光纤通信技术的现状与前景

余晖冬，龚昊龑，胡紫云

（1.中国人民解放军92145部队，上海 200080；2.中国人民解放军91497部队，浙江 宁波 315000）

0 引言

光纤通信技术自发明以来对科学技术和社会经济领域的产生了重大影响和变革。以光纤通信技术应用为主要内容的技术实现方式构建了现代通信网络的主要框架，成为现代信息网络传输的最重要的一种技术实现方式和组成部分。该技术是当今互联网发展的重要的关键基础技术，在创造信息时代和信息社会发挥着无可替代的作用。由元器件产生的光源、传输用的光纤和光电微波探测器（PD）是光纤通信技术不可或缺的三个组成部分。其中，能够产生所需要的光源的激光器是应用最普遍的光源器件；通信光纤具有优越的信息传输效率，光纤通信在所有波导电磁传输通信体制中，传输损耗是最低的；接收端的关键组成器件是PD。

现阶段，巨量的信息数据通过通信网络进行。光纤通信将通信网络连接起来，起到数据桥梁的作用，这种作用至关重要。通信网络组成中的网络类型主要有：核心网、城域网、接入网、蜂窝网、局域网、数据中心网络与卫星通信网络等[1]。如数据中心网络连接到城域网、卫星网络连接到核心网是通过光纤通信实现的。由此可知，在光纤通信技术的基础上构建形成的光纤传输网是重要的基础承载网络。

信息时代兴起的新技术，如物联网、云服务、大数据、VR、AI、5G等技术，对信息传输提出了更高的要求。面对快速兴起的新技术，光纤通信作为通信网络中重要的关键组成部分，面临着极大的升级压力。传输低时延、信道大容量、管理智能化的光纤通信系统及光纤通信网络是光纤通信技术发展的重要趋势。

1 光纤通信技术发展历程

1958年科学家发现激光器产生光源的理论，1960年依据之前原理设计制造的激光器问世。激光通信技术有两个明显的问题：一是由于激光的波束会发散导致损失大量能量；二是应用场景对激光通信的影响较大。因此，一个合适的光波导对激光通信很关键。

1966年诺贝尔奖获得者华裔科学家高锟博士提出了光纤通信理论。与此同时，他认为光纤单模传输模式对通信指标有重要意义。1970年专业人员制造出光纤损耗在20dB/km的光纤，这一光纤损耗水平使得光纤有可能作为通信媒介用于通信领域。1979年，经过近十年时间，损耗降到了0.2dB/km，接近光纤在传输光信号的损耗的理论极限。至此，光纤通信的所有技术需求都已达到要求。

上个世纪末，相干检测技术成为光纤通信技术中的热点，光纤通信系统中光信号接收机的灵敏度在采用相干检测技术后得到大幅度提升。光纤通信技术另一项关键技术是光放大技术，并在此技术基础上发明了光放大器。光放大器的运用使得超长距离传输的光纤通信链路变成现实。

2 光纤通信技术研究现状

自上世纪末特别是本世纪初以来，由于以互联网为基础的信息社会的高速发展，对数据流量的需求与日俱增，导致对光纤通信技术超大传输容量的迫切需求。光纤通信技术如何扩展容量已成一个亟待解决的现实问题，这将关乎信息时代的发展。系统的容量极限会随着通信带宽的增大、信噪比的提升而提高，也就是通信极限与带宽和信噪比两者成正比例关系。

波分复用技术是解决上述问题的方法之一，其原理是将不同频率的光信号通过一定的方式互不干扰的调制合在一起，作为载波在同一根光纤中同时进行传输。由于频率不同，故调制合成的光信号可在接收端进行解调得到所传输的信号。布拉格光栅（FBG）的应用使得波分复用技术得到进一步发展，该技术可以用于密集波分复用（DWDM）、EDFA中。

提高光信号的频率效率是扩展传输容量的另一种方法。由于EDFA限制了光纤通信系统的带宽，传输容量的提升方法有提高频谱效率。增加带宽的利用率主要一是采用DWDM、高阶调制格式等技术来接近理论极限，但频谱效率的提升也有不利影响，就是对信噪比的要求较高。二是采用相位（phase）、偏振态（PD）技术的进行光信号的传输，第二代光纤通信就是这种相干光通信机制设计的通信系统，信道传输容量能够实现翻倍的方法是偏振复用（PDM）。

3 光纤通信面临的挑战

3.1 超大容量光纤通信系统

光纤通信技术已基本上到了频谱效率极限，要想再进一步增大光纤传输容量，有两种方法可以选择：一是增加带宽B（线性方式扩容），二是提高信噪比SNR（增加功率，对数方式扩容）。

（1）增加光源带宽。EDFA对带宽范围有一定的限制，增加带宽能够突破这种限制，C、L、S波段均可采用半导体光放大器（SOA）或拉曼放大器（RFA）进行信号放大。新型光纤研制的一个方向就是减少光信号的损耗，以适应更广的光谱用于信号传输。

（2）增加发射功率。纤芯截面的适当增大可以减少光纤的非线性效应[2]，因此采用少模取代单模光纤是一种办法。采用数字背向传输（DBP）算法是目前最流行的解决办法，最初的DBP算法不能解决带间的交叉相位调制（XPM）等的问题，算法会随性能改善变复杂。现在多芯少模光纤（MC-FMF）是一个发展方向，信道数多达100多个的多芯少模光纤具有超大容量，最大容量已经达10 Pb/s。

3.2 低损耗和低时延光纤

理论研究提出，光子晶体光纤（PCF）、空心光纤（HCF）具有更低的损耗。PCF/HCF利用把光子限制在低折射率的空气中，传输速度更快，减少传输时延。嵌套反谐振无节点光纤（NANF）是一种光子晶体光纤，其传输损耗在1510-1600nm波长范围已经降至了0.28dB/km[3]，该光纤的损耗极限理论预测值为0.1dB/km[4]，优于石英光纤损耗0.145dB/km的极限。

3.3 空分复用相关技术

空分复用技术是可以实现单纤容量增大，更高效率的光放大器是关键，不然只是另一种形式的单芯光纤组合；采用的模分复用技术有线偏振模式（LP mode）、基于偏振奇点的柱矢量光束（CVB）等。

4 光纤通信技术发展展望

今后随着进一步的信息化，光纤通信系统的发展方向将是具有超大容量的智能化、集成化。全光网络通信和光弧子通信将得到发展。

（1）智能化。智能化光网络的光纤通信系统及网络的智能化处于初级阶段。体现在网络数据配置、网络维护及网络故障诊断等诸多方面。由于光纤容量传输特别是主干网的传输容量特别巨大，对网络参数进行监测是将来智能光网络的重点。监测技术主要有：基于相干信号分析和相位敏感光时域反射（OTDR）的物理量监测技术等[1]。

（2）集成化。集成化可以压缩光纤通信网络建设费用。目前，由于相位和偏振态恢复的问题，相干系统由于相位和偏振态恢复技术原因，集成化难度较大。今后集成化的重点有：空分复用系统关键器件实现技术突破，如集成化的激光器与调制器、二维接收机等。

（3）全光网络通信。现在的通信网络是传统电信号和光信号通信各有一定比例。结合光纤通信的优势，全光网络能够提升所有通信节点的传输效率，同时能够消除传统通信介质和器件所带来的不利影响。传统通信介质和器件问题主要有信号能量丢失、较大衰减等。全光网络传输效率、业务处理将得到较大的提升作用，有利于高质量完成通信工作。

（4）光弧子通信。由于光弧子的特殊物理性质，用光弧子作为光纤通信系统的信号载体，可极大的提升信号远距离传输的质量。依据理论分析，光弧子通信系统进行远距离传输时信号不会出现能量损失、畸变等，这符合对高质量的传输信号的需求，比如智能化控制系统。光弧子通信需要克服的技术难题有光纤损耗的影响、光弧子相互作用、高阶色散效应影响、单模光纤中的双折射现象等[5]。光弧子通信的核心技术有光弧子传输系统的光纤技术、放大技术、源技术、开关技术等。其传输容量高出传统光纤通信几十倍甚至上百倍，中继距离达几百百公里，将是最有前途的光纤传输技术之一。

5 结束语

随着光纤通信技术的不断进步，面临的各种技术难题将得到解决，各种新工艺新技术将应用于光纤通信系统。未来，光纤通信技术将会迎来高速发展机会。光纤技术的进步将进一步推动信息社会的前进。