科技日報2019年4月24日訊 130TB數據1秒傳完！這是我國光纖通信傳輸創(chuàng )下的最新紀錄。前不久，我國科研人員首次實(shí)現1.06Pbit/s超大容量單模多芯光纖光傳輸系統實(shí)驗，其傳輸容量是目前商用單模光纖傳輸系統最大容量的10倍。
那么，光纖通信的傳輸速度為何能如此之快？光纖通信又是什么？相比其他通信手段，它的優(yōu)勢和短板是什么？目前該技術(shù)主要被應用于哪些領(lǐng)域？
用玻璃纖維中的光傳送信息
作為一種有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )，光纖通信無(wú)法滿(mǎn)足移動(dòng)的需求。日常生活中，我們的手機通信用的是無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )，光纖通信的存在感似乎并不強。
“但實(shí)際上，90%以上的信息傳輸是借助光纖完成的。手機通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )與基站連接，而基站間信號的傳遞大部分依賴(lài)光纖?！惫饫w通信網(wǎng)絡(luò )技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗室光系統研究室副主任賀志學(xué)在接受科技日報記者采訪(fǎng)時(shí)說(shuō)。
光纖就是光導纖維，它細如發(fā)絲，可被直埋、架空，亦可被置于海底。因其輕盈、便捷、制作原材料成本低，最終替代了笨重的電纜成為主流的信號傳輸介質(zhì)。
簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，光纖通信就是光通信。常見(jiàn)的光通信應用有望遠鏡、紅綠燈等，它們利用大氣傳播可見(jiàn)光，屬于視覺(jué)傳輸。光纖通信則是利用玻璃纖維中的光傳送信息。
一位光纖通信從業(yè)者告訴科技日報記者，與電信號相比，光信號在傳播過(guò)程中衰減得很少。他解釋道：“比如，光信號跑100公里后，原來(lái)的信號會(huì )從1衰減至0.99，而電信號則可能只跑1公里就從1衰減至0.5。信息衰減越快，就越容易失真?！?/p>
從原理上來(lái)看，構成光纖通信的基本物質(zhì)要素是光纖、光源和光檢測器。光纖按用途分類(lèi)，可分為通信用光纖和傳感用光纖。
容量大、遠距離傳輸能力強
據介紹，光纖寬帶接入的最終方式是光纖到戶(hù)，即直接把光纖接到用戶(hù)所需的地方，進(jìn)而使其可利用光纖獲得大量的信息。
“無(wú)線(xiàn)通信方式易受電磁干擾，而電纜傳輸方式鋪設成本高。相較之下，光纖通信具有容量大、遠距離傳輸能力強、保密性好、適應能力強等優(yōu)勢。而且光纖體積小，易于施工和維護，原材料價(jià)格也比較低?！辟R志學(xué)表示。
雖然光纖通信具有以上優(yōu)點(diǎn)，但自身的短板也不容忽視。比如，光纖質(zhì)地脆、容易斷裂。另外，切斷或連接光纖需要使用特定的設備。需要注意的是，城建施工或自然災害很容易造成光纖線(xiàn)路故障。
在實(shí)際應用中，光纖傳輸的實(shí)現主要依賴(lài)光發(fā)射端機和光接收端機。光發(fā)射端機能夠對電光信號進(jìn)行有效調節和轉換，從而使電信號轉換為光纖攜帶的光信號；光接收端機進(jìn)行反向轉換，還能夠解調出電信號。光接收端機和光發(fā)射端機由連接器與光纜連接，從而實(shí)現信息的發(fā)送、傳輸、接收和顯示。
相關(guān)高端制造設備依賴(lài)進(jìn)口
常用的光纖主要是標準單模光纖，理論上其在單位時(shí)間內的信息傳輸速度約為140Tbit/s。如果傳送信息速度達到此極限，就會(huì )造成信息擁堵。單模光纖通常是指只能傳一種模式的光纖。
目前，標準單模光纖通信是運營(yíng)商常用的通信方式之一，該方式的傳輸容量是16Tbit/s，還沒(méi)達到理論上的極限值?！敖衲昴瓿跛⒊龅男录o錄1.06Pbit/s，是單模光纖通信技術(shù)取得突破的結果，但這樣的速度短時(shí)間內難以在商用中實(shí)現?！辟R志學(xué)說(shuō)。
在技術(shù)上，相比單模，多芯光纖傳輸模式在實(shí)現高速率上具備更大的優(yōu)勢，但這種模式目前來(lái)說(shuō)還很前沿，在核心技術(shù)、關(guān)鍵器件、硬件設備方面尚需要進(jìn)一步突破。
“5年至10年后，在應用需求的推動(dòng)下，1.06Pbit/s超大容量單模多芯光纖光傳輸系統關(guān)鍵技術(shù)可能會(huì )率先應用于某些特殊場(chǎng)景中，比如跨洋傳輸和一些大型的數據中心?！辟R志學(xué)說(shuō)。
目前，我國光通信技術(shù)可以比肩國際先進(jìn)水平，但仍面臨不少難題。比如相關(guān)工業(yè)基礎薄弱，缺乏原創(chuàng )性和自主性技術(shù)，光纖原材料不足?！澳壳?，制造拉絲、繞纖等光纖材料所需的高端設備都依賴(lài)進(jìn)口?！辟R志學(xué)說(shuō)。
同時(shí)，與光纖通信相關(guān)的高端器件、芯片，也主要被美國和日本等發(fā)達國家把持。
對此，賀志學(xué)建議，要加強相關(guān)基礎理論研究，做好核心技術(shù)的長(cháng)遠布局，預測技術(shù)發(fā)展趨勢，跳出“跟蹤—落后—再跟蹤—再落后”的技術(shù)迭代怪圈。
此外，賀志學(xué)強調，要加大在高端芯片、高端器件研發(fā)、設計、加工方面的投入力度，激發(fā)研發(fā)人才積極性，著(zhù)力保護原創(chuàng )性成果?！疤貏e是要做好頂層設計，在人力、基礎設施、政策方面實(shí)現協(xié)同創(chuàng )新，提升相應產(chǎn)業(yè)配套能力?！彼f(shuō)。
延伸閱讀
5G對光纖通信速率提出更高要求
5G腳步臨近，加上即將迎來(lái)爆發(fā)階段的物聯(lián)網(wǎng)，用戶(hù)端將產(chǎn)生海量數據，信息傳輸壓力水漲船高。
從技術(shù)角度來(lái)看，5G通信包括無(wú)線(xiàn)通信和有線(xiàn)通信這兩部分。5G時(shí)代，大量數據信息都需利用光纖進(jìn)行傳輸。那么，光纖通信能抗住未來(lái)龐大的任務(wù)量嗎？
“若把光纖看作一條條路，想在單位時(shí)間內增加車(chē)輛通過(guò)數量，有兩種辦法：一是拓寬道路，二是加快車(chē)輛的行駛速度?！辟R志學(xué)說(shuō)。
如何拓寬道路呢？目前的主流做法是，以空間換時(shí)間——在“路口”多修岔路或修“地鐵”、架“高橋”。
“前不久，中國信息通信科技集團有限公司科研團隊首次實(shí)現1.06Pbit/s超大容量單模多芯光纖光傳輸系統實(shí)驗。他們的做法就是在光纖‘路’上建多座‘立交橋’，把單模光纖信道建成19層芯的信道，如此可保證在快速傳輸數據的同時(shí)，各條信道互不干擾?！辟R志學(xué)說(shuō)。
但鋪設這樣的立體信道難度不少。因為19芯的信道意味著(zhù)信號收發(fā)系統比此前的單模光纖信道復雜19倍以上。
“這對于光傳輸系統技術(shù)、光器件和光芯片技術(shù)都提出了更高的要求?！辟R志學(xué)解釋道，硅光收發(fā)模塊芯片的制造、19芯光纖的制備、調制解調技術(shù)的研發(fā)都是技術(shù)難點(diǎn)，只有突破了這些難點(diǎn)，才有可能實(shí)現立體信道。
此外，完整的光纖通信是環(huán)環(huán)相扣的過(guò)程：手機發(fā)射電磁波，經(jīng)天線(xiàn)接收后調制成電信號，電信號在基站中被轉化成光信號并通過(guò)光纖進(jìn)行傳輸。這意味著(zhù)，光信號無(wú)法離開(kāi)電信號完成通信任務(wù)。若電信號掉鏈子，光信號也跑不快。
“電信號是芯片內部的信號傳輸，就是電子從0到1，再從1到0的過(guò)程。把0看成樓下，1看成樓上，電信號的傳輸就是電子在樓下樓上來(lái)回跑。跑得越快，表示電信號速率越高?！鄙鲜鰳I(yè)內人士表示，受到材料限制，電信號上下樓的速度短時(shí)內無(wú)法得到大幅提升，因此光纖通信的帶寬也無(wú)法實(shí)現質(zhì)的飛躍。（記者代小佩）