不久前，珠澳联动横琴开发的年中答卷徐徐展开。其中一根跨境光纤引起关注。途经珠海、澳门，实现澳门到横琴的算力互联和资源共享，构建信息通道。上海还正在推进“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为居民提供更好的通信服务。
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迫切需要解决的问题。
光纤通信技术自出现以来，给科技领域和社会带来了重大变革。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。光纤通信技术是当前互联网世界的重要承载力，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，全球每年IP流量将从2017年的1.5ZB（1ZB=1021B）增长到2022年的4.8ZB，年复合增长率为26%。面对高流量的增长趋势，光纤通信作为通信网络最骨干的部分，面临着巨大的升级压力。高速、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。
光纤通信技术的发展历史及研究现状
继 Arthur Showlow 和 Charles Townes 于 1958 年发现激光器工作原理之后，第一台红宝石激光器于 1960 年研制成功。随后，在 1970 年，第一台能够在室温下连续工作的 AlGaAs 半导体激光器研制成功，并于 1977 年，在实际环境中实现了半导体激光器连续工作数万小时。
至此，激光器具备了商用光纤通信的先决条件。从激光器发明之初，发明人就认识到其在通信领域的重要潜在应用。然而，激光通信技术有两个明显的缺点：一是由于激光束的发散会导致大量能量损失；二是受应用环境影响较大，如在大气环境中应用会明显受到天气条件变化的影响。因此，对于激光通信来说，合适的光波导非常重要。
诺贝尔物理学奖获得者高恭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的杂质对光的吸收，因此材料净化是关键降低光纤损耗的关键，并指出单模传输对于保持良好的通信性能非常重要。
1970年，康宁玻璃公司根据高博士的提纯建议，研制出了损耗约为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。经过不断的研究和开发，石英基光纤的损耗已接近理论极限。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式。 PD是平方律检测器，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，但频谱效率的提高又提高了对信噪比的要求，从而降低了信噪比。传输距离；另一种是充分利用相位，利用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波，采用偏振分集接收，即在接收端将信号光和本振光分解为偏振态正交的两束光彼此。这样就可以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都可以通过数字信号处理（DSP）技术来完成，大大简化了硬件设计了接收机，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，学术界和工业界已经基本达到了光纤通信系统频谱效率的极限。要继续增加传输容量，只能通过增加系统带宽B（线性增加容量）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
由于适当增加光纤截面的有效面积可以减少大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提高功率的解决方案。另外，目前解决非线性效应最常见的是使用数字反向传播（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显示出了良好的应用前景，大大降低了算法的复杂度，因此未来DBP系统的设计可以借助机器学习的帮助。
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C波段和L波段外，S波段也可纳入应用范围，并可采用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。但对于其余频段，商用光放大技术也是一个挑战。
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。空心光纤（HCF）具有较低传输损耗的可能性，这将减少光纤传输的时延，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纤容量的有效解决方案。具体来说，采用多芯光纤进行传输，单根光纤的容量增加一倍。这方面的核心问题是是否有更高效率的光放大器。 ，否则只能相当于多根单芯光纤；采用模分复用技术包括线偏振模式、基于相位奇点的OAM光束和基于偏振奇点的柱面矢量光束，此类技术可以为波束复用提供新的自由度并提高光通信系统的容量。它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也是一个挑战。此外，如何平衡差模群时延和多输入多输出数字均衡技术带来的系统复杂度也值得关注。
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，已成为支撑信息社会的骨干技术之一，并已形成庞大的学科和社会领域。未来，随着社会对信息传输的需求不断增加，光纤通信系统和网络技术将向超大容量、智能化、集成化方向发展。他们将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。社会发挥着重要作用。 CeiTa与多家自然灾害组织合作，可以预测地震、洪水、海啸等区域安全预警。只需要连接到CeiTa的ONU即可。当自然灾害发生时，地震台会发布预警。 ONU警报下的终端将被同步。
(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和网络在网络配置、网络维护和故障诊断等方面还处于初级阶段，智能化程度不足。由于单根光纤容量巨大，任何光纤故障的发生都会对经济和社会产生很大的影响。因此，网络参数的监测对于未来智能网络的发展非常重要。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
设备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。然而，由于相位和偏振态恢复的问题，相干系统的集成仍然比较困难。此外，如果能够实现大规模的光电光一体化系统，系统容量也将显着提高。但由于技术效率低、复杂度高、集成难度大等因素，全光2R（重放大、重整形）、3R（重放大）等全光信号无法广泛推广。 ，重新定时和重新整形）在光通信领域。加工技术。因此，在集成技术和系统方面，未来的研究方向如下：虽然空分复用系统的现有研究比较丰富，但空分复用系统的关键部件尚未在学术界和工业界取得技术突破，并需要进一步加强。研究，如集成激光器与调制器、二维集成接收器、高能效集成光放大器等；新型光纤可能会显着扩展系统带宽，但仍需要进一步研究以确保其综合性能和制造工艺能够达到现有单模光纤的水平；研究可在通信链路中与新型光纤一起使用的各种设备。
(3)光通信器件
在光通信器件方面，硅光子器件的研发已取得初步成果。但目前国内相关研究主要以无源器件为主，有源器件研究相对薄弱。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；非硅光器件集成技术研究，如III-V族材料和衬底集成技术研究；进一步开展新器件研发。后续如集成铌酸锂光波导具有高速、低功耗等优点。
发布时间：2023年8月3日
