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未来光纤通信将如何继续提升？（四）

2020.10.26

　　新型光纤设计中，采用了新型内芯微结构，比如光子晶体材料，同样可以限制光线，使其在内芯中以相同的路径向前传播，而光通路的横截面积是标准9微米光纤的两倍。由于光信号有更多的空间和横截面可以通过，它单位面积的能量密度就可以降低，这有助于降低非线性畸变，减少这一效应对于传输距离和速率的制约。最终的结果就是可以提升通信容量，Bennett提到，未来这类光纤有望把通信容量提升十倍左右。

　　这些大内芯光纤已经得到应用，大部分是配置在海底光缆中，在这些地方数据传输容量的增加是最有价值的。一般来说，它们也是一些新网络的选择之一。Bennett提到，“如果有人正计划建设新的地面光缆，他们也许也需要大内芯光纤。”虽然它们很具吸引力，但是大内芯光纤并不能完全消除非线性畸变的问题。

　　另一个更被看好的方案是在一根光纤内制造许多平行的光信号通路，供许多独立的信号传播。研究人员称它为空（间）分复用（spatial-division multiplexing），这里是将物理空间分割成很多部分，供多个信号同时使用。

　　这个术语实际包括了三种不同的并行信号传输方式。其中，最常见也最简单的并行模式就是更多物理层面的光学通路即单根光缆中更多光纤的叠加，多光纤光缆已经得到了广泛应用，但是对现有光缆进行这样的替换升级耗资巨大，且技术复杂，这是因为单根光缆中的多条光纤，需要各自的发射器，接收器和信号放大器。

　　更理想的方法是在一根光纤中集合多个分立的光信号通路。其中一个途径是采用可以容纳多个光波导内芯的光纤。就像普通光纤一样，多内芯光纤首先将光纤内芯材料放在一个圆柱形的预型件中，然后加热，通过牵拉就可以形成又长又细的玻璃内芯。

　　多光纤光缆需要各自独立的放大器，与之不同，多内芯光纤只需要使用一个特制的放大器，而一个8内芯放大器的成本远低于8个单光纤放大器。

　　还有一种方案，就是让光纤内芯引导激光按照几种不同的方式（称为模式）传输。两种不同模式的光信号在光纤中可以穿过对方，但在光纤的末端可以分离出来。

　　为了在光线中实现多模式，需要让不同模式的信号在光通路横截面上的投影形状不同。某一模式的信号由特定的激光发射器产生，经过接收器的光学和电学处理，可以从多模式信号中分离出来。这样的分离技术，早已在多输入/输出射频天线中得到应用。

　　目前，多模式和多内芯光纤通信仍在发展初期。而有几个实验室的测试，被称为“英雄实验”，因为它们创下了光纤通信水平的历史新高，给记者和管理者留下了深刻印象。这样的实验结果表明，它们都具有很大的发展潜力，可以进一步提高光纤的通信容量。这些技术集合在一起，就可能把通信通信容量再提高几百倍。

　　但是，要应用上这些技术，现有的系统还无法满足要求，还有很多实际应用方面的问题有待解决。“基本上，所有的空分复用技术现在都还有很明显的问题。”Bennett这样认为。比如说，对于多内芯和多模式光纤，光纤前端与发射器的连接，光纤末端与接收器的连接，都比目前的标准光纤技术要复杂许多，对于它们来说，需要更高的机械精度，来保证不同的光信号进入特定的内芯，或者形成特定的模式，这需要每个系统都以更高的精度连接。

　　除非能够取得工程技术层面上的突破性进展，“否则，最简单的还是再增加一根光纤，这就是光纤通信服务供应商告诉我们的事实。”Bennett提到。

　　Peter Winzer是贝尔实验室技术部门的著名成员，是高速光纤系统的行业领导者，他同意，铺设容纳了更多光纤的新光缆，的确是最简单的方法。但是在最近的文章中，他警告，这样的方法会增加成本，因此可能不会成为通信公司的最佳选项。

　　新的点子还在不断涌现。2015年6月，加州大学圣迭戈分校的Nikola Alic和他的同事报告称，利用光学频率梳（optical frequency comb），他们成功提高了光纤通信距离。这种技术可以根据一束激光的波长锁定另一束激光的波长，从而消除毛刺，改善信号质量。“利用这一技术，我们至少可以将任何系统的通信容量提高一倍。”Alic提到，Winzer也认为，“这是很好很扎实的研究成果。”但是他同时也对于这一技术是否足以让开发者心动表示怀疑，毕竟他们期望可以获得更显着的通信容量增长。

　　接下来会发生什么呢？现在的通信业者正在加紧建设100Gb相干系统。超级频段系统可以将最大通信容量提高30%左右，而空分复用技术看上去会是下一次重大突破的最佳候选技术。但是除了这些，谁知道还会有什么呢？

　　也许，一些旧瓶装新酒式的创新会出现。相干信号传输技术，在上世纪80年代成为研究热点，在2010年左右得到广泛应用，但是很快就被其他新技术赶超和取代。可能会有全新的技术从光子学研究的肥沃土壤中萌芽。而我们总是需要更多的光纤，无论如何，全世界对于数据传输速度和容量进一步提高的渴求，会促使研究者们竭尽全力去继续扩展带宽。

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周锦帆