光纖容量和傳輸距離打破紀(jì)錄

Mitch Leslie

Senior Technology Writer

2020年8月，英國(guó)倫敦大學(xué)學(xué)院（UCL）的工程師報(bào)道了一項(xiàng)通過(guò)單根光纖傳輸數(shù)據(jù)的新紀(jì)錄，即傳輸速度達(dá)到了每秒178 Tb，比原紀(jì)錄高20% [1]。2020年6月，位于加利福尼亞州森尼韋爾市的Infinera和位于阿肯色州小石城的Windstream這兩家美國(guó)電信公司創(chuàng)造了一項(xiàng)新的紀(jì)錄。兩家公司首次合作開(kāi)發(fā)和維護(hù)了一條從美國(guó)加利福尼亞州圣地亞哥到亞利桑那州鳳凰城的長(zhǎng)距離光纖線路，該線路長(zhǎng)達(dá)730 km，傳輸速率達(dá)到了每秒800 Gb [2]。

這些成就展示了在光纖網(wǎng)絡(luò)中滿足新容量需求的兩種新方法。美國(guó)加利福尼亞州洛杉磯市的南加利福尼亞大學(xué)的電氣工程學(xué)教授Alan Willner表示：“這些方法之所以更加重要，是因?yàn)樗鼈儾恍枰匦落佋O(shè)電纜，即便使用現(xiàn)有光纖，也可以通過(guò)在終端進(jìn)行更新而顯著提升系統(tǒng)的容量?！?/p>

互聯(lián)網(wǎng)流量的爆炸式增長(zhǎng)推動(dòng)了更多的光纖帶寬需求。美國(guó)加利福尼亞州圣何塞的網(wǎng)絡(luò)巨頭思科（Cisco）公司估計(jì)，到2021年，互聯(lián)網(wǎng)流量將達(dá)到2016年的3倍[3]。然而，該估計(jì)值并未考慮2019年新冠病毒肺炎（COVID-19）疫情的影響。新冠病毒肺炎的流行迫使更多人在家工作，并增強(qiáng)了人們對(duì)網(wǎng)上娛樂(lè)、購(gòu)物和其他曾經(jīng)在線下進(jìn)行的活動(dòng)的依賴性[4]。此外，在美國(guó)和其他國(guó)家推出的第5代（5G）蜂窩網(wǎng)絡(luò)將進(jìn)一步增加人們對(duì)光纖容量的需求[5]。加利福尼亞大學(xué)圣塔芭芭拉分校的電氣和計(jì)算機(jī)工程學(xué)教授Dan Blumenthal說(shuō)：“以前，人們認(rèn)為并不需要兆兆位級(jí)的傳輸速率，但現(xiàn)在我們需要。”

Blumenthal認(rèn)為，增加光纖的容量可能會(huì)帶來(lái)另一個(gè)好處。光纖網(wǎng)絡(luò)會(huì)消耗大量功率，因此，他指出：“能源效率至關(guān)重要，而且光纖帶寬越大越好?！?/p>

新型光纖有能力承受一定的負(fù)載。在過(guò)去的40年里，各種創(chuàng)新方法已使光纖的容量增加了1000萬(wàn)倍以上[6]，并且工程師正在進(jìn)行更多的嘗試以獲得更大的容量。光是通過(guò)光纖的玻璃纖芯進(jìn)行傳輸?shù)?，所謂的多芯光纖本質(zhì)上是由多根玻璃纖芯組成的[6]，多芯光纖是提高光纖容量的一種途徑。

多芯設(shè)計(jì)在實(shí)驗(yàn)室中創(chuàng)造了傳輸紀(jì)錄。2020年，日本國(guó)立通信技術(shù)研究所（National Institute for Communications Technology）的研究人員利用三芯光纖實(shí)現(xiàn)了每秒172 Tb的傳輸速率[7]，而UCL團(tuán)隊(duì)的紀(jì)錄是單芯光纖的傳輸速率。多芯光纖的首次實(shí)地測(cè)試于2019年在意大利開(kāi)展[8]。研究人員正在研發(fā)其他有前景的傳輸途徑[9]，其中包括能夠使光傳播的速度提高30倍的中空纖維[10]。

但是，新型光纖面臨著一個(gè)巨大障礙，即安裝成本（圖1）。鋪設(shè)光纖線路的成本可能高達(dá)50萬(wàn)USD·km-1[1]，這迫使人們尋找更經(jīng)濟(jì)的替代方案。美國(guó)南卡羅來(lái)納州克萊姆森大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)教授John Ballato說(shuō)：“我們必須鋪設(shè)新型光纖，但是目前地下已經(jīng)有大量的光纖了?，F(xiàn)在的問(wèn)題是，我們可以在現(xiàn)有的光纖網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上鋪設(shè)新型光纖，以傳輸更多的數(shù)據(jù)嗎？”

許多已鋪設(shè)的光纖的傳輸速率為每秒100 Gb。 Ballato教授說(shuō)：“為了擴(kuò)增其數(shù)據(jù)傳輸能力，我們目前正在研究光的屬性，并利用其屬性在最小失真的情況下將更多的信息擴(kuò)增至光纖中。”一種名為波分復(fù)用的方法通過(guò)增加光纖傳播中光的波長(zhǎng)值來(lái)增加信息傳輸通道 [6]。

UCL團(tuán)隊(duì)通過(guò)開(kāi)發(fā)大量的空閑波長(zhǎng)，使得波分復(fù)用方法進(jìn)一步發(fā)展。盡管一些電纜承載了部分L波段（位于1568～1605 nm之間）[1]，但用于長(zhǎng)距離傳輸?shù)墓饫w電纜線路通常僅承載C波段（其跨度為1530～1565 nm）的光。UCL團(tuán)隊(duì)在較少使用的S波段（位于1484～1520 nm之間）中增加了波長(zhǎng)。通過(guò)合理布置三臺(tái)激光器和組合放大器，他們達(dá)到了16.8 THz的光譜范圍。這是單芯光纖所能達(dá)到的最大光譜范圍，該光譜范圍是最佳商用光纖網(wǎng)絡(luò)的兩倍。通過(guò)增加帶寬，研究人員能夠在額定容量為每秒100 Gb的標(biāo)準(zhǔn)光纖中以每秒178 Tb的速率將數(shù)據(jù)發(fā)送至40 km處[11]。Willner教授說(shuō)：“這是使用更寬波長(zhǎng)范圍電纜的良好證明?！?/p>

然而，傳輸更長(zhǎng)的波長(zhǎng)通常意味著需要增加激光器和其他設(shè)備，這些設(shè)備十分昂貴并且會(huì)消耗大量功率。2020年，另一個(gè)團(tuán)隊(duì)證明了他們可以將許多電子器件放置到一個(gè)微芯片中[12]。澳大利亞維多利亞州墨爾本市莫納什大學(xué)的電氣與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)工程學(xué)專業(yè)的講師Bill Corcoran及其同事研發(fā)了一種微梳，該設(shè)備能將激光器與光學(xué)諧振器配對(duì)，而光學(xué)諧振器能夠?qū)⒓す馄魉l(fā)射的光分為80個(gè)波長(zhǎng)。研究人員稱，他們已在墨爾本地區(qū)的莫納什大學(xué)和皇家墨爾本理工大學(xué)之間連接了一條長(zhǎng)約77 km的光纖[13]，其傳輸速率可達(dá)每秒40 Tb。Corcoran稱他們的方法能夠減少設(shè)備數(shù)量。

圖1. 工人在澳大利亞新南威爾士州沃加沃加鋪設(shè)新型光纖電纜。鋪設(shè)這種光纖電纜的高昂成本促使人們開(kāi)始研究如何擴(kuò)大現(xiàn)有光纖所能承載的信息量。圖片來(lái)源：Bidgee, Wikimedia Commons（CC BY-SA 3.0 Au）。

Infinera公司和Windstream公司合作研究了另一個(gè)傳輸問(wèn)題。電信公司正在推出傳輸速度為每秒400 Gb甚至800 Gb的網(wǎng)絡(luò)[14]。但由于光纖性能隨著傳輸距離的增長(zhǎng)而下降，因此一條傳輸速率為每秒400 Gb的線路通常只能在大約100 km內(nèi)維持該速率[15]。Infinera-Windstream團(tuán)隊(duì)研發(fā)的傳輸線路能夠在700 km范圍內(nèi)保持每秒800 Gb的傳輸速率，原因是該線路使用了Nyquist子載波，該子載波是通過(guò)將來(lái)自每個(gè)激光器的光束切割成多個(gè)數(shù)據(jù)流而產(chǎn)生的[2]。該方法的一個(gè)好處是減少了光在傳輸時(shí)的光纖色散[16]。

Ballato教授認(rèn)為，諸如UCL團(tuán)隊(duì)之類的證明很重要，因?yàn)樗麄冴U述了使用更寬波長(zhǎng)范圍的可能性，但I(xiàn)nfinera-Windstream團(tuán)隊(duì)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了現(xiàn)在所能夠達(dá)到的性能。他評(píng)價(jià)道：“Infinera-Windstream團(tuán)隊(duì)驗(yàn)證了通過(guò)實(shí)際網(wǎng)絡(luò)能夠達(dá)到每秒800 Gb的傳輸速率，這令人印象深刻?！?/p>

專家一致認(rèn)為，光纖容量的大幅增加即將成為現(xiàn)實(shí)。Ballato教授說(shuō)：“UCL團(tuán)隊(duì)的成果是未來(lái)趨勢(shì)的一個(gè)信號(hào)。這可能要花上幾年的時(shí)間，但商業(yè)需求持續(xù)存在?！钡玏illner教授則認(rèn)為：“創(chuàng)新不能停止，因?yàn)榧词构饫w容量增加了一倍，它也只夠維持幾年的時(shí)間?！?/p>