科技日報2019年4月24日訊 130TB數(shù)據(jù)1秒傳完！這是我國光纖通信傳輸創(chuàng)下的最新紀(jì)錄。前不久，我國科研人員首次實現(xiàn)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(shù)主要被應(yīng)用于哪些領(lǐng)域？
用玻璃纖維中的光傳送信息
作為一種有線網(wǎng)絡(luò)，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(wǎng)絡(luò)，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(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)技術(shù)國家重點實驗室光系統(tǒng)研究室副主任賀志學(xué)在接受科技日報記者采訪時說。
光纖就是光導(dǎo)纖維，它細(xì)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)。
簡單來說，光纖通信就是光通信。常見的光通信應(yīng)用有望遠(yuǎn)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。”
從原理上來看，構(gòu)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，可分為通信用光纖和傳感用光纖。
容量大、遠(yuǎn)距離傳輸能力強
據(jù)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(shè)成本高。相較之下，光纖通信具有容量大、遠(yuǎn)距離傳輸能力強、保密性好、適應(yīng)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。”賀志學(xué)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(zhì)地脆、容易斷裂。另外，切斷或連接光纖需要使用特定的設(shè)備。需要注意的是，城建施工或自然災(zāi)害很容易造成光纖線路故障。
在實際應(yīng)用中，光纖傳輸?shù)膶崿F(xiàn)主要依賴光發(fā)射端機和光接收端機。光發(fā)射端機能夠?qū)﹄姽庑盘栠M行有效調(diào)節(jié)和轉(zhuǎn)換，從而使電信號轉(zhuǎn)換為光纖攜帶的光信號；光接收端機進行反向轉(zhuǎn)換，還能夠解調(diào)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(xiàn)信息的發(fā)送、傳輸、接收和顯示。
相關(guān)高端制造設(shè)備依賴進口
常用的光纖主要是標(biāo)準(zhǔn)單模光纖，理論上其在單位時間內(nèi)的信息傳輸速度約為140Tbit/s。如果傳送信息速度達(dá)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(biāo)準(zhǔn)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(dá)到理論上的極限值。“今年年初刷出的新紀(jì)錄1.06Pbit/s，是單模光纖通信技術(shù)取得突破的結(jié)果，但這樣的速度短時間內(nèi)難以在商用中實現(xiàn)。”賀志學(xué)說。
在技術(shù)上，相比單模，多芯光纖傳輸模式在實現(xiàn)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(shù)、關(guān)鍵器件、硬件設(shè)備方面尚需要進一步突破。
“5年至10年后，在應(yīng)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(guān)鍵技術(shù)可能會率先應(yīng)用于某些特殊場景中，比如跨洋傳輸和一些大型的數(shù)據(jù)中心。”賀志學(xué)說。
目前，我國光通信技術(shù)可以比肩國際先進水平，但仍面臨不少難題。比如相關(guān)工業(yè)基礎(chǔ)薄弱，缺乏原創(chuàng)性和自主性技術(shù)，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(shè)備都依賴進口。”賀志學(xué)說。
同時，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(dá)國家把持。
對此，賀志學(xué)建議，要加強相關(guān)基礎(chǔ)理論研究，做好核心技術(shù)的長遠(yuǎn)布局，預(yù)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(diào)，要加大在高端芯片、高端器件研發(fā)、設(shè)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。“特別是要做好頂層設(shè)計，在人力、基礎(chǔ)設(shè)施、政策方面實現(xiàn)協(xié)同創(chuàng)新，提升相應(yīng)產(chǎn)業(yè)配套能力。”他說。
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(wǎng)，用戶端將產(chǎn)生海量數(shù)據(jù)，信息傳輸壓力水漲船高。
從技術(shù)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(shù)據(jù)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(wù)量嗎？
“若把光纖看作一條條路，想在單位時間內(nèi)增加車輛通過數(shù)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(xué)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(xiàn)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(shù)據(jù)的同時，各條信道互不干擾。”賀志學(xué)說。
但鋪設(shè)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(fù)雜19倍以上。
“這對于光傳輸系統(tǒng)技術(shù)、光器件和光芯片技術(shù)都提出了更高的要求。”賀志學(xué)解釋道，硅光收發(fā)模塊芯片的制造、19芯光纖的制備、調(diào)制解調(diào)技術(shù)的研發(fā)都是技術(shù)難點，只有突破了這些難點，才有可能實現(xiàn)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(jīng)天線接收后調(diào)制成電信號，電信號在基站中被轉(zhuǎn)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(wù)。若電信號掉鏈子，光信號也跑不快。
“電信號是芯片內(nèi)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(yè)內(nèi)人士表示，受到材料限制，電信號上下樓的速度短時內(nèi)無法得到大幅提升，因此光纖通信的帶寬也無法實現(xiàn)質(zhì)的飛躍。（記者代小佩）