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現1.06Pbit/s超大容量單模多芯光纖光傳輸系統(tǒng)實驗，其傳輸容量是目前商用單模光纖傳輸系統(tǒng)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?！惫饫w通信網絡技術國家重點實驗室光系統(tǒng)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(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。

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(yè)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?！?/p>

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(yōu)勢。而且光纖體積小，易于施工和維護，原材料價格也比較低?！辟R志學表示。

雖然光纖通信具有以上優(yōu)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(fā)射端機和光接收端機。光發(fā)射端機能夠對電光信號進行有效調節(jié)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(fā)射端機由連接器與光纜連接，從而實現信息的發(fā)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(yōu)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(tǒng)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?！辟R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(yè)基礎薄弱，缺乏原創(chuàng)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(fā)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(fā)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(fā)、設計、加工方面的投入力度，激發(fā)研發(fā)人才積極性，著力保護原創(chuàng)性成果?！疤貏e是要做好頂層設計，在人力、基礎設施、政策方面實現協(xié)同創(chuàng)新，提升相應產業(yè)配套能力?！彼f。

延伸閱讀

5G對光纖通信速率提出更高要求

5G腳步臨近，加上即將迎來爆發(fā)階段的物聯(lián)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(tǒng)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(fā)系統(tǒng)比此前的單模光纖信道復雜19倍以上。

“這對于光傳輸系統(tǒng)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(fā)模塊芯片的制造、19芯光纖的制備、調制解調技術的研發(fā)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(huán)環(huán)相扣的過程：手機發(fā)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?！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）