有商业利用价值的光放大技术也是一个挑战。

  研究低传输损耗光纤是该领域最关键的问题之一。空芯光纤(HCF)具有更低传输损耗的可能,将减少光纤传输的时延,可在极大程度上消除光纤的非线. 空分复用相关技术的研究

  空分复用技术是实现单纤容量增大的有效方案,具体有:采用多芯光纤进行传输,成倍增加单纤的容量,在这方面最核心的问题是有无更高效率的光放大器,否则只能等价为多根单芯光纤;采用包括线偏振模式、基于相位奇点的轨道角动量光束和基于偏振奇点的柱矢量光束等的模分复用技术,这类技术可为光束复用提供新的自由度,提高光通信系统的容量,在光纤通信技术中具有广阔的应用前景,但相关光放大器的研究同样是挑战。另外,如何平衡差分模群时延以及多输入多输出数字均衡技术等带来的系统复杂度也值得关注。

  光纤通信技术从最初的低速传输发展到现在的高速传输,已成为支撑信息社会的骨干技术之一,并形成了一个庞大的学科与社会领域。今后随着社会对信息传递需求的不断增加,光纤通信系统及网络技术将向超大容量、智能化、集成化的方向演进,在提升传输性能的同时不断降低成本,为服务民生、助力国家构建信息社会发挥重要作用。

  与无线通信系统相比,智能化光网络的光通信系统及网络在网络配置、网络维护及故障诊断方面仍处于初级阶段,智能化程度不足。由于单根光纤容量巨大,任一光纤故障的发生将给经济、社会带来很大影响,因此网络参数的监测对未来智能网络的发展至关重要。今后这方面需关注的研究方向有:基于简化相干技术与机器学习的系统参数监测系统、基于相干信号分析和相位敏感光时域反射的物理量监测技术。

  器件集成的核心目的是降低成本。在光纤通信技术中,通过不断的信号再生可以实现信号的短距离高速传输。但是由于相位和偏振态恢复的问题,目前相干系统的集成还较为困难。另外,如果大规模集成的光电光系统可以实现,也会显著提升系统容量。但是限于技术效率低、复杂度高、难以集成等因素,光通信领域不太可能广泛推广如全光 2R(再放大、再整形)、3R(再放大、再定时、再整形)等全光信号处理技术。因此,在集成技术与系统方面,今后研究的方向有:对空分复用系统的现有研究虽已经较丰富,但学界、业界对空分复用系统关键器件尚未实现技术突破,需进一步加强研究,如集成激光器与调制器、二维的集成接收机、高能效的集成光放大器等;新型光纤可能会显著拓展系统带宽,但仍需深入研究以确保其综合性能与制造工艺达到现有单模光纤的水平;研究通信链路中可与新型光纤搭配使用的各类器件。

  在光通信器件中,硅光器件的研发已初见成效。但目前国内相关研究以无源器件为主,对有源器件的研究较为薄弱。在光通信器件方面,今后的研究方向有:有源器件与硅光器件的集成研究;非硅光器件集成技术的研究,如 III-V族材料衬底集成技术的研究;新型器件研发的进一步跟进,如兼具高速与低功耗优点的集成铌酸锂光波导。

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