光纖通訊技術發展現況與展望 編者按

不久前,珠澳合作開發橫琴的年中答案卷正在徐徐展開。其中一條跨境光纖引起關注。途經珠海、澳門,實現澳門至橫琴算力互聯互通與資源共享,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,確保經濟高品質發展和居民獲得更好的通訊服務。
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亟待解決的問題。

光纖通訊技術自出現以來,為科技和社會領域帶來了重大變革。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量,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)等各種新興技術的不斷湧現,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,作為通訊網路最骨幹部分的光纖通訊面臨巨大的升級壓力。高速率、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。

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光纖通訊技術發展歷史及研究現況
繼1958年阿瑟·肖洛和查爾斯·湯斯發現雷射的工作原理後,1960年研發出第一台紅寶石雷射。隨後,1970年成功開發出第一台可在室溫下連續工作的AlGaAs半導體雷射器,1977年實現了半導體雷射在實際環境中連續工作數萬小時。
到目前為止,雷射已經具備了商業化光纖通訊的先決條件。從雷射發明之初,發明者就認識到了它在通訊領域的重要潛在應用。但雷射通訊技術也存在兩個明顯的缺點:一是由於雷射光束的發散會造成大量能量的損失;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錕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,因此材料淨化是降低光纖損耗的關鍵,同時指出單模傳輸對保持良好的通訊性能很重要。
1970年,康寧玻璃公司根據高錕博士的純化建議,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經接近理論極限。至此,光纖通訊的條件已完全具備。
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。

多色光纖

要提高頻寬內的頻譜利用率,需要從兩個方面入手:一是利用技術趨近香農極限,但頻譜效率的提高對信噪比的要求也提高了,從而縮短了傳輸距離;另一類是充分利用相位、偏振態的信息承載能力進行傳輸,即第二代相干光通信系統。
第二代相干光通訊系統採用光混頻器進行內差檢測,並採用偏振分集接收,即在接收端將訊號光和本振光分解為兩束偏振態相互正交的光。這樣就可以實現對偏振不敏感的接收。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、極化追蹤以及解復用等都可以採用數位訊號處理(DSP)技術來完成,大大簡化了接收機的硬體設計,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。若要持續提高傳輸容量,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引起的非線性效應,因此採用少模光纖代替單模光纖進行傳輸是提高功率的一種解決方案。此外,目前最常見的解決非線性效應的方法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中的研究已經展現出良好的應用前景,大大降低了演算法的複雜度,因此未來可以利用機器學習來輔助DBP系統的設計。

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。除了C波段和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。但現有的光纖在S波段以外的頻帶損耗較大,需要設計新型光纖來降低傳輸損耗。但對於其餘波段,商用的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。空芯光纖(HCF)具有更低傳輸損耗的可能性,這將減少光纖傳輸的時間延遲,並且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一光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。這其中的核心問題是是否有更高效率的光放大器。 ,否則只能等效為多根單芯光纖;採用模分複用技術包括線性偏振模式、基於相位奇異性的OAM光束和基於偏振奇異性的圓柱向量光束,該類技術可以為光束復用提供新的自由度,提高光通訊系統的容量。其在光纖通訊技術中有著廣闊的應用前景,但相關光放大器的研究也是一個挑戰。此外,如何平衡差模群延遲與多輸入多輸出數位均衡技術所帶來的系統複雜性也值得關注。

光纖通訊技術的發展前景
光纖通訊技術由最初的低速傳輸發展到現在的高速傳輸,成為支撐資訊社會的骨幹技術之一,並形成了一個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。在提升傳輸性能的同時,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,地震台就會發出預警。 ONU Alerts下的終端將會同步。

(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及網路在網路配置、網路維護和故障診斷等方面仍處於起步階段,智慧化程度還不夠。由於單一光纖的容量龐大,任何一條光纖故障都會對經濟和社會造成很大的影響。因此,網路參數的監測對於未來智慧網路的發展至關重要。未來此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,透過訊號的連續再生,可以實現訊號的短距離高速傳輸。但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整合光電光系統,系統容量也將顯著提升。但由於技術效率低、複雜度高、整合難度高等因素,全光2R(再放大、再整形)、3R(再放大、再定時、再整形)等全光訊號無法在光通訊領域大規模推廣。加工技術。因此,在整合技術與系統方面,未來的研究方向如下:雖然現有的空分複用系統研究較為豐富,但空分複用系統關鍵元件在學術界和工業界尚未取得技術突破,需要進一步加強。整合式雷射與調變器、二維整合式接收機、高能效整合式光放大器等研究;新型光纖可能顯著擴展系統頻寬,但仍需進一步研究,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;研究可與通訊鏈路中的新光纖一起使用的各種設備。

(3)光通訊設備
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集中在被動元件方面,對有源元件的研究相對薄弱。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族材料與基板的整合技術研究;進一步進行新元件研發。後續如整合鈮酸鋰光波導等具有高速、低功耗等優勢。


發佈時間:2023年8月3日

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