网络带宽还能像过去几十年那样继续飞速增加吗?

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DavidPayne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-divisonmultiplexing),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。

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