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下的最新紀錄。前不久，我國科研人員首次實現1.06Pbit/s超大容量單模多芯光纖光傳輸系統實驗，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，它的優勢和短板是什么？目前該技術主要被應用于哪些領域？
用玻璃纖維中的光傳送信息
作為一種有線網絡，光纖通信無法滿足移動的需求。日常生活中，我們的手機通信用的是無線網絡，光纖通信的存在感似乎并不強。
“但實際上，90%以上的信息傳輸是借助光纖完成的。手機通過無線網絡與基站連接，而基站間信號的傳遞大部分依賴光纖。”光纖通信網絡技術國家重點實驗室光系統研究室副主任賀志學在接受科技日報記者采訪時說。
光纖就是光導纖維，它細如發絲，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。
簡單來說，光纖通信就是光通信。常見的光通信應用有望遠鏡、紅綠燈等，它們利用大氣傳播可見光，屬于視覺傳輸。光纖通信則是利用玻璃纖維中的光傳送信息。
一位光纖通信從業者告訴科技日報記者，與電信號相比，光信號在傳播過程中衰減得很少。他解釋道：“比如，光信號跑100公里后，原來的信號會從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。”
從原理上來看，構成光纖通信的基本物質要素是光纖、光源和光檢測器。光纖按用途分類，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，即直接把光纖接到用戶所需的地方，進而使其可利用光纖獲得大量的信息。
“無線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、適應能力強等優勢。而且光纖體積小，易于施工和維護，原材料價格也比較低。”賀志學表示。
雖然光纖通信具有以上優點，但自身的短板也不容忽視。比如，光纖質地脆、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路故障。
在實際應用中，光纖傳輸的實現主要依賴光發射端機和光接收端機。光發射端機能夠對電光信號進行有效調節和轉換，從而使電信號轉換為光纖攜帶的光信號；光接收端機進行反向轉換，還能夠解調出電信號。光接收端機和光發射端機由連接器與光纜連接，從而實現信息的發送、傳輸、接收和顯示。
相關高端制造設備依賴進口
常用的光纖主要是標準單模光纖，理論上其在單位時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商常用的通信方式之一，該方式的傳輸容量是16Tbit/s，還沒達到理論上的極限值。“今年年初刷出的新紀錄1.06Pbit/s，是單模光纖通信技術取得突破的結果，但這樣的速度短時間內難以在商用中實現。”賀志學說。
在技術上，相比單模，多芯光纖傳輸模式在實現高速率上具備更大的優勢，但這種模式目前來說還很前沿，在核心技術、關鍵器件、硬件設備方面尚需要進一步突破。
“5年至10年后，在應用需求的推動下，1.06Pbit/s超大容量單模多芯光纖光傳輸系統關鍵技術可能會率先應用于某些特殊場景中，比如跨洋傳輸和一些大型的數據中心。”賀志學說。
目前，我國光通信技術可以比肩國際先進水平，但仍面臨不少難題。比如相關工業基礎薄弱，缺乏原創性和自主性技術，光纖原材料不足。“目前，制造拉絲、繞纖等光纖材料所需的高端設備都依賴進口。”賀志學說。
同時，與光纖通信相關的高端器件、芯片，也主要被美國和日本等發達國家把持。
對此，賀志學建議，要加強相關基礎理論研究，做好核心技術的長遠布局，預測技術發展趨勢，跳出“跟蹤—落后—再跟蹤—再落后”的技術迭代怪圈。
此外，賀志學強調，要加大在高端芯片、高端器件研發、設計、加工方面的投入力度，激發研發人才積極性，著力保護原創性成果。“特別是要做好頂層設計，在人力、基礎設施、政策方面實現協同創新，提升相應產業配套能力。”他說。
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5G對光纖通信速率提出更高要求
5G腳步臨近，加上即將迎來爆發階段的物聯網，用戶端將產生海量數據，信息傳輸壓力水漲船高。
從技術角度來看，5G通信包括無線通信和有線通信這兩部分。5G時代，大量數據信息都需利用光纖進行傳輸。那么，光纖通信能抗住未來龐大的任務量嗎？
“若把光纖看作一條條路，想在單位時間內增加車輛通過數量，有兩種辦法：一是拓寬道路，二是加快車輛的行駛速度。”賀志學說。
如何拓寬道路呢？目前的主流做法是，以空間換時間——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現1.06Pbit/s超大容量單模多芯光纖光傳輸系統實驗。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，各條信道互不干擾。”賀志學說。
但鋪設這樣的立體信道難度不少。因為19芯的信道意味著信號收發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、光器件和光芯片技術都提出了更高的要求。”賀志學解釋道，硅光收發模塊芯片的制造、19芯光纖的制備、調制解調技術的研發都是技術難點，只有突破了這些難點，才有可能實現立體信道。
此外，完整的光纖通信是環環相扣的過程：手機發射電磁波，經天線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光纖進行傳輸。這意味著，光信號無法離開電信號完成通信任務。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回跑。跑得越快，表示電信號速率越高。”上述業內人士表示，受到材料限制，電信號上下樓的速度短時內無法得到大幅提升，因此光纖通信的帶寬也無法實現質的飛躍。（記者代小佩）