不久前，珠澳橫琴聯合開發的年中答案卷徐徐展開。其中一根跨境光纖引起關注。途經珠海、澳門，實現澳門到橫琴的算力互聯和資源共享，建構資訊通道。上海也正在推動「光進銅退」全光纖通訊網路升級改造工程，保障經濟高品質發展及為居民提供更好的通訊服務。
隨著網路科技的快速發展，使用者對網路流量的需求日益增加，如何提高光纖通訊的容量已成為迫切需要解決的問題。
光纖通訊技術自出現以來，為科技領域和社會帶來了重大變革。以光纖通訊技術為代表的雷射資訊技術作為雷射技術的重要應用，建構了現代通訊網路的框架，成為資訊傳輸的重要組成部分。光纖通訊技術是當前網路世界的重要承載力，也是資訊時代的核心技術之一。
隨著物聯網、大數據、虛擬實境、人工智慧（AI）、第五代行動通訊（5G）等技術的不斷湧現，對資訊交換和傳輸提出了更高的要求。根據思科2019年發布的研究數據，全球每年IP流量將從2017年的1.5ZB（1ZB=1021B）成長到2022年的4.8ZB，年複合成長率為26%。面對高流量的成長趨勢，光纖通訊作為通訊網路最骨幹的部分，面臨巨大的升級壓力。高速、大容量的光纖通訊系統和網路將是光纖通訊技術的主流發展方向。
光纖通訊技術的發展歷史及研究現狀
繼Arthur Showlow 和Charles Townes 於1958 年發現雷射器工作原理之後，第一台紅寶石雷射器於1960 年開發成功。 1977 年，在實際環境中實現了半導體雷射連續工作數萬小時。
至此，雷射具備了商用光纖通訊的先決條件。從雷射發明之初，發明人就認識到其在通訊領域的重要潛在應用。然而，雷射通訊技術有兩個明顯的缺點：一是由於雷射光束的發散會導致大量能量損失；二是受應用環境影響較大，如在大氣環境中應用會明顯受到天氣條件變化的影響。因此，對於雷射通訊來說，合適的光波導非常重要。
諾貝爾物理學獎得主高恭博士提出的用於通訊的光纖，滿足了雷射通訊技術對波導的需求。他提出玻璃光纖的瑞利散射損耗可以很低（小於20dB/km），而光纖中的功率損耗主要來自於玻璃材料中的雜質對光的吸收，因此材料淨化是關鍵降低光纖損耗的關鍵，並指出單模傳輸對於維持良好的通訊性能非常重要。
1970年，康寧玻璃公司根據高博士的提純建議，研發出損耗約20dB/km的石英基多模光纖，使光纖作為通訊傳輸介質成為現實。經過不斷的研究和開發，石英基光纖的損耗已接近理論極限。至此，光纖通訊的條件已完全滿足。
早期的光纖通訊系統均採用直接偵測的接收方式。這是一種比較簡單的光纖通訊方式。PD是平方律偵測器，只能偵測光訊號的強度。這種直接檢測接收方式從1970年代第一代光纖通訊技術一直延續到90年代初期。
要提高頻寬內的頻譜利用率，需要從兩個方面入手：一是利用技術逼近香農極限，但頻譜效率的提高又提高了對信噪比的要求，從而降低了信噪比。另一種是充分利用相位，利用偏振態的資訊承載能力進行傳輸，這就是第二代相干光通訊系統。
第二代相干光通訊系統採用光混頻器進行內差檢波，採用偏振分集接收，即在接收端將訊號光和本振光分解為偏振態正交的兩束光對彼此。這樣就可以實現偏振不敏感的接收。另外，需要指出的是，此時接收端的頻率追蹤、載波相位恢復、均衡、同步、偏振追蹤和解復用等都可以透過數位訊號處理（DSP）技術來完成，大大簡化了硬體設計了接收機，提高了訊號恢復能力。
光纖通訊技術發展面臨的一些挑戰與思考
透過各種技術的應用，學術界和工業界基本上已經達到了光纖通訊系統頻譜效率的極限。若要持續增加傳輸容量，只能透過增加系統頻寬B（線性增加容量）或提高訊號雜訊比來實現。具體討論如下。
1.增加發射功率的解決方案
由於適當增加光纖截面的有效面積可以減少高功率傳輸所帶來的非線性效應，因此採用少模光纖取代單模光纖進行傳輸是提高功率的解決方案。另外，目前解決非線性效應最常見的是使用數位反向傳播（DBP）演算法，但演算法效能的提升會導致計算複雜度的增加。近年來，機器學習技術在非線性補償方面的研究顯示出了良好的應用前景，大大降低了演算法的複雜度，因此未來DBP系統的設計可以藉助機器學習的幫助。
2、增加光放大器的頻寬
增加頻寬可以突破EDFA頻率範圍的限制。除C波段及L波段外，S波段也可納入應用範圍，並可採用SOA或拉曼放大器進行放大。然而現有光纖在S波段以外的頻段損耗較大，需要設計新型光纖來降低傳輸損耗。但對於其餘頻段，商用光放大技術也是一個挑戰。
3.低傳輸損耗光纖研究
低傳輸損耗光纖的研究是該領域最關鍵的問題之一。空心光纖（HCF）具有較低傳輸損耗的可能性，這將減少光纖傳輸的時延，可以在很大程度上消除光纖的非線性問題。
4.空分複用相關技術研究
空分複用技術是提高單纖容量的有效解決方案。具體來說，採用多芯光纖進行傳輸，單根光纖的容量增加一倍。這方面的核心問題是是否有更高效率的光放大器。，否則只能相當於多根單芯光纖；採用模分複用技術包括線偏振模式、基於相位奇點的OAM光束和基於偏振奇點的柱面向量光束，此類技術可為波束復用提供新的自由度並提高光通訊系統的容量。它在光纖通訊技術中具有廣闊的應用前景，但相關光放大器的研究也是一個挑戰。此外，如何平衡差模群時延和多輸入多輸出數位均衡技術所帶來的系統複雜度也值得關注。
光纖通訊技術的發展前景
光纖通訊技術從最初的低速傳輸發展到現在的高速傳輸，已成為支撐資訊社會的骨幹技術之一，並已形成龐大的學科和社會領域。未來，隨著社會對資訊傳輸的需求不斷增加，光纖通訊系統和網路技術將向超大容量、智慧化、整合化方向發展。他們將在提升傳輸效能的同時，不斷降低成本，服務民生，協助國家資訊化建設。社會發揮著重要作用。CeiTa與多家自然災害組織合作，可預測地震、洪水、海嘯等區域安全預警。只需要連接到CeiTa的ONU即可。當自然災害發生時，地震台會發布預警。ONU警報下的終端將被同步。
(1)智慧光網絡
與無線通訊系統相比，智慧光網路的光通訊系統和網路在網路配置、網路維護和故障診斷等方面仍處於初級階段，且智能化程度不足。由於單一光纖容量龐大，任何光纖故障的發生都會對經濟和社會產生巨大影響。因此，網路參數的監測對於未來智慧網路的發展非常重要。未來這方面需要關注的研究方向包括：基於簡化相干技術和機器學習的系統參數監控系統、基於相干訊號分析和相敏光時域反射的物理量監測技術。
(2) 整合技術與系統
設備整合的核心目的是降低成本。在光纖通訊技術中，透過不斷的訊號再生，可以實現訊號的短距離高速傳輸。然而，由於相位和偏振態恢復的問題，相干系統的整合仍然比較困難。此外，如果能夠實現大規模的光電光一體化系統，系統容量也將顯著提高。但由於技術效率低、複雜度高、整合難度高等因素，全光2R（重放大、重整形）、3R（重放大）等全光訊號無法廣泛推廣。領域。加工技術。因此，在整合技術和系統方面，未來的研究方向如下：雖然空分複用系統的現有研究比較豐富，但空分復用系統的關鍵部件尚未在學術界和工業界取得技術突破，並需要進一步加強。研究，如整合式雷射與調變器、二維整合式接收器、高能效整合式光放大器等；新型光纖可能會顯著擴展系統頻寬，但仍需要進一步研究以確保其綜合性能和製造流程能夠達到現有單模光纖的水平；研究可在通訊鏈路中與新型光纖一起使用的各種設備。
(3)光通信器件
在光通訊裝置方面，矽光子元件的研發已取得初步成果。但目前國內相關研究主要以被動元件為主，主動元件研究相對薄弱。在光通訊元件方面，未來的研究方向包括：主動元件與矽光元件的整合研究；非矽光元件整合技術研究，如III-V族材料與基板整合技術研究；進一步進行新裝置研發。後續如整合鈮酸鋰光波導具有高速、低功耗等優點。
發佈時間：2023年8月3日
