光纖通信技術(shù)的現(xiàn)狀與前景

余暉冬，龔昊龑，胡紫云

（1.中國人民解放軍92145部隊，上海 200080；2.中國人民解放軍91497部隊，浙江 寧波 315000）

0 引言

光纖通信技術(shù)自發(fā)明以來對科學(xué)技術(shù)和社會經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域的產(chǎn)生了重大影響和變革。以光纖通信技術(shù)應(yīng)用為主要內(nèi)容的技術(shù)實現(xiàn)方式構(gòu)建了現(xiàn)代通信網(wǎng)絡(luò)的主要框架，成為現(xiàn)代信息網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)淖钪匾囊环N技術(shù)實現(xiàn)方式和組成部分。該技術(shù)是當(dāng)今互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的重要的關(guān)鍵基礎(chǔ)技術(shù)，在創(chuàng)造信息時代和信息社會發(fā)揮著無可替代的作用。由元器件產(chǎn)生的光源、傳輸用的光纖和光電微波探測器（PD）是光纖通信技術(shù)不可或缺的三個組成部分。其中，能夠產(chǎn)生所需要的光源的激光器是應(yīng)用最普遍的光源器件；通信光纖具有優(yōu)越的信息傳輸效率，光纖通信在所有波導(dǎo)電磁傳輸通信體制中，傳輸損耗是最低的；接收端的關(guān)鍵組成器件是PD。

現(xiàn)階段，巨量的信息數(shù)據(jù)通過通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行。光纖通信將通信網(wǎng)絡(luò)連接起來，起到數(shù)據(jù)橋梁的作用，這種作用至關(guān)重要。通信網(wǎng)絡(luò)組成中的網(wǎng)絡(luò)類型主要有：核心網(wǎng)、城域網(wǎng)、接入網(wǎng)、蜂窩網(wǎng)、局域網(wǎng)、數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)與衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)等[1]。如數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)連接到城域網(wǎng)、衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)連接到核心網(wǎng)是通過光纖通信實現(xiàn)的。由此可知，在光纖通信技術(shù)的基礎(chǔ)上構(gòu)建形成的光纖傳輸網(wǎng)是重要的基礎(chǔ)承載網(wǎng)絡(luò)。

信息時代興起的新技術(shù)，如物聯(lián)網(wǎng)、云服務(wù)、大數(shù)據(jù)、VR、AI、5G等技術(shù)，對信息傳輸提出了更高的要求。面對快速興起的新技術(shù)，光纖通信作為通信網(wǎng)絡(luò)中重要的關(guān)鍵組成部分，面臨著極大的升級壓力。傳輸?shù)蜁r延、信道大容量、管理智能化的光纖通信系統(tǒng)及光纖通信網(wǎng)絡(luò)是光纖通信技術(shù)發(fā)展的重要趨勢。

1 光纖通信技術(shù)發(fā)展歷程

1958年科學(xué)家發(fā)現(xiàn)激光器產(chǎn)生光源的理論，1960年依據(jù)之前原理設(shè)計制造的激光器問世。激光通信技術(shù)有兩個明顯的問題：一是由于激光的波束會發(fā)散導(dǎo)致?lián)p失大量能量；二是應(yīng)用場景對激光通信的影響較大。因此，一個合適的光波導(dǎo)對激光通信很關(guān)鍵。

1966年諾貝爾獎獲得者華裔科學(xué)家高錕博士提出了光纖通信理論。與此同時，他認(rèn)為光纖單模傳輸模式對通信指標(biāo)有重要意義。1970年專業(yè)人員制造出光纖損耗在20dB/km的光纖，這一光纖損耗水平使得光纖有可能作為通信媒介用于通信領(lǐng)域。1979年，經(jīng)過近十年時間，損耗降到了0.2dB/km，接近光纖在傳輸光信號的損耗的理論極限。至此，光纖通信的所有技術(shù)需求都已達(dá)到要求。

上個世紀(jì)末，相干檢測技術(shù)成為光纖通信技術(shù)中的熱點，光纖通信系統(tǒng)中光信號接收機的靈敏度在采用相干檢測技術(shù)后得到大幅度提升。光纖通信技術(shù)另一項關(guān)鍵技術(shù)是光放大技術(shù)，并在此技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)明了光放大器。光放大器的運用使得超長距離傳輸?shù)墓饫w通信鏈路變成現(xiàn)實。

2 光纖通信技術(shù)研究現(xiàn)狀

自上世紀(jì)末特別是本世紀(jì)初以來，由于以互聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)的信息社會的高速發(fā)展，對數(shù)據(jù)流量的需求與日俱增，導(dǎo)致對光纖通信技術(shù)超大傳輸容量的迫切需求。光纖通信技術(shù)如何擴(kuò)展容量已成一個亟待解決的現(xiàn)實問題，這將關(guān)乎信息時代的發(fā)展。系統(tǒng)的容量極限會隨著通信帶寬的增大、信噪比的提升而提高，也就是通信極限與帶寬和信噪比兩者成正比例關(guān)系。

波分復(fù)用技術(shù)是解決上述問題的方法之一，其原理是將不同頻率的光信號通過一定的方式互不干擾的調(diào)制合在一起，作為載波在同一根光纖中同時進(jìn)行傳輸。由于頻率不同，故調(diào)制合成的光信號可在接收端進(jìn)行解調(diào)得到所傳輸?shù)男盘枴２祭窆鈻牛‵BG）的應(yīng)用使得波分復(fù)用技術(shù)得到進(jìn)一步發(fā)展，該技術(shù)可以用于密集波分復(fù)用（DWDM）、EDFA中。

提高光信號的頻率效率是擴(kuò)展傳輸容量的另一種方法。由于EDFA限制了光纖通信系統(tǒng)的帶寬，傳輸容量的提升方法有提高頻譜效率。增加帶寬的利用率主要一是采用DWDM、高階調(diào)制格式等技術(shù)來接近理論極限，但頻譜效率的提升也有不利影響，就是對信噪比的要求較高。二是采用相位（phase）、偏振態(tài)（PD）技術(shù)的進(jìn)行光信號的傳輸，第二代光纖通信就是這種相干光通信機制設(shè)計的通信系統(tǒng)，信道傳輸容量能夠?qū)崿F(xiàn)翻倍的方法是偏振復(fù)用（PDM）。

3 光纖通信面臨的挑戰(zhàn)

3.1 超大容量光纖通信系統(tǒng)

光纖通信技術(shù)已基本上到了頻譜效率極限，要想再進(jìn)一步增大光纖傳輸容量，有兩種方法可以選擇：一是增加帶寬B（線性方式擴(kuò)容），二是提高信噪比SNR（增加功率，對數(shù)方式擴(kuò)容）。

（1）增加光源帶寬。EDFA對帶寬范圍有一定的限制，增加帶寬能夠突破這種限制，C、L、S波段均可采用半導(dǎo)體光放大器（SOA）或拉曼放大器（RFA）進(jìn)行信號放大。新型光纖研制的一個方向就是減少光信號的損耗，以適應(yīng)更廣的光譜用于信號傳輸。

（2）增加發(fā)射功率。纖芯截面的適當(dāng)增大可以減少光纖的非線性效應(yīng)[2]，因此采用少模取代單模光纖是一種辦法。采用數(shù)字背向傳輸（DBP）算法是目前最流行的解決辦法，最初的DBP算法不能解決帶間的交叉相位調(diào)制（XPM）等的問題，算法會隨性能改善變復(fù)雜。現(xiàn)在多芯少模光纖（MC-FMF）是一個發(fā)展方向，信道數(shù)多達(dá)100多個的多芯少模光纖具有超大容量，最大容量已經(jīng)達(dá)10 Pb/s。

3.2 低損耗和低時延光纖

理論研究提出，光子晶體光纖（PCF）、空心光纖（HCF）具有更低的損耗。PCF/HCF利用把光子限制在低折射率的空氣中，傳輸速度更快，減少傳輸時延。嵌套反諧振無節(jié)點光纖（NANF）是一種光子晶體光纖，其傳輸損耗在1510-1600nm波長范圍已經(jīng)降至了0.28dB/km[3]，該光纖的損耗極限理論預(yù)測值為0.1dB/km[4]，優(yōu)于石英光纖損耗0.145dB/km的極限。

3.3 空分復(fù)用相關(guān)技術(shù)

空分復(fù)用技術(shù)是可以實現(xiàn)單纖容量增大，更高效率的光放大器是關(guān)鍵，不然只是另一種形式的單芯光纖組合；采用的模分復(fù)用技術(shù)有線偏振模式（LP mode）、基于偏振奇點的柱矢量光束（CVB）等。

4 光纖通信技術(shù)發(fā)展展望

今后隨著進(jìn)一步的信息化，光纖通信系統(tǒng)的發(fā)展方向?qū)⑹蔷哂谐笕萘康闹悄芑⒓苫Ｈ饩W(wǎng)絡(luò)通信和光弧子通信將得到發(fā)展。

（1）智能化。智能化光網(wǎng)絡(luò)的光纖通信系統(tǒng)及網(wǎng)絡(luò)的智能化處于初級階段。體現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)配置、網(wǎng)絡(luò)維護(hù)及網(wǎng)絡(luò)故障診斷等諸多方面。由于光纖容量傳輸特別是主干網(wǎng)的傳輸容量特別巨大，對網(wǎng)絡(luò)參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測是將來智能光網(wǎng)絡(luò)的重點。監(jiān)測技術(shù)主要有：基于相干信號分析和相位敏感光時域反射（OTDR）的物理量監(jiān)測技術(shù)等[1]。

（2）集成化。集成化可以壓縮光纖通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)費用。目前，由于相位和偏振態(tài)恢復(fù)的問題，相干系統(tǒng)由于相位和偏振態(tài)恢復(fù)技術(shù)原因，集成化難度較大。今后集成化的重點有：空分復(fù)用系統(tǒng)關(guān)鍵器件實現(xiàn)技術(shù)突破，如集成化的激光器與調(diào)制器、二維接收機等。

（3）全光網(wǎng)絡(luò)通信。現(xiàn)在的通信網(wǎng)絡(luò)是傳統(tǒng)電信號和光信號通信各有一定比例。結(jié)合光纖通信的優(yōu)勢，全光網(wǎng)絡(luò)能夠提升所有通信節(jié)點的傳輸效率，同時能夠消除傳統(tǒng)通信介質(zhì)和器件所帶來的不利影響。傳統(tǒng)通信介質(zhì)和器件問題主要有信號能量丟失、較大衰減等。全光網(wǎng)絡(luò)傳輸效率、業(yè)務(wù)處理將得到較大的提升作用，有利于高質(zhì)量完成通信工作。

（4）光弧子通信。由于光弧子的特殊物理性質(zhì)，用光弧子作為光纖通信系統(tǒng)的信號載體，可極大的提升信號遠(yuǎn)距離傳輸?shù)馁|(zhì)量。依據(jù)理論分析，光弧子通信系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸時信號不會出現(xiàn)能量損失、畸變等，這符合對高質(zhì)量的傳輸信號的需求，比如智能化控制系統(tǒng)。光弧子通信需要克服的技術(shù)難題有光纖損耗的影響、光弧子相互作用、高階色散效應(yīng)影響、單模光纖中的雙折射現(xiàn)象等[5]。光弧子通信的核心技術(shù)有光弧子傳輸系統(tǒng)的光纖技術(shù)、放大技術(shù)、源技術(shù)、開關(guān)技術(shù)等。其傳輸容量高出傳統(tǒng)光纖通信幾十倍甚至上百倍，中繼距離達(dá)幾百百公里，將是最有前途的光纖傳輸技術(shù)之一。

5 結(jié)束語

隨著光纖通信技術(shù)的不斷進(jìn)步，面臨的各種技術(shù)難題將得到解決，各種新工藝新技術(shù)將應(yīng)用于光纖通信系統(tǒng)。未來，光纖通信技術(shù)將會迎來高速發(fā)展機會。光纖技術(shù)的進(jìn)步將進(jìn)一步推動信息社會的前進(jìn)。