討論并不枯燥的技術(shù)

IT界耳熟能詳?shù)摹澳柖伞彼坪跻呀?jīng)開始落后于整個行業(yè)的發(fā)展，與此同時，寬帶的硬件基礎(chǔ)—光纖通信的速度也遇到了同樣的問題。從自二十世紀(jì)80年代以來，光纖中每秒可以傳送的信息字節(jié)數(shù)已經(jīng)增加了大約1000萬倍，但是現(xiàn)在，有不少國內(nèi)外研究者們發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過數(shù)十年來指數(shù)式的增長，光纖通信的速度可能已經(jīng)遇到了瓶頸。

有國外學(xué)者認(rèn)為，過去幾十年來，一系列技術(shù)進(jìn)步使得通信行業(yè)的從業(yè)者可以不斷地提高光纖通信網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸速率，但是，幾乎所有容易改進(jìn)的地方都已經(jīng)到了極限，為了繼續(xù)維持發(fā)展的態(tài)勢，必須出現(xiàn)真正偉大的創(chuàng)新。

光纖如何工作？

如今在網(wǎng)絡(luò)傳輸中使用得最多的是直徑9微米的光纖，其實就是一種玻璃細(xì)絲，它對波長1.55微米的紅外光幾乎是完全透明的。在光纖內(nèi)芯外面，包裹著超過50微米厚的玻璃覆層，這些覆層折射率較低，并可以將激光信號限制在內(nèi)芯之中，使其通過內(nèi)反射沿著光纖曲折著向前傳播。由于介質(zhì)的問題，光纖內(nèi)的激光脈沖信號傳輸速度為每秒20萬公里，只是真空光速的三分之二。同時，由于光子在光纖內(nèi)芯傳輸會發(fā)生散射，光信號傳播的距離越長，被散射的光子就越多，一般經(jīng)過50千米的傳播，90%的光信號就在衰減中丟失了。因此，光纖傳輸過程中必須加入中繼站來增強光信號。針對光纖傳輸?shù)难邪l(fā)和創(chuàng)新，主要就是在避免散射和畸變的同時提高信號的信息容量和傳播距離。

2000年左右，互聯(lián)網(wǎng)在全球范圍內(nèi)開始出現(xiàn)爆炸式的發(fā)展，對于帶寬的要求越來越高，傳統(tǒng)的信號編碼方式很快就接近了極限，如果沒有其他新的技術(shù)或者更多的光纖，現(xiàn)有的系統(tǒng)很快就會飽和。2007年，貝爾實驗室和Verizon公司研發(fā)出一種叫做正交相移鍵控（quadrature phase-shift keying）的技術(shù)，在位于佛羅里達(dá)州的通信網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)了500千米100Gb/s通的信號傳輸。此后Verizon進(jìn)行了進(jìn)一步的研發(fā)，讓光纖通信技術(shù)有了新的突破。如今，新技術(shù)的應(yīng)用讓原本設(shè)計指標(biāo)每秒10Gb通信容量的光纖，在單一頻率下可以實現(xiàn)實現(xiàn)每秒100Gb的長距離傳輸，配合傳統(tǒng)光纖最多可容納的100個頻段，通信容量可以達(dá)到10Tb/s。

但是，這依然還不能滿足未來更大數(shù)據(jù)吞吐量的需求，研究人員們還在想更多的辦法，讓帶寬變得“無限”。

未來的光纖傳輸形態(tài)

目前，很多長距離地面通信光纜和絕大多數(shù)海底光纜都升級到了每頻段100Gb帶寬，其中包含的每根光纖都可以可供幾萬人同時觀看視頻網(wǎng)站上的高清視頻，而一根光纜可以容納幾十到幾百根光纖。但這似乎也還并不能滿足更多的數(shù)據(jù)傳輸需求。根據(jù)Cisco公司最近發(fā)布的一份報告，全球互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸量在2010年至2015年之間增長了整整 5倍，因為網(wǎng)絡(luò)視頻和物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨罂赡茉谖磥韼啄陜?nèi)增長的更快。

有研究人員提出，可以采用更先進(jìn)的信號編碼技術(shù)來提升傳輸速度。如今廣泛使用的正交相移技術(shù)在單位信號間隔內(nèi)可編碼2bit，而Wi-Fi和其他無線系統(tǒng)采用了更復(fù)雜的編碼方式。這樣的先進(jìn)編碼方式可以有條件地在光纖中使用，因為編碼的方式越復(fù)雜，信息就需要被更緊密綁定在一起進(jìn)行傳輸，這樣會讓糾錯能力變得更加重要。一個信號包含的數(shù)據(jù)越多，它所能承受的外部擾動就越少，否則其中的一部分?jǐn)?shù)據(jù)就會出錯。提高信號發(fā)射功率可以改善這一情況，但是這樣又會增加非線性畸變，這種畸變隨距離增長而不斷增加，所以這樣的技術(shù)暫時還只能應(yīng)用在短距離的信號傳輸中。

對于更長距離的光纖，研究人員則嘗試將不同頻段傳輸?shù)臄?shù)據(jù)壓縮得更加緊密。目前的長距離光纖中包含幾十個頻段，相鄰頻段之間留有一定間隔以防止串?dāng)_，如果這些緩沖頻段可以縮短甚至省略，那么一根光纖中就可以容納更多的頻段，實現(xiàn)所謂的超級頻段系統(tǒng)（superchannel），這一系統(tǒng)中，信號在光纖中的全頻段上傳輸，這樣的方案可能可以將數(shù)據(jù)傳輸速率在現(xiàn)有基礎(chǔ)上提高30%。2013年，Ciena公司和英國電信集團BT采用無緩沖頻段技術(shù)，在伊普斯維奇和倫敦之間搭建起800Gb/s的超級多頻段通信網(wǎng)絡(luò)。

不過，這可能是在現(xiàn)有光纖的物理特性不改變的前提下做得到的最后一次大規(guī)模容量提升了。信息學(xué)家克勞德·香農(nóng)1948年提出的非線性香農(nóng)極限（nonlinear Shannon limit）是現(xiàn)有光纖可能無法越過的一個物理極限。他指出，信道存在一個由帶寬和信噪比決定的，能夠正確傳輸數(shù)據(jù)的最大容量。而非線性的香農(nóng)極限還包括了另外一個因素，即信號功率的極大值，超過這個值，非線性效應(yīng)（在玻璃中才會出現(xiàn)）就會導(dǎo)致過大的噪聲將信號淹沒。

因為香農(nóng)極限的存在，有公司已經(jīng)動起了改造現(xiàn)有光纖設(shè)備的念頭。Infinera公司認(rèn)為可以通過把光纖內(nèi)芯做得更大來實現(xiàn)更高的傳輸速度。另有公司認(rèn)為可以在一根光纖內(nèi)制造出平行的光信號通路，供許多獨立的信號傳播，稱為空（間）分復(fù)用（spatial-division multiplexing），采用可以容納多個光波導(dǎo)內(nèi)芯的光纖，而且只需要使用一個特制的放大器，成本遠(yuǎn)低于8個單獨光纖放大器。

不過，這些創(chuàng)新模式還都在研發(fā)中，有些公司在實驗室里取得了更快的傳輸速度，盡管還不能直接投入使用，但是未來的發(fā)展?jié)摿σ呀?jīng)顯露出來，如果這些技術(shù)在實際應(yīng)用方面的問題被解決，很可能將現(xiàn)有的光纖通信容量提高幾百倍。

后記

無論如何，隨著云計算、物聯(lián)網(wǎng)等基礎(chǔ)通信需求逐漸投產(chǎn)，更大的帶寬和更快的傳輸速度總是會被需要，而研究者們也會在提升這兩項指標(biāo)方面投入更多的精力。從理論上來說，網(wǎng)絡(luò)帶寬的發(fā)展是無止境的，因為即便沒有工程技術(shù)上的突破性進(jìn)展，只通過簡單的增加光纖和光纜也可以成倍的提升帶寬，而對于服務(wù)提供商來說，其實并不在意網(wǎng)絡(luò)運營商通過什么樣的辦法來提升帶寬。