光纤技术到头了？提网速还得新技术

上个世纪90年代以后建设的区域、全国和国际性的光纤网络，大部分都可以与上述技术兼容，而在过去六年里，很多主干网络都已经完成更新，达到这样的信号传输速率。"目前，很多长距离地面通信光缆和绝大多数海底光缆都升级到了100Gb带宽。"TeleGeography公司的高级研究员Erik Kreifeldt说。

让我们以位于马里兰州汉诺威市的Ciena公司的光纤网络为例，感受一下相关的数字。这一系统拥有6个频段，每一个频段通信容量为100Gb/s，传输距离为数百到数千千米，加起来的数据传输速率为9.6Tb/s，可供38.4万人同时观看Netflix上的超高清视频。而这还仅仅是一根光纤，如今的一根光缆可以容纳几十到几百根光纤。

然而，尽管互联网泡沫在21世纪初破灭，但是全球用户对于带宽的需求从未减少。据Cisco公司最近发布的一份报告，全球互联网数据传输量在2010年至2015年之间增长了整整5倍，而这一趋势看上去仍然会继续，主要是因为网络视频和物联网的发展。

未来怎样光纤通信又将如何继续提升？研究者们正在积极探索。

其中一个想法是，采用更先进的信号编码技术，如今广泛使用的正交相移技术在单位信号间隔内可编码2bit，而Wi-Fi和其他无线系统采用了更复杂的编码方式。比如说，得到广泛使用的16-QAM编码，可以在一个信号中包括4bit的所有16种情况，从0000到1111。有些有线电视还采用256-QAM。

这样的先进编码方式的确可以在光纤中使用，但是正如你预料的，是有代价的。编码的方式越复杂，信息就需要被更紧密的打包在一起进行传输。一个信号包含的数据越多，它所能承受的外部扰动就越少，否则其中的一部分数据就会出错。提高信号发射功率可以改善这一情况，但是这样又会增加非线性畸变，这种畸变随距离增长而不断增加。因此，16-QAM编码技术只能应用于相对较短，约几百千米距离的信号传输。

而对于更长距离的光纤，研究人员则尝试将不同的频段压缩得更加紧密。这的确是可行的，因为目前的先进长距离光纤中包含几十个频段，相邻频段之间留有一定间隔以防止串扰。如果这些缓冲频段可以缩短甚至省略，那么一根光纤中就可以容纳更多的频段，实现所谓的超级频段系统（superchannel），这一系统中，信号在光纤中的全频段上传输。据Ciena公司的产品和技术营销总监Helen Xenos所说，这样的方案可以将数据传输速率在现有基础上提高30%。

要应用这样的技术，就需要找到一种编码方式，使得不同频段的信号之间不会互相干扰，有一些公司已经找到了一些方法。2013年，Ciena公司和英国电信集团BT采用无缓冲频段技术，在伊普斯维奇和伦敦之间搭建起800Gb/s的超级多频段通信网络。另外，至少还有一家Ciena公司的客户，正在将他们的超级频段系统应用于海底越洋光缆。

Ciena公司表示，他们采用独立的多个芯片处理多个激光信号，但是他们同样有能力将其集成到单个芯片中，使其更加紧凑和廉价。"我们的秘密武器是光子集成电路技术。"Infinera公司的技术解决方案总监Geoff Bennett说。2014年，他所属的公司发布了一款1Tb/s传输速率的超级频段系统，这一系统中有一个集成了10个激光发射器的光子集成电路，他还提到，未来的长距离传输系统可以将通信容量提升到12Tb/s，而在城市中使用的短距离系统通信容量还能再高一倍。

【图注】不同模式的信号，即不同的空间分布形式，可以用来在同一根光纤中传输多个信号，从而提高信号容量，某一模式中，光纤横截面上不同区域的光密度不同。如图中上方所示是一根光纤中可以存在的信号模式，而图中下方显示随着传输距离增加，不同模式之间可能会发生振荡而互相干扰。

这样的超级频段系统要普及还需要几年时间，但是一旦这一技术推广开来，它可能就是我们在现有光纤基础上可以做到的最后一次大规模的容量提升了。这是因为我们即将面临一个根本性的技术壁垒，叫做非线性香农极限（nonlinear Shannon limit）。香农极限是由信息学家克劳德·香农1948年提出的，他指出，信道存在一个由带宽和信噪比决定的，能够正确传输数据的最大容量。而非线性的香农极限还包括了另外一个因素，即信号功率的极大值，超过这个值，非线性效应（在玻璃中才会出现）就会导致过大的噪声将信号淹没。

没有什么办法可以突破非线性香农极限。但在建设更多的光纤设施，光纤载体本身还是有改进的余地的。"最成熟也是最容易理解的办法"，Infinera公司的Bennett提到，就是把光纤内芯做得更大。早期的光缆内芯很小，很大程度上限制了光信号的传播路径。较小的内芯有助于避免光子在内芯和外部覆层之间的界面上以不同的角度反射，如果不同的光子以相差很大的角度在界面上反射，它们在光纤中行进的距离就有差异，有的长，有的短，就会造成脉冲展宽，导致相邻脉冲重叠。

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。