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。光信号传播的距离越长，被散射的光子就越多，它们逃逸到外面的覆层和保护层，导致信号衰减。一般经过50千米的传播，90%的光信号就在衰减中丢失了，大部分是由于散射效应。
因此，我们需要在一定的距离间隔中加入中继站来增强光信号，但是这样的方案有它自身的局限性。当一个光信号通过中继站放大之后再次传入光纤时，光与光纤内芯之间的相互作用会导致信号畸变，而这样的畸变随着距离的增加会越来越显著，打个比方来说，就像是在迷雾中，近距离的物体我们还可以看得比较清楚，但是距离增加，就越来越模糊了。这种畸变现象是非线性的，当信号强度加倍时，畸变量并非同样加倍，而是可能增长得更快。所以当一个信号通过中继站放大，如果放大的强度过大，产生的畸变就会将信号本身淹没在一片噪声中。针对光纤的研究主要就是寻找方法，争取在避免散射和畸变的同时，提高信号的信息容量和传播距离。
最开始的时候，光纤通信简单地用激光发射源的开和关来编码1和0。工程人员不断地提高光源的开关频率来提高信息的传送速率。到了20世纪80年代中期，光纤通信网络刚刚实现商业化没几年，这样的方案可以实现跨越数十千米，每秒几百兆bit信息的传送。
为了把信号传输距离延伸到50千米之外，需要一个中继器来放大已经严重衰减的信号，中继器先将光脉冲信号转化为电信号，滤除噪声，然后放大，最后将电信号转化回激光信号，送入下一段光纤。
这样的光电转换过程复杂且昂贵。幸好，在1986年，英国南安普顿大学的David Payne发明了一种更好的方法，在他的方案里，光信号可以直接在光纤中完成放大，而不需要外部电路。
Payne在光纤内芯中掺入一些稀土元素铒，他发现用激光照射铒原子使其进入激发态的，可以放大1.55微米波长的入射光，恰好是光纤所用的透射率最高的波段。到了90年代中期，用掺有铒的光纤制成的信号放大器已经被应用于长距离光纤通信。每隔一段距离设置一歌放大器（具体间隔取决于通信距离），可以实现500到数千千米距离间的光纤信号传送，更远的距离就需要更高成本的电路系统来滤除噪声和重制信号了。如今，铒光纤放大器组成的链条可以让光信号通过光纤穿越大洲大洋。
掺铒光纤放大器的出现，为提高通信容量提供了一条新的途径：多波段通信。铒原子实际上可以在一个波长范围内放大光信号，并且在波长1.53至1.57微米内放大倍数非常均匀。这个范围足够将多个信号集合在同一光纤内了，只需要给它们分配不同的窄波段。

【图注】在图中左侧的信号源中，电信号被转化为光学信号，然后传入光纤中，每隔一段距离，就有掺杂了特殊材料的光纤制成的光学放大器来增强信号。在光纤的末端是接收器，接收器将光信号分为载波和数据本身，提取其中的数据分量，将其转化为电信号，然后通过选择器传入到不同的转换器中，再变为光信号传出，向下一个目的地传送。
多波段通信方案被称为波分复用技术（wavelength-divison multiplexing），它和激光信号开关频率的不断增加，促成了90年代中后期光纤通信通信容量的爆炸式增长。到了2000年，一个商业化的光纤通信系统可以同时放大80个独立的信号，每个信号携带着每秒10000兆位（10Gb）的数据。实际上在那个时候，没有谁需要这样的通信容量，所以当时只有一部分的波段被使用，而其他的波段可以日后再加入进去。
随着2000年以后互联网的飞速发展，网络运营商在已有的光纤通信系统中加入了更多的波段。但是很快，传统的信号编码方式已经达到了它的极限，如果没有其他新的技术或者更多的光纤，现有的系统很快就会饱和。开或关形式的信号一次只能发送1bit数据（如果光信号强度高于某个阈值，就表示1，如果低于某个阈值，就表示0）。这种编码方法如果想增加通信容量，唯一的方法就是工程研究人员一直致力争取的：更短的脉冲，或是更短的脉冲间隔。
但是，脉冲信号越短，信号就越容易受到色散效应（dispersion）的影响。色散效应，是指不同波长的光在介质中传播速度不同的现象，比如说，通过三棱镜将太阳光分为彩虹色带就是利用了色散效应。它的原理是不同波长的光在介质中速度不同。尽管光纤通信中采用的激光脉冲单色性已经非常好了，但依然不是绝对的单色光，随着传播它仍会因色散而变宽。当两个原本相隔一段时间的脉冲信号在传播过程中变宽，就会互相干扰。这样的问题随着通信容量的增加，也就是相邻脉冲时间间隔的降低，会愈发严重。结果就是，在10Gb/s的通信容量下传播1000千米后才需要进行信号过滤和重制的光纤，在100Gb/s的通信容量下只能传播10千米。
更高质量的光纤可以有效减少色散的影响，但替换现有光纤网络的成本是难以承受的。到2001年，大量由于互联网泡沫而过度建设的光纤网络资源处于闲置状态，它们被称为“黑暗”光纤。幸好工程师有其他的办法，包括两种之前用来把多个无线电信号压缩在一个很窄波段内的方法。
其中一个方法改变了信号的编码方式。在这一方案中，数据的0和1不再是由激光的开或关来表示，激光光源是一直开启的，调制的是光波的相位，即波峰和波谷到达的时间。最简单的数字信号相位调制方法就是将激光的波峰相比于正常情况提前四分之一波长，按照相位来说就是提前90度。如果用正常相位表示0，那么提前了90度的时候表示的就是1。用这个方法，激光一次发送的仍是1bit，但将两束波叠加起来，信号容量就能加倍。叠加起来后的激光，相位偏移可以细分为135度、45度、-45度和-135度四种相位，就可以分别表示两bit的四种情况：00、01、10和11。
2007年，贝尔实验室和Verizon公司使用了这种方案的一个变体，叫做正交相移键控（quadrature phase-shift keying），在Verizon位于佛罗里达州的通信网络实现了500千米100Gb/s通的信号传输。这是很大的进步，但是对于Verizon公司来说仍然不够，他们希望主干光纤网络可以像其他长距离载体一样，能够在把信号传送1000~1500千米，而不需要昂贵的中继器。
幸运的是，第二种方案可以帮助光纤通信跨越这个传输距离的鸿沟。这种方法利用了激光的固有特性，相干性。相干性是指，将一束激光分为两束，它们的相位将永远相同，波峰和波谷永远重合，就像行进队列中的士兵。
利用相干性可以大幅度提高接收器的提取信息能力。这个方法将接收到的信号和接收器产生的相同频率的信号叠加，接收器产生的信号非常纯净，或者说接近理想情况，通过它可以判断接收到的信号的相位，后者经长距离传输后噪声较大。然后，信号的载波被滤除，留下信号本身，接收器将它转化为电信号，携带着当初发送的编码为1和0的信息。
要在红外光波段信号上使用这种本来用于微波通信的方法，会更加困难，因为要使得接收器产生的光信号与接收信号的频率匹配更加困难。随着先进数字信号处理器的发展，在21世纪初，这一问题得以解决。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。

【图注】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。
未来怎样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。

【图注】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最后一次大规模的容量提升了。这是因为我们即将面临一个根本性的技术壁垒，叫做非线性香农极限（nonlinear Shannon limit）。香农极限是由信息学家克劳德·香农1948年提出的，他指出，信道存在一个由带宽和信噪比决定的，能够正确传输数据的最大容量。而非线性的香农极限还包括了另外一个因素，即信号功率的极大值，超过这个值，非线性效应（在玻璃中才会出现）就会导致过大的噪声将信号淹没。
没有什么办法可以突破非线性香农极限。但在建设更多的光纤设施，光纤载体本身还是有改进的余地的。“最成熟也是最容易理解的办法”，Infinera公司的Bennett提到，就是把光纤内芯做得更大。早期的光缆内芯很小，很大程度上限制了光信号的传播路径。较小的内芯有助于避免光子在内芯和外部覆层之间的界面上以不同的角度反射，如果不同的光子以相差很大的角度在界面上反射，它们在光纤中行进的距离就有差异，有的长，有的短，就会造成脉冲展宽，导致相邻脉冲重叠。
新型光纤设计中，采用了新型内芯微结构，比如光子晶体材料，同样可以限制光线，使其在内芯中以相同的路径向前传播，而光通路的横截面积是标准9微米光纤的两倍。由于光信号有更多的空间和横截面可以通过，它单位面积的能量密度就可以降低，这有助于降低非线性畸变，减少这一效应对于传输距离和速率的制约。最终的结果就是可以提升通信容量，Bennett提到，未来这类光纤有望把通信容量提升十倍左右。
这些大内芯光纤已经得到应用，大部分是配置在海底光缆中，在这些地方数据传输容量的增加是最有价值的。一般来说，它们也是一些新网络的选择之一。Bennett提到，“如果有人正计划建设新的地面光缆，他们也许也需要大内芯光纤。”虽然它们很具吸引力，但是大内芯光纤并不能完全消除非线性畸变的问题。
另一个更被看好的方案是在一根光纤内制造许多平行的光信号通路，供许多独立的信号传播。研究人员称它为空（间）分复用（spatial-division multiplexing），这里是将物理空间分割成很多部分，供多个信号同时使用。
这个术语实际包括了三种不同的并行信号传输方式。其中，最常见也最简单的并行模式就是更多物理层面的光学通路即单根光缆中更多光纤的叠加，多光纤光缆已经得到了广泛应用，但是对现有光缆进行这样的替换升级耗资巨大，且技术复杂，这是因为单根光缆中的多条光纤，需要各自的发射器，接收器和信号放大器。
更理想的方法是在一根光纤中集合多个分立的光信号通路。其中一个途径是采用可以容纳多个光波导内芯的光纤。就像普通光纤一样，多内芯光纤首先将光纤内芯材料放在一个圆柱形的预型件中，然后加热，通过牵拉就可以形成又长又细的玻璃内芯。
多光纤光缆需要各自独立的放大器，与之不同，多内芯光纤只需要使用一个特制的放大器，而一个8内芯放大器的成本远低于8个单光纤放大器。
还有一种方案，就是让光纤内芯引导激光按照几种不同的方式（称为模式）传输。两种不同模式的光信号在光纤中可以穿过对方，但在光纤的末端可以分离出来。
为了在光线中实现多模式，需要让不同模式的信号在光通路横截面上的投影形状不同。某一模式的信号由特定的激光发射器产生，经过接收器的光学和电学处理，可以从多模式信号中分离出来。这样的分离技术，早已在多输入/输出射频天线中得到应用。
目前，多模式和多内芯光纤通信仍在发展初期。而有几个实验室的测试，被称为“英雄实验”，因为它们创下了光纤通信水平的历史新高，给记者和管理者留下了深刻印象。这样的实验结果表明，它们都具有很大的发展潜力，可以进一步提高光纤的通信容量。这些技术集合在一起，就可能把通信通信容量再提高几百倍。
但是，要应用上这些技术，现有的系统还无法满足要求，还有很多实际应用方面的问题有待解决。“基本上，所有的空分复用技术现在都还有很明显的问题。”Bennett这样认为。比如说，对于多内芯和多模式光纤，光纤前端与发射器的连接，光纤末端与接收器的连接，都比目前的标准光纤技术要复杂许多，对于它们来说，需要更高的机械精度，来保证不同的光信号进入特定的内芯，或者形成特定的模式，这需要每个系统都以更高的精度连接。
除非能够取得工程技术层面上的突破性进展，“否则，最简单的还是再增加一根光纤，这就是光纤通信服务供应商告诉我们的事实。”Bennett提到。
Peter Winzer是贝尔实验室技术部门的著名成员，是高速光纤系统的行业领导者，他同意，铺设容纳了更多光纤的新光缆，的确是最简单的方法。但是在最近的文章中，他警告，这样的方法会增加成本，因此可能不会成为通信公司的最佳选项。
新的点子还在不断涌现。2015年6月，加州大学圣迭戈分校的Nikola Alic和他的同事报告称，利用光学频率梳（optical frequency comb），他们成功提高了光纤通信距离。这种技术可以根据一束激光的波长锁定另一束激光的波长，从而消除毛刺，改善信号质量。“利用这一技术，我们至少可以将任何系统的通信容量提高一倍。”Alic提到，Winzer也认为，“这是很好很扎实的研究成果。”但是他同时也对于这一技术是否足以让开发者心动表示怀疑，毕竟他们期望可以获得更显著的通信容量增长。
接下来会发生什么呢？现在的通信业者正在加紧建设100Gb相干系统。超级频段系统可以将最大通信容量提高30%左右，而空分复用技术看上去会是下一次重大突破的最佳候选技术。但是除了这些，谁知道还会有什么呢？
也许，一些旧瓶装新酒式的创新会出现。相干信号传输技术，在上世纪80年代成为研究热点，在2010年左右得到广泛应用，但是很快就被其他新技术赶超和取代。可能会有全新的技术从光子学研究的肥沃土壤中萌芽。而我们总是需要更多的光纤，无论如何，全世界对于数据传输速度和容量进一步提高的渴求，会促使研究者们竭尽全力去继续扩展带宽。
撰文Jeff Hecht
翻译刘卓
【来源：《科学美国人》中文版《环球科学》】

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