光纤通信如何突破瓶颈

。它们允许接收器产生的信号与接收信号存在频率偏差，可以在这种情况下，重构信号的相位并实现同步，并且能修正传输中出现的脉冲变宽现象。

正交编码和相干检测技术，再加上使用两种不同偏振态的光传输信号的技术，这些结合在一起已经将光纤通信技术推向了极限。如今，新型的发射器和接收器可以让原本设计指标是每秒10Gb通信容量的光纤，在单一频率下，也就是单一波长下，实现每秒100Gb的长距离传输。而传统的光纤可以容纳多达100个频段，因此它的通信容量可以达到10Tb/s。

一个光波的相位，即波峰和波谷的到达时间，可以用来对信息编码。正交编码方式中，四种不同的相位（由图中上、中两个有一定相位差的二相位编码信号叠加而成）可以表示2bit信号的四种情况（图中下方波形）。

上个世纪90年代以后建设的区域、全国和国际性的光纤网络，大部分都可以与上述技术兼容，而在过去六年里，很多主干网络都已经完成更新，达到这样的信号传输速率。"目前，很多长距离地面通信光缆和绝大多数海底光缆都升级到了100Gb带宽。"TeleGeography公司的高级研究员Erik Kreifeldt说。

让我们以位于马里兰州汉诺威市的Ciena公司的光纤网络为例，感受一下相关的数字。这一系统拥有6个频段，每一个频段通信容量为100Gb/s，传输距离为数百到数千千米，加起来的数据传输速率为9.6Tb/s，可供38.4万人同时观看Netflix上的超高清视频。而这还仅仅是一根光纤，如今的一根光缆可以容纳几十到几百根光纤。

然而，尽管互联网泡沫在21世纪初破灭，但是全球用户对于带宽的需求从未减少。据Cisco公司最近发布的一份报告，全球互联网数据传输量在2010年至2015年之间增长了整整5倍，而这一趋势看上去仍然会继续，主要是因为网络视频和物联网的发展。

未来光纤通信又将如何继续提升？研究者们正在积极探索。

其中一个想法是，采用更先进的信号编码技术，如今广泛使用的正交相移技术在单位信号间隔内可编码2bit，而Wi-Fi和其他无线系统采用了更复杂的编码方式。比如说，得到广泛使用的16-QAM编码，可以在一个信号中包括4bit的所有16种情况，从0000到1111。有些有线电视还采用256-QAM。

这样的先进编码方式的确可以在光纤中使用，但是正如你预料的，是有代价的。编码的方式越复杂，信息就需要被更紧密的打包在一起进行传输。一个信号包含的数据越多，它所能承受的外部扰动就越少，否则其中的一部分数据就会出错。提高信号发射功率可以改善这一情况，但是这样又会增加非线性畸变，这种畸变随距离增长而不断增加。因此，16-QAM编码技术只能应用于相对较短，约几百千米距离的信号传输。

而对于更长距离的光纤，研究人员则尝试将不同的频段压缩得更加紧密。这的确是可行的，因为目前的先进长距离光纤中包含几十个频段，相邻频段之间留有一定间隔以防止串扰。如果这些缓冲频段可以缩短甚至省略，那么一根光纤中就可以容纳更多的频段，实现所谓的超级频段系统（superchannel），这一系统中，信号在光纤中的全频段上传输。据Ciena公司的产品和技术营销总监Helen Xenos所说，这样的方案可以将数据传输速率在现有基础上提高30%。

要应用这样的技术，就需要找到一种编码方式，使得不同频段的信号之间不会互相干扰，有一些公司已经找到了一些方法。2013年，Ciena公司和英国电信集团BT采用无缓冲频段技术，在伊普斯维奇和伦敦之间搭建起800Gb/s的超级多频段通信网络。另外，至少还有一家Ciena公司的客户，正在将他们的超级频段系统应用于海底越洋光缆。

Ciena公司表示，他们采用独立的多个芯片处理多个激光信号，但是他们同样有能力将其集成到单个芯片中，使其更加紧凑和廉价。"我们的秘密武器是光子集成电路技术。"Infinera公司的技术解决方案总监Geoff Bennett说。2014年，他所属的公司发布了一款1Tb/s传输速率的超级频段系统，这一系统中有一个集成了10个激光发射器的光子集成电路，他还提到，未来的长距离传输系统可以将通信容量提升到12Tb/s，而在城市中使用的短距离系统通信容量还能再高一倍。

不同模式的信号，即不同的空间分布形式，可以用来在同一根光纤中传输多个信号，从而提高信号容量，某一模式中，光纤横截面上不同区域的光密度不同。如图中上方所示是一根光纤中可以存在的信号模式，而图中下方显示随着传输距离增加，不同模式之间可能会发生振荡而互相干扰。

这样的超级频段系统要普及还需要几年时间，但是一旦这一技术推广开来，它可能就是我们在现有光纤基础上可以做到的