一、媒介

光導纖維通訊本領自展示此后帶來了高科技和社會范圍的宏大變化。動作激光本領的要害運用，以光導纖維通訊本領為重要代辦的激光消息本領搭建了新穎通訊搜集的框架，變成消息傳播的要害構成局部。光導纖維通訊本領是暫時互聯(lián)網(wǎng)絡寰球的要害裝載力氣，同聲也是消息期間的中心本領之一。婦孺皆知，光導纖維通訊本領的基礎因素是光源、光導纖維和光電探測器（PD）。個中，運用最為普遍的光源是萊塞；光導纖維的能量傳輸功效極佳，傳輸耗費是波導熱磁傳輸體例中最小的；PD 是光導纖維通訊接受端的要害構成局部。

暫時各類消息本領都需依附通訊搜集來傳播消息，光導纖維通訊本領不妨貫穿至各類通訊搜集，形成消息傳輸進程中的主動脈，并在消息傳輸中表現(xiàn)要害效率。新穎通訊搜集框架結(jié)構（見圖 1）重要囊括：中心網(wǎng)、城域網(wǎng)、接入彀、蜂窩網(wǎng)、局域網(wǎng)、數(shù)據(jù)重心搜集與衛(wèi)星搜集等。各別搜集之間的貫穿都可由光導纖維通訊本領實行，如在挪動蜂窩網(wǎng)中，基站貫穿到城域網(wǎng)、中心網(wǎng)的局部也都是由光導纖維通訊形成的。而在數(shù)據(jù)重心搜集中，光互連是暫時最普遍運用的一種辦法，即沿用光導纖維通訊的辦法實行數(shù)據(jù)重心內(nèi)與數(shù)據(jù)重心間的消息傳播。由此看來，光導纖維通訊本領在此刻的通訊搜集體例中不只表現(xiàn)著骨干道的效率，還充任了諸多要害的支線路途的效率。不妨說，由光導纖維通訊本領修建的光導纖維傳遞網(wǎng)是其余交易搜集的普通裝載搜集。

圖 1 新穎通訊搜集框架結(jié)構

跟著百般新興本領如物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、假造實際、人為智能（AI）、第六代挪動通訊（5G）等本領的連接展示，對消息交談與傳播提出了更高的需要。據(jù)思科公司（Cisco）2019 年頒布的接洽數(shù)據(jù)表露（見圖 2），寰球年度 IP 流量將由 2017 年的 1.5 ZB（1 ZB=1021 B）延長為 2022 年的 4.8 ZB，復合年延長率為 26% [1]。面臨高流量的延長趨向，光導纖維通訊動作通訊網(wǎng)中最主干的局部，接受著宏大的晉級壓力，高速、大含量的光導纖維通訊體例及搜集將是光導纖維通訊本領的合流興盛目標 [2]。

圖 2 2017—2022 年寰球年度搜集 IP 流量走勢 [1]

二、光導纖維通訊本領的興盛過程與接洽近況

（一）光導纖維通訊本領的興盛過程

跟著 1958 年亞瑟 · 肖洛與查爾斯 · 湯斯揭穿萊塞處事道理之后，1960 年第一臺紅寶石萊塞研制勝利。接著，1970 年第一個能在室溫下貫串處事的 AlGaAs 半半導體萊塞研制勝利，并在 1977 年實行半半導體萊塞在適用情況中可貫串處事幾萬鐘點之上。至此，萊塞已完備運用于商用光導纖維通訊的基礎。在萊塞創(chuàng)造之初，創(chuàng)造者已認識到其在通訊范圍的要害潛伏運用。但是，激光通訊本領生存兩個鮮明的短板題目：一是因激光帶束發(fā)閉會丟失洪量能量；二是受運用情況的感化較大，如在大氣情況下運用時會明顯受制于氣象情景的變革。所以，對激光通訊而言，一個符合的光帶導至關要害。

諾貝爾物道學獎贏得者高錕碩士提出的用來通訊的光導纖維滿意了激光通訊本領對波導的需要。他提出，玻璃光導纖維的瑞利散射耗費不妨特殊低（低于20 dB/km），而光導纖維中的功率耗費重要根源于玻璃資料中的雜質(zhì)對光的接收，所以資料提煉是減小光導纖維耗費的要害，其余還指出單模傳輸對維持好的通訊本能很要害 [3]。1970 年，康寧玻璃公司按照高錕碩士的提煉倡導研制出了耗費約為 20 dB/km 的石英系多模光導纖維，使光導纖維動作通訊的傳輸媒體變成實際。之后過程連接研制，石英系光導纖維的耗費在1974 年到達了 1 dB/km，在 1979 年進一步到達了0.2 dB/km，迫近了石英系光導纖維的表面耗費極限。至此，光導纖維通訊的前提已實足滿意。

早期的光導纖維通訊體例均沿用徑直檢驗和測定的接受辦法（見圖 3）。這是一種較大略的光導纖維通訊辦法，PD 是一種平方律的檢波器，惟有光旗號的強度不妨被探測到。換言之，這種通訊辦法只不妨在光強度上加載消息來舉行傳輸。此辦法的接受精巧度在于于數(shù)據(jù)傳輸速度，而傳輸隔絕是由數(shù)據(jù)傳輸速度與接受機跨導夸大器（TIA）的熱噪聲共通確定的。這種徑直檢驗和測定的接受辦法從 20 世紀 70 歲月的第一代光導纖維通訊本領從來連接到了 20 世紀 90 歲月前期，而對應簡直的本領目標也由處事在 0.8 μm 的 GaAs 半半導體萊塞放射 45 Mbit/s 旗號無中繼傳輸 10 km，提高至處事在 1.5 μm 的半半導體萊塞放射 2.5 Gbit/s 旗號無中繼傳輸 100 km。

圖 3 徑直檢驗和測定光導纖維通訊體例表示圖

加入 20 世紀 90 歲月此后，光導纖維通訊本領中的關系檢驗和測定本領漸漸變成接洽熱門 [4]。前期的關系檢驗和測定的表示圖如圖 4 所示，這也是第一代的關系檢驗和測定體例。經(jīng)過運用關系檢驗和測定，可實行最優(yōu)探測精巧度（受限于散彈噪聲極限），其余，這也不妨經(jīng)過運用一個大功率的本振來實行。在徑直檢驗和測定探測體例中，只不妨探測到旗號光的功率 PS ，而關系檢驗和測定探測體例中不妨探測到的旗號巨細為，個中 PLO 是本振光的功率，只有本振光功率充滿大就不妨到達探測精巧度的極限?？傊?，經(jīng)過引入關系檢驗和測定本領，接受機的精巧度獲得了極大提高。在早期的關系檢驗和測定中重要沿用外差（Heterodyne）探測和零差（Homodyne）探測，個中外差檢驗和測定指旗號載波與當?shù)剌d波的頻次差值為中頻，而零差探測指旗號載波與當?shù)剌d波頻次實足溝通、相位差恒定。為了保護鎖頻以及回復接受旗號的載波相位，早期的關系檢驗和測定本領須要攙雜的光學鎖相環(huán)。其余還須要經(jīng)過偏振遏制器（PC）來使得旗號光與本振光的偏振態(tài)維持普遍，再不到達最大功效的接受。

圖 4 關系檢驗和測定表示圖

光夸大器也是光導纖維通訊本領史上要害的功效之一。沿用光夸大器的光導纖維鏈路，也不妨到達散彈噪聲極限的探測精巧度，同聲不妨去除一切的電中繼，使得光導纖維通訊本領不妨實行長隔絕傳輸。光夸大的觀念在最早的萊塞專利中就有所倡導，最后在1987 年，該項本領被南安普頓大學和貝爾試驗室初次實行 [5,6]。

（二）光導纖維通訊本領的接洽近況

自 20 世紀 90 歲月此后，跟著互聯(lián)網(wǎng)絡本領的趕快興盛，用戶對互聯(lián)網(wǎng)絡流量的需要日益延長，并隨之帶來了對光導纖維通訊含量的急迫延長需要。開始，當 2.5 Gbit/s 的光導纖維通訊本領問世后，人們一致覺得其不妨維持好幾代互聯(lián)網(wǎng)絡的興盛，但光導纖維通訊含量的延長需要很快沖破了這一近況。

怎樣提高光導纖維通訊的含量變成亟需處置的題目?！跋⒄撝浮毕戕r(nóng)給出了信道含量的極限，任何通訊體例傳輸消息的含量都不會勝過這個極限，它與體例的帶寬與信道中的信噪比關系。當體例帶寬越大、信噪比越高，體例的含量極限就會越高。按照香農(nóng)的表面，單根光導纖維纖芯中的含量極限不妨表白為：式（1）中，2 為兩個正交偏振態(tài)復用；B 為帶寬，光導纖維的帶寬在于于光夸大器不妨供給的帶寬，而C+L 波段所有約 95 nm；S 為入纖功率，受限于光導纖維的非線性；N 為噪聲功率，確定于夸大器的噪聲系數(shù)、光導纖維耗費、跨段長度和跨段數(shù)。

典范的 C 波段摻鉺光導纖維夸大器（EDFA）的帶寬為35 nm，即約4375 GHz。面臨如許宏大的帶寬資源，怎樣充溢運用它來實行大含量的光導纖維傳輸是要害。由此咱們想到了波分復用（WDM）。波分復用是使各別射程的載波同聲裝載旗號，共通在一根光導纖維中傳輸，因為各載波的射程各別，故可簡單辨別解調(diào)出來。其余，光導纖維布拉格光柵（FBG）的創(chuàng)造也簡單了波分復用，它不妨用來聚集波分復用（DWDM）的濾波器、減少 / 縮小多路復用器、EDFA 增值平衡器 [7,8]。圖 5 為 WDM 光導纖維通訊體例表示圖。

圖 5 WDM 光導纖維通訊體例表示圖

C/B 表白頻帶功效，單元為 bit/s/Hz，而S/N 表白旗號的郵電通信噪比。比方，當郵電通信噪比為10 dB 時，體例所能到達的極限頻帶功效為 6.9 bit/s/Hz。因為體例的帶寬受限于 EDFA，光導纖維通訊暫時只能贏得有限的帶寬，故不妨經(jīng)過普及頻帶功效的辦法來減少信道含量。減少帶寬 B 內(nèi)的運用率可從兩個方從來打開。一是沿用 DWDM、高階調(diào)制方法、奈奎斯特（Nyquist）整形、超等信道（super channel）、超奈奎斯特傳輸（FTN）、前向糾錯（FEC）、幾率整形等本領來迫近香農(nóng)極限，但頻帶功效的減少將對郵電通信噪比的訴求有所提高，進而縮小了傳輸?shù)母艚^。二是充溢運用相位、偏振態(tài)的消息裝載本領來舉行傳輸，這也即是第二代關系光通訊體例，接受機如圖 6 所示 [4]。偏振復用（PDM）已一致沿用，用兩個正交的偏振態(tài)來辨別裝載消息以使信道含量翻倍。第二代關系光通訊體例沿用光混頻器舉行內(nèi)差（Intra-dyne）檢驗和測定，并沿用偏振分集接受，即在接受端將旗號光與本振光領會為偏振態(tài)互為正交的兩束光，在這兩個偏振方進取辨別拍頻，如許不妨實行偏振不敏銳接受。其余，須要指出的是，此時接受端的頻次盯梢、載波相位回復、平衡、同步、偏振盯梢妥協(xié)復用均不妨經(jīng)過數(shù)字旗號處置（DSP）本領來實行，這極大簡化了接受機的硬件安排，并提高了旗號回復本領 [9,10]。

圖 6 第二代關系檢驗和測定表示圖

暫時，上述本領產(chǎn)物在貿(mào)易范圍中的運用近況為華夏郵電通信團體有限公司和華為本領有限公司已實行了 50 G 波道間隙、單路 200 Gbit/s 的偏振復用16 QAM 旗號，經(jīng)過幾率星座圖整形和奈奎斯特整形實行了 1142 km 傳輸（試驗室可實行 1920 km 傳輸），單纖總含量為 16 Tbit/s。而最新的接洽功效有：貝爾試驗室等運用半半導體光夸大器（SOA）和拉曼夸大實行了 107 Tbit/s、103 nm（1515~1618 nm）波段范疇的 300 km 傳輸 [11]；華為本領有限公司運用 C+L 波段的 EDFA 實行了 124 Tb/s 旗號在600 km 的傳輸。

三、光導纖維通訊本領興盛面對的挑撥與推敲

（一）超大含量光導纖維通訊體例

經(jīng)過百般本領的應用，暫時知識界和技術界已基礎到達光導纖維通訊體例頻帶功效的極限，如要連接增大傳輸含量，只能經(jīng)過減少體例帶寬 B（線性減少含量）或減少信噪比（SNR） （減少功率，對數(shù)減少含量）來實行，簡直商量如次。

1. 減少放射功率的處置計劃

因為符合減少光導纖維截面包車型的士靈驗表面積不妨貶低高功率傳輸帶來的非線性效力 [12]，所以沿用少模光導纖維包辦單模光導纖維舉行傳輸是一種減少功率的處置計劃。其余，暫時最通用的處置非線性效力的計劃是沿用數(shù)字背向傳輸（DBP）算法，但算法本能的提高會引導演算攙雜度的減少。原始的 DBP 算法僅能應付一個通帶內(nèi)的非線性效力，帶間的穿插相位調(diào)制（XPM）等非線性效力沒轍獲得積累；而多通帶 DBP 算法不妨用來積累通帶間的非線性效力，如 XPM 和四波混頻（FWM），但攙雜度會明顯增高。近期，呆板進修本領在非線性積累上面的接洽表露出了很好的運用遠景，極地面貶低了算法的攙雜度，所以此后可經(jīng)過呆板進修來扶助 DBP 體例的安排。

2. 減少光夸大器的帶寬

減少帶寬不妨沖破 EDFA 的頻帶范疇的控制，除去 C 波段與 L 波段除外，可將 S 波段也歸入運用范疇，沿用 SOA 或拉曼夸大器舉行夸大 [11]。而現(xiàn)有光導纖維在 S 波段除外的頻段耗費都較大，如O 波段 1310 nm 鄰近光導纖維的耗費就到達了 0.3 dB/km，需安排新式光導纖維來貶低傳輸耗費。但對其他波段而言，有貿(mào)易運用價格的光夸大本領也是一個挑撥。那些光夸大本領與 EDFA 比擬，生存增值較小、噪聲系數(shù)較大的題目，如摻鐠的 O 波段光導纖維夸大器（1280~1320 nm）的增值為 10~25 dB、噪聲系數(shù)為7 dB；摻銩的 S 波段光導纖維夸大器（1477~1507 nm）的增值為 22 dB、噪聲系數(shù)為 6 dB；而 SOA 具備一致的噪聲系數(shù)，且生存對 WDM 體例的穿插增值調(diào)制題目。

3. 低傳輸耗費光導纖維的接洽

接洽低傳輸耗費光導纖維是該范圍最要害的題目之一。空芯光導纖維（HCF）具備更低傳輸耗費的大概，將縮小光導纖維傳輸?shù)臅r延，可在極大水平上取消光導纖維的非線性題目。一項最新接洽截止表露，HCF 的一種嵌套反諧振無節(jié)點光導纖維（NANF）可實行在1510~1600 nm 波段 0.28 dB/km 的傳輸耗費 [13]，且表面猜測表白該構造具備連接貶低耗費至 0.1 dB/km 的大概 [14]，這將低于石英光導纖維的資料耗費極限（瑞利散射極限 0.145 dB/km）。其余，NANF 還具備更寬大的低耗費窗口的大概，暫時已知通訊的帶寬已到達 700 nm [15]。

4. 空分復用關系本領的接洽

空分復用本領是實行單纖含量增大的靈驗計劃 [16]，簡直有：沿用多芯光導纖維舉行傳輸，成倍減少單纖的含量，在這上面最中心的題目是有無更高功效的光夸大器，要不只能等價為多根單芯光導纖維；沿用囊括線偏振形式（LP mode）、鑒于相位奇點的軌跡角動量（OAM）光束和鑒于偏振奇點的柱矢量光束（CVB）等的模分復用本領，這類本領可為光束復用供給新的自在度，普及光通訊體例的含量，在光導纖維通訊本領中具備宏大的運用遠景，但關系光夸大器的接洽同樣是挑撥。其余，怎樣平穩(wěn)差分模群時延（DMGD）以及多輸出多輸入（MIMO）數(shù)字平衡本領等帶來的體例攙雜度也犯得著關心。將來，蓄意空分復用關系的本領研制不妨產(chǎn)生與 WDM 體例一致的演進道路以激動光導纖維通訊本領的興盛。

（二）各類其余場景下的光導纖維通訊體例

超大含量光導纖維通訊體例是重要運用于主干搜集場景下的光導纖維通訊體例，并不商量本錢題目。而暫時光導纖維通訊本領已運用于多種各別場景，大多生存對本錢敏銳的實際窘境。為此，正文將陳列出暫時幾何個本錢敏銳的場景與體例，并扼要領會它們的興盛遠景。

1. 各別調(diào)制檢驗和測定拉攏場景下的光導纖維通訊體例

光導纖維通訊本領因調(diào)制和檢驗和測定辦法的各別，其運用本錢也會有很大分別。暫時，在少許本錢特殊敏銳的場景中仍運用最早的光通訊辦法，即強度調(diào)制 – 徑直檢驗和測定（IMDD）；但在對通訊本能訴求嚴苛的情況中，沿用的是最攙雜的保守關系通訊辦法。將來在這兩種通訊辦法之間不妨有很多過度計劃，亟需在本能與本錢長進行平穩(wěn)，找到符合簡直場景運用的計劃，簡直有：沿用正交（IQ）調(diào)制、徑直檢驗和測定的體例，如罕見的單邊帶（SSB）調(diào)制、徑直檢驗和測定的體例 [17]；沿用強度調(diào)制、關系檢驗和測定的通訊辦法，運用徑直調(diào)制萊塞（DML）的啁啾對旗號相位爆發(fā)確定的調(diào)制，最后再由關系接受機檢驗和測定出對應的消息 [18]。

幾類特出的光導纖維通訊體例，如鑒于斯托克斯矢量徑直檢驗和測定（SVDD）接受機的體例 [19]，鑒于克萊默 – 克朗尼格（KK）聯(lián)系接受機的體例 [20]，以及邇來新提出的載波扶助差分檢驗和測定（CADD）接受機的體例 [21]。SVDD 體例是經(jīng)過斯托克斯矢量的辦法接受旗號，接受機比保守關系體例大略，但最后接受旗號只能接受到一個偏振態(tài)的消息，沒轍實行實足的偏振復用，亟需研制出鑒于 SVDD 接受機的硅光集成芯片，以舉行實行運用。而 KK 體例是按照特出旗號（普遍是單邊帶旗號）所具備的 KK 聯(lián)系，經(jīng)過接受的旗號幅度陰謀出相位，在徑直檢驗和測定的體例中實行關系檢驗和測定的功效，但該體例的頻帶功效僅有保守關系檢驗和測定體例的一半。而 CADD 體例沿用特出的接受機實行了與關系檢驗和測定比擬逼近100% 的頻帶運用率，但此體例暫時惟有單偏振態(tài)的截止，姑且沒轍獲得偏振復用的截止。蓄意將來不妨接洽出一致于保守關系辦法的偏振復用、100%頻帶運用率的簡化關系通訊辦法。犯得著提防的是，之上那些體例雖各有利害，但跟著器件與集成本領連接地興盛，在各別的運用場景下，怎樣貫串本錢作出公道公道的比較是一個要害題目。

2. 各別傳輸隔絕場景下的光導纖維通訊體例

即使以傳輸隔絕與運用場景來分別，不妨將光導纖維通訊本領分別為各別的品種，個中典范的短隔絕光傳輸體例囊括數(shù)據(jù)重心光互連與接入彀體例的光傳輸鏈路。暫時普遍短隔絕光傳輸沿用 IMDD 的通訊辦法，跟著傳輸隔絕的減少，通訊辦法漸漸向關系通訊逼近。數(shù)據(jù)重心內(nèi)的光互連重要沿用鑒于筆直腔面放射萊塞（VCSEL）和多模光導纖維鏈路為主的 IMDD 體例 [22]，數(shù)據(jù)重心間的光互連局部沿用IMDD 的通訊辦法，局部將希望沿用徑直檢驗和測定與關系檢驗和測定過度計劃或簡化關系檢驗和測定計劃 [23]。而中長距傳輸體例囊括運用于城域網(wǎng)的鏈路，暫時都在漸漸向關系體例演進。長隔絕傳輸體例囊括：中心網(wǎng)傳輸鏈路和跨洋傳輸，那些屬于對傳輸本能訴求較高且本錢不敏銳的體例。

四、光導纖維通訊本領興盛預測

光導纖維通訊本領從首先的低速傳輸興盛到此刻的高速傳輸，已變成維持消息社會的主干本領之一，并產(chǎn)生了一個宏大的學科與社會范圍。此后跟著社會對消息傳播需要的連接減少，光導纖維通訊體例及搜集本領將向超大含量、智能化、集成化的目標演進，在提高傳輸本能的同聲連接貶低本錢，為效勞民生、助力國度建立消息社會表現(xiàn)要害效率。

（一）智能化光搜集

與無線通訊體例比擬，智能化光搜集的光通訊體例及搜集在搜集擺設、搜集保護及妨礙確診上面仍居于低級階段，智能化水平不及。因為單根光導纖維含量宏大（大概大于 100 Tbit/s），任一光導纖維妨礙的爆發(fā)將給財經(jīng)、社會帶來很大感化，所以搜集參數(shù)的監(jiān)測對將來智能搜集的興盛至關要害。此后這上面需關心的接洽目標有：鑒于簡化關系本領與呆板進修的體例參數(shù)監(jiān)測體例、鑒于關系旗號領會和相位敏銳光時域曲射（OTDR）的物理量監(jiān)測本領。

（二）集成本領與體例

器件集成的中心手段是貶低本錢。在光導纖維通訊本領中，經(jīng)過連接的旗號復活不妨實行旗號的短隔絕高速傳輸。然而因為相位和偏振態(tài)回復的題目，暫時關系體例的集成還較艱巨。其余，即使大范圍集成的光 – 電 – 光（OEO）體例不妨實行，也會明顯提高體例含量。然而限于本領功效低、攙雜度高、難以集成等成分，光通訊范圍不太大概普遍實行如全光 2R（再夸大、再整形）、3R（再夸大、再準時、再整形）等全光旗號處置本領。所以，在集成本領與體例上面，此后接洽的目標有：對空分復用體例的現(xiàn)有接洽雖已較充分，但知識界、技術界對空分復用體例要害器件尚未實行本領沖破，需進一步鞏固接洽，如集成萊塞與調(diào)制器、二維的集成接受機、高能效的集成光夸大器等；新式光導纖維大概會明顯拓展體例帶寬，但仍需深刻接洽以保證其歸納本能與創(chuàng)造工藝能到達現(xiàn)有單模光導纖維的程度；接洽通訊鏈路中可與新式光導纖維搭配運用的各類器件。

（三）光通訊器件

在光通訊器件中，硅光器件的研制已初見功效。但暫時海內(nèi)關系接洽多以無源器件為主，對有源器件的接洽較為微弱。在光通訊器件上面，此后的接洽目標有：有源器件與硅光器件的集成接洽；非硅光器件集成本領的接洽，如 III-V 族資料襯底集成本領的接洽；新式器件研制的進一步跟進，如兼具高速與低功耗便宜的集成鈮酸鋰光帶導 [24]。

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