我们网络带宽还能像过去几十年那样继续飞速增加吗？

2016-08-30 15:08

经过数十年来指数式的增长，光纤通信的速度可能遇到了瓶颈。
自二十世纪80年代以来，光纤中每秒可以传送的信息字节数已经增加了大约1000万倍。即使是在上个世纪末期电子技术飞速发展的前提下，这样的发展速度也是惊人的，甚至超过了。同时期集成电路芯片上的晶体管数量的增长速度。对于后者，有摩尔定律预测其增长趋势，光纤通信也需要这样的定律，就让我们把它称为凯克定律吧，以纪念唐纳德·凯克。他是低损耗光纤的共同发明者之一，并且推动了光纤通信容量的逐渐增长。也许，给这样的增长趋势和规律取一个有趣的名字，有助于为这一尽管不广为人知，却无比重要的工业成就吸引更多的目光。
摩尔定律吸引着所有的眼球，但是只有将它所代表的高速电子器件的发展，和光纤通信的发展结合在一起，才有了现在不可思议的“网络奇迹”。电子与电子之间的相互作用较强，这一特性对于数字和存储器中的高速开关电子器件来说是优势，而对于长距离信号传输，相互作用较弱的光子反而更具优势，它们结合起来，才实现了技术革命，才塑造了我们身处的这个时代。
现在，半导体产业面临着维持摩尔定律的巨大挑战，光纤光学在艰难地试图维持高速发展的趋势。过去几十年来，一系列技术进步使得通信行业的从业者可以不断地提高光纤通信网络的数据传输速率，但是，几乎所有容易改进的地方都已经到了极限，为了继续维持发展的态势，他们必须做出真正伟大的创新。

【图注】光纤数据容量在过去的数十年内始终呈指数式增长，图是根据唐纳德·凯克收集的数据绘制的，从中可以追踪到通常出现于商业应用之的突破性“伟大实验”，从图上可以看到在波分复用技术应用之前和之后（亮蓝色区域）通信容量的增长。
现在使用的光纤内芯是直径9微米的玻璃细丝，它对波长1.55微米的红外光几乎是完全透明的。在光纤内芯外面，包裹着超过50微米厚的玻璃覆层，相比玻璃内芯材料，它们的折射率较低。因此，在其中传播的激光信号就被限制在内芯之中，并且通过内反射沿着光纤曲折着向前传播。
这些激光脉冲信号以每秒20万千米的速度在光纤中飞快地传播——由于介质的存在，这里的光速只是真空光速的三分之二。除了原子核占据的极少空间，光纤内芯材料内部几乎是一片空旷，但是总还是会有光子撞上其中某个原子核，即发生散射。光信号传播

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