光纤技术到头了？提网速还得新技术

最开始的时候，光纤通信简单地用激光发射源的开和关来编码1和0。工程人员不断地提高光源的开关频率来提高信息的传送速率。到了20世纪80年代中期，光纤通信网络刚刚实现商业化没几年，这样的方案可以实现跨越数十千米，每秒几百兆bit信息的传送。

为了把信号传输距离延伸到50千米之外，需要一个中继器来放大已经严重衰减的信号，中继器先将光脉冲信号转化为电信号，滤除噪声，然后放大，最后将电信号转化回激光信号，送入下一段光纤。

这样的光电转换过程复杂且昂贵。幸好，在1986年，英国南安普顿大学的David Payne发明了一种更好的方法，在他的方案里，光信号可以直接在光纤中完成放大，而不需要外部电路。

Payne在光纤内芯中掺入一些稀土元素铒，他发现用激光照射铒原子使其进入激发态的，可以放大1.55微米波长的入射光，恰好是光纤所用的透射率最高的波段。到了90年代中期，用掺有铒的光纤制成的信号放大器已经被应用于长距离光纤通信。每隔一段距离设置一歌放大器（具体间隔取决于通信距离），可以实现500到数千千米距离间的光纤信号传送，更远的距离就需要更高成本的电路系统来滤除噪声和重制信号了。如今，铒光纤放大器组成的链条可以让光信号通过光纤穿越大洲大洋。

掺铒光纤放大器的出现，为提高通信容量提供了一条新的途径：多波段通信。铒原子实际上可以在一个波长范围内放大光信号，并且在波长1.53至1.57微米内放大倍数非常均匀。这个范围足够将多个信号集合在同一光纤内了，只需要给它们分配不同的窄波段。

【图注】在图中左侧的信号源中，电信号被转化为光学信号，然后传入光纤中，每隔一段距离，就有掺杂了特殊材料的光纤制成的光学放大器来增强信号。在光纤的末端是接收器，接收器将光信号分为载波和数据本身，提取其中的数据分量，将其转化为电信号，然后通过选择器传入到不同的转换器中，再变为光信号传出，向下一个目的地传送。

多波段通信方案被称为波分复用技术（wavelength-divison multiplexing），它和激光信号开关频率的不断增加，促成了90年代中后期光纤通信通信容量的爆炸式增长。到了2000年，一个商业化的光纤通信系统可以同时放大80个独立的信号，每个信号携带着每秒10000兆位（10Gb）的数据。实际上在那个时候，没有谁需要这样的通信容量，所以当时只有一部分的波段被使用，而其他的波段可以日后再加入进去。

随着2000年以后互联网的飞速发展，网络运营商在已有的光纤通信系统中加入了更多的波段。但是很快，传统的信号编码方式已经达到了它的极限，如果没有其他新的技术或者更多的光纤，现有的系统很快就会饱和。开或关形式的信号一次只能发送1bit数据（如果光信号强度高于某个阈值，就表示1，如果低于某个阈值，就表示0）。这种编码方法如果想增加通信容量，唯一的方法就是工程研究人员一直致力争取的：更短的脉冲，或是更短的脉冲间隔。

但是，脉冲信号越短，信号就越容易受到色散效应（dispersion）的影响。色散效应，是指不同波长的光在介质中传播速度不同的现象，比如说，通过三棱镜将太阳光分为彩虹色带就是利用了色散效应。它的原理是不同波长的光在介质中速度不同。尽管光纤通信中采用的激光脉冲单色性已经非常好了，但依然不是绝对的单色光，随着传播它仍会因色散而变宽。当两个原本相隔一段时间的脉冲信号在传播过程中变宽，就会互相干扰。这样的问题随着通信容量的增加，也就是相邻脉冲时间间隔的降低，会愈发严重。结果就是，在10Gb/s的通信容量下传播1000千米后才需要进行信号过滤和重制的光纤，在100Gb/s的通信容量下只能传播10千米。

更高质量的光纤可以有效减少色散的影响，但替换现有光纤网络的成本是难以承受的。到2001年，大量由于互联网泡沫而过度建设的光纤网络资源处于闲置状态，它们被称为"黑暗"光纤。幸好工程师有其他的办法，包括两种之前用来把多个无线电信号压缩在一个很窄波段内的方法。

其中一个方法改变了信号的编码方式。在这一方案中，数据的0和1不再是由激光的开或关来表示，激光光源是一直开启的，调制的是光波的相位，即波峰和波谷到达的时间。最简单的数字信号相位调制方法就是将激光的波峰相比于正常情况提前四分之一波长，按照相位来说就是提前90度。如果用正常相位表示0，那么提前了90度的时候表示的就是1。用这个方法，激光一次发送的仍是1bit，但将两束波叠加起来，信号容量就能加倍。叠加起来后的激光，相位偏移可以细分为135度、45度、-45度和-135度四种相位，就可以分别表示两bit的四种情况：00、01、10和11。

2007年，贝尔实验室和Verizon公司使用了这种方案的一个变体，叫做正交相移键控（quadrature phase-shift keying），在Verizon位于佛罗里达州的通信网络实现了500千米100Gb/s通的信号传输。这是很大的进步，但是对于Verizon公司来说仍然不够，他们希望主干光纤网络可以像其他长距离载体一样，能够在把信号传送1000~1500千米，而不需要昂贵的中继器。

幸运的是，第二种方案可以帮助光纤通信跨越这个传输距离的鸿沟。这种方法利用了激光的固有特性，相干性。相干性是指，将一束激光分为两束，它们的相位将永远相同，波峰和波谷永远重合，就像行进队列中的士兵。

利用相干性可以大幅度提高接收器的提取信息能力。这个方法将接收到的信号和接收器产生的相同频率的信号叠加，接收器产生的信号非常纯净，或者说接近理想情况，通过它可以判断接收到的信号的相位，后者经长距离传输后噪声较大。然后，信号的载波被滤除，留下信号本身，接收器将它转化为电信号，携带着当初发送的编码为1和0的信息。

要在红外光波段信号上使用这种本来用于微波通信的方法，会更加困难，因为要使得接收器产生的光信号与接收信号的频率匹配更加困难。随着先进数字信号处理器的发展，在21世纪初，这一问题得以解决。它们允许接收器产生的信号与接收信号存在频率偏差，可以在这种情况下，重构信号的相位并实现同步，并且能修正传输中出现的脉冲变宽现象。

正交编码和相干检测技术，再加上使用两种不同偏振态的光传输信号的技术，这些结合在一起已经将光纤通信技术推向了极限。如今，新型的发射器和接收器可以让原本设计指标是每秒10Gb通信容量的光纤，在单一频率下，也就是单一波长下，实现每秒100Gb的长距离传输。而传统的光纤可以容纳多达100个频段，因此它的通信容量可以达到10Tb/s。

【图注】一个光波的相位，即波峰和波谷的到达时间，可以用来对信息编码。正交编码方式中，四种不同的相位（由图中上、中两个有一定相位差的二相位编码信号叠加而成）可以表示2bit信号的四种情况（图中下方波形）。