光纖通信技術的現狀與前景

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

光纖通信技術自發明以來對科學技術和社會經濟領域的產生了重大影響和變革。以光纖通信技術應用為主要內容的技術實現方式構建了現代通信網絡的主要框架，成為現代信息網絡傳輸的最重要的一種技術實現方式和組成部分。該技術是當今互聯網發展的重要的關鍵基礎技術，在創造信息時代和信息社會發揮著無可替代的作用。由元器件產生的光源、傳輸用的光纖和光電微波探測器（PD）是光纖通信技術不可或缺的三個組成部分。其中，能夠產生所需要的光源的激光器是應用最普遍的光源器件；通信光纖具有優越的信息傳輸效率，光纖通信在所有波導電磁傳輸通信體制中，傳輸損耗是最低的；接收端的關鍵組成器件是PD。

現階段，巨量的信息數據通過通信網絡進行。光纖通信將通信網絡連接起來，起到數據橋梁的作用，這種作用至關重要。通信網絡組成中的網絡類型主要有：核心網、城域網、接入網、蜂窩網、局域網、數據中心網絡與衛星通信網絡等[1]。如數據中心網絡連接到城域網、衛星網絡連接到核心網是通過光纖通信實現的。由此可知，在光纖通信技術的基礎上構建形成的光纖傳輸網是重要的基礎承載網絡。

信息時代興起的新技術，如物聯網、云服務、大數據、VR、AI、5G等技術，對信息傳輸提出了更高的要求。面對快速興起的新技術，光纖通信作為通信網絡中重要的關鍵組成部分，面臨著極大的升級壓力。傳輸低時延、信道大容量、管理智能化的光纖通信系統及光纖通信網絡是光纖通信技術發展的重要趨勢。

1 光纖通信技術發展歷程

1958年科學家發現激光器產生光源的理論，1960年依據之前原理設計制造的激光器問世。激光通信技術有兩個明顯的問題：一是由于激光的波束會發散導致損失大量能量；二是應用場景對激光通信的影響較大。因此，一個合適的光波導對激光通信很關鍵。

1966年諾貝爾獎獲得者華裔科學家高錕博士提出了光纖通信理論。與此同時，他認為光纖單模傳輸模式對通信指標有重要意義。1970年專業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域。1979年，經過近十年時間，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需求都已達到要求。

上個世紀末，相干檢測技術成為光纖通信技術中的熱點，光纖通信系統中光信號接收機的靈敏度在采用相干檢測技術后得到大幅度提升。光纖通信技術另一項關鍵技術是光放大技術，并在此技術基礎上發明了光放大器。光放大器的運用使得超長距離傳輸的光纖通信鏈路變成現實。

2 光纖通信技術研究現狀

自上世紀末特別是本世紀初以來，由于以互聯網為基礎的信息社會的高速發展，對數據流量的需求與日俱增，導致對光纖通信技術超大傳輸容量的迫切需求。光纖通信技術如何擴展容量已成一個亟待解決的現實問題，這將關乎信息時代的發展。系統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系。

波分復用技術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制合在一起，作為載波在同一根光纖中同時進行傳輸。由于頻率不同，故調制合成的光信號可在接收端進行解調得到所傳輸的信號。布拉格光柵（FBG）的應用使得波分復用技術得到進一步發展，該技術可以用于密集波分復用（DWDM）、EDFA中。

提高光信號的頻率效率是擴展傳輸容量的另一種方法。由于EDFA限制了光纖通信系統的帶寬，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、高階調制格式等技術來接近理論極限，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（PD）技術的進行光信號的傳輸，第二代光纖通信就是這種相干光通信機制設計的通信系統，信道傳輸容量能夠實現翻倍的方法是偏振復用（PDM）。

3 光纖通信面臨的挑戰

3.1 超大容量光纖通信系統

光纖通信技術已基本上到了頻譜效率極限，要想再進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（線性方式擴容），二是提高信噪比SNR（增加功率，對數方式擴容）。

（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波段均可采用半導體光放大器（SOA）或拉曼放大器（RFA）進行信號放大。新型光纖研制的一個方向就是減少光信號的損耗，以適應更廣的光譜用于信號傳輸。

（2）增加發射功率。纖芯截面的適當增大可以減少光纖的非線性效應[2]，因此采用少模取代單模光纖是一種辦法。采用數字背向傳輸（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制（XPM）等的問題，算法會隨性能改善變復雜。現在多芯少模光纖（MC-FMF）是一個發展方向，信道數多達100多個的多芯少模光纖具有超大容量，最大容量已經達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波長范圍已經降至了0.28dB/km[3]，該光纖的損耗極限理論預測值為0.1dB/km[4]，優于石英光纖損耗0.145dB/km的極限。

3.3 空分復用相關技術

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

4 光纖通信技術發展展望

今后隨著進一步的信息化，光纖通信系統的發展方向將是具有超大容量的智能化、集成化。全光網絡通信和光弧子通信將得到發展。

（1）智能化。智能化光網絡的光纖通信系統及網絡的智能化處于初級階段。體現在網絡數據配置、網絡維護及網絡故障診斷等諸多方面。由于光纖容量傳輸特別是主干網的傳輸容量特別巨大，對網絡參數進行監測是將來智能光網絡的重點。監測技術主要有：基于相干信號分析和相位敏感光時域反射（OTDR）的物理量監測技術等[1]。

（2）集成化。集成化可以壓縮光纖通信網絡建設費用。目前，由于相位和偏振態恢復的問題，相干系統由于相位和偏振態恢復技術原因，集成化難度較大。今后集成化的重點有：空分復用系統關鍵器件實現技術突破，如集成化的激光器與調制器、二維接收機等。

（3）全光網絡通信。現在的通信網絡是傳統電信號和光信號通信各有一定比例。結合光纖通信的優勢，全光網絡能夠提升所有通信節點的傳輸效率，同時能夠消除傳統通信介質和器件所帶來的不利影響。傳統通信介質和器件問題主要有信號能量丟失、較大衰減等。全光網絡傳輸效率、業務處理將得到較大的提升作用，有利于高質量完成通信工作。

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

5 結束語

隨著光纖通信技術的不斷進步，面臨的各種技術難題將得到解決，各種新工藝新技術將應用于光纖通信系統。未來，光纖通信技術將會迎來高速發展機會。光纖技術的進步將進一步推動信息社會的前進。