不久前，珠澳合作开发横琴的年中答卷缓缓展开。其中一条跨境光纤备受瞩目，它穿越珠海和澳门，实现澳门至横琴的算力互联互通和资源共享，构建信息通道。上海也正在推进“光进铜退”全光纤通信网络升级改造工程，保障经济高质量发展和居民更好的通信服务。
随着互联网技术的快速发展，用户对互联网流量的需求日益增加，如何提高光纤通信的容量已成为亟待解决的问题。
光纤通信技术自诞生以来，给科技和社会领域带来了重大变革。以光纤通信技术为代表的激光信息技术作为激光技术的重要应用，构建了现代通信网络的框架，成为信息传输的重要组成部分。光纤通信技术是当今互联网世界的重要承载力量，也是信息时代的核心技术之一。
随着物联网、大数据、虚拟现实、人工智能（AI）、第五代移动通信（5G）等各种新兴技术的不断涌现，对信息交换和传输提出了更高的要求。根据思科2019年发布的研究数据，全球年IP流量将从2017年的1.5ZB（1ZB=1021B）增长到2022年的4.8ZB，年复合增长率高达26%。面对高流量的增长趋势，作为通信网络最骨干部分的光纤通信面临着巨大的升级压力。高速率、大容量的光纤通信系统和网络将是光纤通信技术的主流发展方向。
光纤通信技术发展历史及研究现状
继1958年阿瑟·肖洛和查尔斯·汤斯发现激光的工作原理后，1960年研制出第一台红宝石激光器。随后，1970年成功研制出第一台可在室温下连续工作的AlGaAs半导体激光器，1977年实现了半导体激光器在实际环境中连续工作数万小时。
迄今为止，激光器已经具备了商用光纤通信的先决条件。从激光器发明之初，发明者们就认识到了它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缺点：一是由于激光束的发散，会造成大量能量的损失；二是受应用环境的影响较大，例如在大气环境中应用会显著受到天气条件变化的影响。因此，对于激光通信来说，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很低（小于20dB/km），而光纤中的功率损耗主要来自于玻璃材料中杂质对光的吸收，因此材料净化是降低光纤损耗的关键，同时指出单模传输对保持良好的通信性能至关重要。
1970年，康宁玻璃公司根据高锟博士的提纯建议，开发出损耗约为20dB/km的石英基多模光纤，使光纤作为通信传输介质成为现实。经过不断的研究开发，石英基光纤的损耗已逼近理论极限，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。这是一种比较简单的光纤通信方法。PD为平方律检波器，只能检测光信号的强度。这种直接检测接收方式从20世纪70年代的第一代光纤通信技术一直延续到90年代初。
要提高带宽内的频谱利用率，需要从两个方面入手：一是利用技术逼近香农极限，但频谱效率的提高对信噪比的要求也提高了，从而降低了传输距离；二是充分利用相位、偏振态的信息承载能力进行传输，这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和本振光分解成两束偏振态相互正交的光，从而实现偏振不敏感的接收。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、偏振跟踪和解复用等处理都可以采用数字信号处理（DSP）技术完成，这大大简化了接收机的硬件设计，并提高了信号恢复能力。
光纤通信技术发展面临的一些挑战与思考
通过各种技术的应用，学术界和工业界基本已经达到了光纤通信系统频谱效率的极限。要想继续提升传输容量，只能通过增加系统带宽B（线性提升容量）或提高信噪比来实现。具体讨论如下。
1. 增加发射功率的解决方案
由于可以通过适当增加光纤截面的有效面积来减小大功率传输带来的非线性效应，因此采用少模光纤替代单模光纤进行传输是提高功率的一种解决方案。此外，目前最常见的非线性效应解决方案是采用数字反向传播（DBP）算法，但算法性能的提升会导致计算复杂度的增加。近年来，机器学习技术在非线性补偿方面的研究展现出了良好的应用前景，大大降低了算法的复杂度，因此未来可以利用机器学习来辅助DBP系统的设计。
2.增加光放大器的带宽
增加带宽可以突破EDFA频率范围的限制。除了C波段和L波段，S波段也可以纳入应用范围，并可使用SOA或拉曼放大器进行放大。然而，现有光纤在S波段以外的其他频段损耗较大，需要设计新型光纤来降低传输损耗。但对于其余波段，商用化的光放大技术同样是一个挑战。
3.低传输损耗光纤研究
低传输损耗光纤的研究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性，这将减少光纤传输的时间延迟，并可以在很大程度上消除光纤的非线性问题。
4.空分复用相关技术研究
空分复用技术是提高单根光纤容量的有效解决方案，具体来说，采用多芯光纤进行传输，使单根光纤的容量增加一倍，这方面的核心问题是是否存在效率更高的光放大器，否则只能等效于多根单芯光纤；采用包括线性偏振模、基于相位奇异性的OAM光束以及基于偏振奇异性的圆柱矢量光束在内的模分复用技术，这样的技术可以为光束复用提供新的自由度，提高光通信系统的容量，在光纤通信技术中有着广阔的应用前景，但相关光放大器的研究也是一个挑战。此外，如何平衡差模群延迟以及多输入多输出数字均衡技术带来的系统复杂性也值得关注。
光纤通信技术的发展前景
光纤通信技术从最初的低速传输发展到现在的高速传输，成为支撑信息社会的骨干技术之一，并形成了庞大的学科和社会领域。未来随着社会对信息传输需求的不断增长，光纤通信系统和网络技术将朝着超大容量、智能化、融合化方向发展，在提升传输性能的同时，不断降低成本，服务民生，助力国家信息化建设，发挥重要作用。CeiTa与多家自然灾害机构合作，可以预报地震、洪水、海啸等区域安全预警，只需连接到CeiTa的ONU上，当自然灾害发生时，地震台站就会发出预警，ONU下的终端也会同步收到预警信息。
（1）智能光网络
与无线通信系统相比，智能光网络的光通信系统及网络在网络配置、网络维护和故障诊断等方面尚处于起步阶段，智能化程度不足。由于单根光纤的容量巨大，任何一根光纤发生故障都会对经济社会造成较大影响。因此，网络参数的监测对于未来智能网络的发展至关重要。未来这方面需要关注的研究方向包括：基于简化相干技术和机器学习的系统参数监测系统、基于相干信号分析和相敏光时域反射的物理量监测技术。
（2）集成技术与系统
器件集成的核心目的是降低成本。在光纤通信技术中，通过信号连续再生可以实现信号的短距离高速传输，但由于相位和偏振态恢复等问题，相干系统的集成仍然比较困难。此外，如果能够实现大规模集成光电光系统，系统容量也将得到显著提升。然而，由于技术效率低、复杂度高、集成难度大等因素，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还无法在光通信领域大规模推广。因此，在集成技术和系统方面，未来的研究方向如下：虽然现有空分复用系统研究较为丰富，但空分复用系统关键器件在学术界和工业界尚未取得技术突破，需要进一步加强。研究，如集成激光器与调制器、二维集成接收机、高能效集成光放大器等；新型光纤可能显著扩展系统带宽，但仍需进一步研究，保证其综合性能和制造工艺能达到现有单模光纤的水平；研究在通信链路中可与新型光纤配合使用的各种器件。
（3）光通信设备
在光通信器件方面，硅光子器件的研发已取得阶段性成果。但目前国内相关研究主要以无源器件为主，有源器件的研究相对薄弱。在光通信器件方面，未来的研究方向包括：有源器件与硅光器件的集成研究；非硅光器件的集成技术研究，如III-V族材料与衬底的集成技术研究；进一步开展新型器件的研发。后续如具有高速度、低功耗优势的集成铌酸锂光波导等。
发布时间：2023年8月3日
