光纤通信技术发展现状与展望

作者：王韵壹、李英、熊慧卿

光纤通信技术发展现状与展望

编者的话

前不久，珠澳合作开发横琴的年中答卷徐徐展开，其中一条跨境光纤引人瞩目，它穿越珠澳两地，实现澳门到横琴的算力互联、资源共享，筑起信息通途。上海也正在推进“光进铜退”全光纤通信网络升级改造项目，为经济高质量发展、居民享受更好的通信服务保驾护航。

随着互联网技术的迅速发展，用户对互联网流量的需求日益增长，如何提升光纤通信的容量成为亟须解决的问题。

光纤通信技术自出现以来带来了科技和社会领域的重大变革。作为激光技术的重要应用，以光纤通信技术为主要代表的激光信息技术搭建了现代通信网络的框架，成为信息传递的重要组成部分。光纤通信技术是当前互联网世界的重要承载力量，同时也是信息时代的核心技术之一。

随着各种新兴技术如物联网、大数据、虚拟现实、人工智能（AI）、第五代移动通信（5G）等技术的不断涌现，对信息交流与传递提出了更高的需求。据思科公司2019 年发布的研究数据显示，全球年度 IP 流量将由2017年的1.5ZB（1ZB=1021B）增长为2022年的4.8ZB，复合年增长率为26%。面对高流量的增长趋势，光纤通信作为通信网中最骨干的部分，承受着巨大的升级压力，高速、大容量的光纤通信系统及网络将是光纤通信技术的主流发展方向。

光纤通信技术的发展历程及研究现状

随着 1958 年亚瑟·肖洛与查尔斯·汤斯揭示激光器工作原理之后，1960 年第一台红宝石激光器研制成功。接着，1970 年第一个能在室温下连续工作的 AlGaAs 半导体激光器研制成功，并在 1977 年实现半导体激光器在实用环境中连续工作几万小时以上。

至此，激光器已具备应用于商用光纤通信的前提。在激光器发明之初，发明者已意识到其在通信领域的重要潜在应用。然而，激光通信技术存在两个明显的短板问题：一是因激光波束发散会损失大量能量；二是受应用环境的影响较大，如在大气环境下应用时会显著受制于天气情况的变化。因此，对激光通信而言，一个合适的光波导至关重要。

诺贝尔物理学奖获得者高锟博士提出的用于通信的光纤满足了激光通信技术对波导的需求。他提出，玻璃光纤的瑞利散射损耗可以非常低（低于20 dB/km），而光纤中的功率损耗主要来源于玻璃材料中的杂质对光的吸收，因此材料提纯是减小光纤损耗的关键，此外还指出单模传输对保持好的通信性能很重要。

1970 年，康宁玻璃公司根据高锟博士的提纯建议研制出了损耗约为20dB/km 的石英系多模光纤，使光纤作为通信的传输媒介成为现实。之后经过不断研发，石英系光纤的损耗逼近理论极限。至此，光纤通信的条件已完全满足。

早期的光纤通信系统均采用直接检测的接收方式。这是一种较简单的光纤通信方式，PD 是一种平方律的检波器，只有光信号的强度可以被探测到。这种直接检测的接收方式从20世纪70年代的第一代光纤通信技术一直延续到了20世纪90年代初期。

进入20世纪90年代以来，光纤通信技术中的相干检测技术逐渐成为研究热点。通过引入相干检测技术，接收机的灵敏度得到了极大提升。在第一代相干检测系统中主要采用外差探测和零差探测，其中外差检测指信号载波与本地载波的频率差值为中频，而零差探测指信号载波与本地载波频率完全相同、相位差固定。

光放大器也是光纤通信技术史上重要的成果之一。采用光放大器的光纤链路，也可以达到散弹噪声极限的探测灵敏度，同时可以去除所有的电中继，使得光纤通信技术可以实现长距离传输。光放大的概念在最早的激光器专利中就有所建议，最终在1987年，该项技术被南安普敦大学和贝尔实验室首次实现。

自20世纪90年代以来，随着互联网技术的迅速发展，用户对互联网流量的需求日益增长，并随之带来了对光纤通信容量的迫切需求。如何提升光纤通信的容量成为亟须解决的问题。

“信息论之父”香农给出了信道容量的极限，任何通信系统传输信息的容量都不会超过这个极限，它与系统的带宽与信道中的信噪比相关。系统带宽越大、信噪比越高，系统的容量极限越高。

典型的C波段掺铒光纤放大器（EDFA）的带宽为35nm，即约4375GHz。面对如此巨大的带宽资源，如何充分利用它来实现大容量的光纤传输是关键。

由此我们想到了波分复用（WDM）。波分复用是使不同波长的载波同时承载信号，共同在一根光纤中传输，由于各载波的波长不同，故可轻易分别解调出来。此外，光纤布拉格光栅的发明也方便了波分复用。