光的大飛躍——經過幾十年呈指數級的增長之後，光纖面臨著不確定的未來

自1980年以來，每秒可傳入光纖的比特數大約增長了1000萬倍。即使依據20世紀後期電子設備的標準，這也是了不起的成就。這一增長速度比同時期晶元上晶體管數量的增長還要快，就像摩爾定律所描述的那樣。?光纖內比特數的增長也應該有一個定律，它被稱為「凱克定律」，以此向唐納德?凱克（Donald Keck）致敬。他是低損耗光纖的發明人之一，並長期對光纖容量的顯著增長保持關注。也許，賦予這個趨勢一個稱號，會讓人們對這個世界上最默默無聞的工業成就引發關注。

摩爾定律或許得到了所有人的關注。但瞻博網路公司的首席技術官普拉迪普?信迪（Pradeep Sindhu）表示，是高速的電子設備與光纖通信的結合創造了「我們今天的網路奇蹟」。電子的相互作用很強，將其應用於邏輯和存儲的快速切換非常理想。而光子的相互作用較弱，這對於長距離傳輸信號則是完美的。它們共同掀起了一場技術革命，持續塑造和定義著我們的時代。

當前，電子領域面臨著如何維持摩爾定律活力的巨大挑戰，與此同時，光纖也在為保持這一勢頭而努力。在過去的幾十年中，一系列新的發展使得通信工程師們能夠繼續增加光纖網路的帶寬。但能輕易獲得增益的時代已經過去了。為了繼續前進，他們需要想出一些相當傑出的創新辦法。

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目前光纖連接的核心是纖芯：一條直徑9微米的玻璃繩，幾乎能被1.55微米的紅外光完全穿透。這個纖芯被50多微米的玻璃包層包圍，這種玻璃包層具有較低的折射率。通過纖芯傳輸的激光信號被包層包裹在內，並進行內反射。

這些光脈衝以約20萬千米/秒的速度沿光纖傳輸，傳播速度是真空中光速的三分之二。光纖幾乎是完全無阻的，但不時會有一個光子在纖芯中彈出一個原子。光的傳播時間越長，光子彈出的原子就越多，能量就會散射到周圍的包層和保護塗層中。50千米後，大約會損耗90%的光，主要就是由於這種散射。

因此，通信工程師每隔一定時間就需要增加光的強度，但這種方法有其自身的局限性。強大的、剛剛激增的信號與光纖中的玻璃之間的相互作用會導致這種長距離傳播信號的失真，這好比空氣中的霧霾會使遠處的物體比近處的更模糊。這些失真現象被稱為非線性的，因為光的強度加倍，失真不會相應加倍，而是會以更快的速度增加。當光足夠強時，失真現象可能會將信號淹沒在雜訊中。儘管有散射和失真問題，光纖的故事仍是一部探尋提高數據速率和增加傳輸距離的傳奇。

首條光纖信息是通過簡單地切換激光源的通斷進行編碼的。工程師們在切換速度上進行了一些穩步的改進。至20世紀80年代中期，也就是商業光纖網路來臨之前的幾年，上述策略被用在幾十千米的玻璃內，以每秒數百兆的速率傳輸數據。

為了讓信號在50千米的距離外繼續傳輸，人們那時採用了一個中繼器。中繼器會將光脈衝轉換為電信號，將其清理並放大，然後在下一段光纖中用另一束激光重新傳輸。

這種電光再生過程是繁瑣且昂貴的。幸運的是，很快就出現了一個更好的方法。1986年，英國南安普敦大學的戴維?佩恩（David Payne）證明，有可能在光纖中直接對光進行放大，而不藉助外部電子設備。

佩恩在光纖纖芯中增加了一些被稱為為鉺的稀土元素。他發現，利用激光激發鉺原子，可以放大波長為1.55微米的入射光——這時光纖最為透明。到了20世紀90年代中期，包含摻鉺光纖的放大器已被安裝，用於延伸光纖的傳輸距離。根據放大器間距的不同，一系列放大器可以在500至幾千千米之間中繼信號。在此之後，信號會被轉換為電子信號，在更昂貴的設備內完成信號的除噪和再生。如今，鉺光纖放大器鏈條被用於拓展大洲間或海洋內的光纖連接。

現代光纖：基礎知識

電子信號在源頭被轉換成光信號，並發送到光纖。由特殊摻雜的纖維所製成的光放大器會增強信號。在一個交換中心裡，一台接收器會從載波中提取信號，並將其轉換成電子形式。一個交換機將信號分割並指引到發射器。發射器會將輸入轉換為光信號，這些光信號會沿著光纖傳送到下一個目的地。

鉺光纖放大器的出現開啟了提高數據傳輸速率的另一扇大門：多波長通信。在一定的波長範圍內，鉺原子都可對光進行放大。當波長在1.53至1.57微米時，鉺原子對光的放大作用是相當均勻的。這可是相當寬的頻帶，足以在同一光纖中載入多個信號，而每個信號有對應自身波長的狹小得多的頻帶。

這種多波長的傳播方式被稱為波分復用。波分復用連同激光信號切換速度的進一步提升，帶來了20世紀90年代中後期的容量激增。到2000年，光纖傳輸系統已經商用，可以放大多達80個獨立的信號，每個信號每秒可承載10吉比特的數據量。在現實中，當然沒有人需要那麼大的傳輸容量。因此，傳輸系統在安裝時，只採用了少數幾個的波長，並為以後添加更多頻道留出選擇。

光指數

光纖容量多年來取得了指數增長。在唐納德?凱克所編製的這個圖表中，數據記載了各項破紀錄的「英雄實驗」。這些「英雄實驗」通常是先於商業應用的。這一圖表展示了引入波分復用技術的前後（淺藍色區域）光纖容量的提升狀況。

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隨著21世紀初互聯網的騰飛，網路運營商為現有光纖增加了更多的波長。但是，大約10年前，人們清楚地看到，信號編碼的傳統方式已達到了極限，如果沒有新的技術或更多的光纖，部分路線的容量會很快飽和。開關信號每次只能攜帶1個比特的數據（在給定的時間間隔內，超過1個閾值功率的光值通常代表1，低於閾值的光代表0）。對於這種編碼方式，要想在每秒攜帶更多比特，唯一的選擇就是採用工程師處理信號的傳統做法：縮短每個脈衝或無脈衝的時長。

不幸的是，脈衝越短，就越容易受到被稱為色散的光學效應的影響。這與稜鏡將光散射出彩虹的顏色是同一類現象，色散的產生是因為不同波長的光在玻璃中的傳播速度不同。即便是頻譜內波長已經相當接近的激光脈衝，在穿過光纖時也會出現色散。而隨著脈衝的色散，它們會彼此干擾。當數據速率增加並且連續脈衝間隔變短時，問題會更加嚴重，其結果是，在信號需要被清理和再生前，能夠以10吉比特/秒的速度將數據傳遞1000千米的光纖將以100吉比特/秒的速度將數據傳遞10千米。

人們設計出了改良的光纖來減少脈衝的色散，但對現有光纖網路進行替換是很昂貴的。截至2001年，互聯網泡沫時期的過度建設留下了大量未使用的「暗」光纖。幸運的是，工程師們有其他手段，包括先前用於將更多無線和無線電信號壓縮至狹窄無線電光譜的兩項技術。

一是改變信號進行編碼的方式。使激光一直保持開啟的狀態並調製其相位（即波峰和波谷的到來時間），而不是開關激光。這種數字相位調製最簡單的方式是使波峰在波的自然抵達時間提前或錯後四分之一波長，或90度。那麼代表1 的波在波峰時，代表0的波就在波谷。這種方法仍然會產生兩個比特，但信號的容量可以通過組合兩個波而翻倍。它們一起使相位小幅增長，即+135、+45、-45或-135。這4個結果狀態可用於表示4個可能的兩比特組合：00、01、10和11。

2007年，貝爾實驗室和威瑞森公司採用了這種被稱為差分正交相移鍵控的方法，威瑞森公司在佛羅里達州的網路中，通過大約500千米的光纖以100吉比特/秒的速度發送數據。這在當時是值得稱道的，但對於威瑞森而言，這一結果還不夠完美。像其他長途運營商一樣，威瑞森希望信號能夠在其主力主幹系統電纜中傳輸1000至1500千米，而無須中途利用昂貴的再生裝置。

幸運的是，第二項技術能夠跨越這一距離。這項技術利用了相干性這一激光光源的內在特性。相干性意味著，你在任意點切斷波束，會發現所有的波都具有相同的相位。波峰和波谷都一致地運動，就像士兵在遊行隊伍中行進一樣。

相干性可以被用來顯著提高接收器提取信息的能力。這種方法是把輸入的光纖信號與接收器內所生成的相同頻率的光結合在一起來工作。由於具有清晰的相位，本地生成的光可以被用於幫助確定雜訊較大的輸入信號的相位。然後，載波會被過濾，留下之前被載入的信號。接收器會將剩下的信號轉換成1和0的電子形式，包含被傳遞的信息。

在紅外線上實現此類相干接收要比無線電波更麻煩些；匹配輸入光信號的頻率，對於光接收器來說並不容易。在21世紀初，隨著先進數字信號處理器的發展，這種情況有所改變。改進後的處理器使接收器能夠處理本地光與輸入信號之間的失配，重構信號的相位和定時，並校正傳輸途中發生的脈衝擴頻。

總之，正交編碼和相干檢測——以及利用光的兩種不同偏振來進行傳輸的能力——使光纖達到了它們目前的極限。今天，新的發射器和接收器系統允許單個光信道（單一波長）遠距離承載100吉比特/秒的數據，而所用的光纖最初是被設計用於承載10吉比特/秒的數據的。並且由於一條光纖通常可以容納大約100條信道，光纖的總容量可以接近每秒10太比特。

正交相移鍵控

光波的相位（波峰和波谷的到達時間）可以用來進行信息編碼。在正交編碼中，4個相位 （頂部和中部的波）可組合成4種不同的2位組合（底部的深藍色波）。

在各個地區、國家以及國際電纜系統中，1990年後所安裝的大多數光纖都與此技術兼容。在過去的6年中，很多骨幹網已經完成了升級，能夠以此速率傳輸信號。研究公司TeleGeography的高級分析師埃里克?科銳菲爾特（Erik Kreifeldt）表示：「在長途陸地傳輸中，這項技術的使用量在大幅增長，大部分（即使不是所有）的跨洋海底光纜都升級到了100吉比特。」

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要對這些數字有個大致的概念，可以想想美國訊遠通信公司（Ciena，位於馬里蘭州漢諾威）最近的光纖系統。該系統可以傳輸96個信道，每個信道能以100吉比特/秒的速度將數據傳輸數百至數千千米。所有這些加在一起可達9.6太比特/秒——足夠38.4萬人從Netflix上下載超高清流媒體。而這只是一條光纖；今天的光纜可以搭載十幾條至幾百條光纖。

但是，除了21世紀初科技泡沫破裂後的那個短暫時期，世界一直處於帶寬不足的狀態下。思科最近的一份報告稱，從2010年到2015年，全球互聯網流量增長了5倍。而隨著視頻流和物聯網的不斷發展，這一趨勢很可能會繼續。

所以，開發者們正在考慮他們的選擇。

一種想法是採用更先進的信號編碼技術。目前使用的正交相移技術會在每個信號間隔編碼兩個比特，但Wi-Fi和其他無線系統使用的編碼更複雜。例如，普遍使用的16-QAM編碼可以攜帶4個比特的16個可能組合，從0000到1111。一些有線電視設備採用的是256-QAM。

這種先進的編碼方法確實可以應用於光纖，但正如你所料，這裡會有一個權衡。編碼越複雜，信息就被打包得越緊密。信號對擾動的容忍度降低，隨後信號的不同部分出現在錯誤的地方。加大功率會有所幫助，但也會造成非線性失真，失真會隨著距離增加而加重。其結果是，系統製造商普遍認為16-QAM僅用於相對較短的連接——最多幾百千米。

對於較長距離的光纖，工程師們想出了一個將信道更緊密地壓縮在一起的辦法。這樣做是有空間的：今天，先進的長途光纖可能包含幾十條信道，但它們在相鄰信道之間預留了未使用的波長，以防止串擾。如果移去這些緩衝區，更多的信道就可以被打包到每根光纖中，形成系統工程師們所謂的超級信道，在光纖頻帶內部的每個波長上進行傳輸。訊遠通信的產品和技術營銷總監海倫?謝諾絲（Helen Xenos）表示，這種變化可以將傳輸效率提高30%。

問題的關鍵是要找到一種方法來編碼信號，使信號不會相互干擾。而目前，至少有幾家企業已經找到了使其生效的辦法。2013年，訊遠通信公司和英國電信集團將多個沒有緩衝區的信道打包在一起，在倫敦和伊普斯維奇市之間打造了一條410千米長的800吉比特的超級信道。訊遠通信公司表示，至少有一家客戶公司已在越洋光纜的光纖上著手部署超級信道系統。

訊遠通信公司稱，他們是利用獨立的晶元來生成每個激光信號的。但所採用的晶元也可以結合到一個晶元上，這可能是更緊湊、更便宜的方法。英飛朗公司的解決方案和技術總監傑夫?班尼特（Geoff Bennett）表示：「我們的秘密武器是我們的光子集成電路技術。」 班尼特說，該公司在2014年展示了一條短程的1太比特超級信道。這是通過將10台激光發射器與一個單光子集成電路結合所製成的。他說，未來的系統應該能夠將長途網路中的光纖容量提升到12太比特/秒——而在大都市地區的短程系統，這一速率應該翻倍。

實現這種12太比特/秒的超級信道仍然需要幾年時間。但是，當它們到來時，對於目前已安裝的光纖而言，這很可能是最後的容量提升。這是因為，這些光纖將接近所謂的非線性「香農極限」的根本性障礙。非線性香農極限是一個極限理論的延伸。信息理論學家香農在1948年提出，在給定帶寬和信噪比的情況下，一條傳輸信道僅可以無誤差地攜帶一定量的信息；非線性信道則還包括一個額外的因素：在玻璃（而非空氣）中的非線性效應所產生的雜訊淹沒信號之前，信號功率可以被提升多少是有限度的。

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非線性香農極限是無法迴避的。但是，當要安裝更多的光纖時，運營商會有其他選擇。英飛朗公司的班尼特表示，「最常用也最為人所知的改變」就是簡單地採用更大纖芯的光纖。早期設計的光纖纖芯較小，在很大程度上限制了光能夠利用的路徑數量。使用較小的纖芯有利於防止信號中的光子以不同角度從纖芯-包層交界面彈起。如果一個脈衝中的光子出現這種情況，光子們會採用不同的路徑——一些較長、一些較短——傳播脈衝，那麼就會干擾到下一個脈衝。

新的光纖設計使用了新型纖芯微結構，例如光子晶體，以使光在纖芯中遵循相同的路徑。相比於9微米的標準光纖，這種新型光纖的橫截面面積是其兩倍。因為信號在橫截面方向有了更大的通過空間，其能量密度就會降低。能量密度降低使得非線性失真減少，而這種非線性失真限制了傳輸距離和速度。最終結果就是增加了數據傳輸速率；班尼特說，未來的版本可能會使容量提升10倍之多。

這些較大纖芯的光纖目前已得到了部署，主要是用于海底電纜，因為那裡的傳輸容量是最珍貴的。而且它們通常是新連接的好選擇，班尼特說：「如果有人正在計劃部署新的地面光纖，他們也應該部署大面積光纖。」雖然它們很有吸引力，但大纖芯光纖並不能完全消除非線性失真的問題。

一個潛在的、更加有前途的方法是創建多個並行路徑，不同的光信號可以在這些路徑上傳輸。開發者稱之為空分復用，因為這一策略將傳送的數據分割到了不同的物理路徑中。

空分復用這個詞實際上是指3種非常不同的並行傳輸。最簡單、最顯而易見的方法是通過在電纜中增加更多的光纖來增加更多的物理路徑。多纖電纜已得到了廣泛使用，但提升容量是昂貴且複雜的，因為電纜中的每條光纖都需要有自己的發射器、接收器和放大器。

如果工程師們能夠找到一種方法，將不同的光路徑以緊湊的方式集成到同一條光纖中，或許能取得很大的成果。要做到這一點，一種方法是構建包含多個導光纖芯的光纖，這些導光纖芯要沿著光纖的長度延伸。與普通的光纖一樣，製造多芯光纖首先要在圓柱形「預型體」中組裝所需的材料，然後將其加熱，使玻璃可以被拉成一條細長的纖維。

多纖電纜中的每條光纖都需要一個單獨的光纖放大器，而多芯光纖可以只有一個多纖芯放大器。一個8纖芯放大器的成本可能會比8個光纖放大器的成本低得多。

另一種方法是製造一個以幾種不同的方式（模式）來引導光的纖芯。兩種不同模式的光信號可在光纖中彼此經過，但在光纖的末端，它們可以彼此分離。

要在光纖中創造多種模式，每個信號的模式在進入光纖時必須被打造出合適的截面。每種模式需要由它自己的激光產生，而接收端的光學和電子儀器必須能夠將模式分離開來。在無線電系統中，這種分離已經通過利用多輸入/多輸出天線實現了。

模式

具有不同「模式」（不同空間曲線）的信號可以被發送到同一條光纖中以提高容量。在同一模式的不同點，波截面的光強不盡相同。上圖中的上部分是光信號在傳入光纖時的模式採樣，下面的條狀圖展示了同一模式在傳播時的不同狀態。

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迄今為止，多模和多芯光纖傳輸仍處在開發的早期階段。目前已完成了多項實驗室測試，這些測試被稱為「英雄實驗」，因為它們是為了打動記者或上級而進行的破紀錄測試。這些演示表明，每種方法都有可能顯著提升光纖容量。它們一起可能會將容量提升好幾百倍。

但需要利用這些方法的系統還不實用，仍然存在一系列的問題。班尼特說：「基本上，目前所有的空分復用技術都有自己的致命問題。」例如，對於多芯和多模光纖，僅是將光纖末端連接到發射器和接收器就遠比實現標準光纖的連接更複雜。這兩種情況都需要更高的機械精度。要非常仔細，確保光以預想的方式進入。而對於需要多芯放大器的多芯光纖，每個系統中的纖芯必須要精確匹配。

較大纖芯的光纖（例如這條）採用新的結構，以幫助限制信號，同時提升容量。

班尼特表示，除非有工程上的突破，「啟動另一根光纖總是更容易些的——服務提供商一直這麼告訴我們」。

彼得?文策爾（Peter Winzer）是貝爾實驗室的傑出技術人員，也是高速光纖系統的帶頭人，他也認為安裝擁有更多光纖的新電纜是最簡單的方法。但是，在最近的一篇文章中，他警告說，這種做法將增加電纜的成本，可能會不受電信公司的歡迎。它不會像原先的技術進步那樣降低每比特的傳輸成本。

新想法仍在不斷湧現。2015年6月，加州大學聖地亞哥分校的尼古拉?亞力克（Nikola Alic）及其同事報道了一種方法，利用光學頻率梳來增加光纖傳輸距離。光學頻率梳可以自然鎖定激光間的相對波長，消除抖動並提高信號質量。亞力克表示，利用頻率梳，「我們至少可以將任何系統的數據傳輸速率翻一番」。文策爾說，「這是非常好、非常紮實的工作」，但他懷疑這種方法的實際影響會有多大，因為開發者希望有更大的增長。

接下來會發生什麼？電信運營商忙著安裝100吉比特的相干系統。超級信道將使最大容量提升30%左右，而空分復用看起來像是實現下一次容量飛躍的最佳選擇。但是，在那之後，誰知道呢？

或許一些過去的理念會翻出新花樣。最終在2010年左右被採用的相干傳輸實際上是20世紀80年代的一個熱門話題，但當時它敗給了已準備好部署的其他技術。光子學研究的土壤中可能會孕育出全新的東西，而且我們總是可以鋪設更多的光纖。無論如何，世界對於數據的渴望會讓工程師們努力工作，不斷拓展帶寬。

作者: Jeff Hecht

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