科技日报2019年4月24日讯 130TB数据1秒传完！这是我国光纤通信传输创下的最新纪录。前不久，我国科研人员首次实现1.06Pbit/s超大容量单模多芯光纤光传输系统实验，其传输容量是目前商用单模光纤传输系统最大容量的10倍。
那么，光纤通信的传输速度为何能如此之快？光纤通信又是什么？相比其他通信手段，它的优势和短板是什么？目前该技术主要被应用于哪些领域？
用玻璃纤维中的光传送信息
作为一种有线网络，光纤通信无法满足移动的需求。日常生活中，我们的手机通信用的是无线网络，光纤通信的存在感似乎并不强。
“但实际上，90%以上的信息传输是借助光纤完成的。手机通过无线网络与基站连接，而基站间信号的传递大部分依赖光纤。”光纤通信网络技术国家重点实验室光系统研究室副主任贺志学在接受科技日报记者采访时说。
光纤就是光导纤维，它细如发丝，可被直埋、架空，亦可被置于海底。因其轻盈、便捷、制作原材料成本低，最终替代了笨重的电缆成为主流的信号传输介质。
简单来说，光纤通信就是光通信。常见的光通信应用有望远镜、红绿灯等，它们利用大气传播可见光，属于视觉传输。光纤通信则是利用玻璃纤维中的光传送信息。
一位光纤通信从业者告诉科技日报记者，与电信号相比，光信号在传播过程中衰减得很少。他解释道：“比如，光信号跑100公里后，原来的信号会从1衰减至0.99，而电信号则可能只跑1公里就从1衰减至0.5。信息衰减越快，就越容易失真。”
从原理上来看，构成光纤通信的基本物质要素是光纤、光源和光检测器。光纤按用途分类，可分为通信用光纤和传感用光纤。
容量大、远距离传输能力强
据介绍，光纤宽带接入的最终方式是光纤到户，即直接把光纤接到用户所需的地方，进而使其可利用光纤获得大量的信息。
“无线通信方式易受电磁干扰，而电缆传输方式铺设成本高。相较之下，光纤通信具有容量大、远距离传输能力强、保密性好、适应能力强等优势。而且光纤体积小，易于施工和维护，原材料价格也比较低。”贺志学表示。
虽然光纤通信具有以上优点，但自身的短板也不容忽视。比如，光纤质地脆、容易断裂。另外，切断或连接光纤需要使用特定的设备。需要注意的是，城建施工或自然灾害很容易造成光纤线路故障。
在实际应用中，光纤传输的实现主要依赖光发射端机和光接收端机。光发射端机能够对电光信号进行有效调节和转换，从而使电信号转换为光纤携带的光信号；光接收端机进行反向转换，还能够解调出电信号。光接收端机和光发射端机由连接器与光缆连接，从而实现信息的发送、传输、接收和显示。
相关高端制造设备依赖进口
常用的光纤主要是标准单模光纤，理论上其在单位时间内的信息传输速度约为140Tbit/s。如果传送信息速度达到此极限，就会造成信息拥堵。单模光纤通常是指只能传一种模式的光纤。
目前，标准单模光纤通信是运营商常用的通信方式之一，该方式的传输容量是16Tbit/s，还没达到理论上的极限值。“今年年初刷出的新纪录1.06Pbit/s，是单模光纤通信技术取得突破的结果，但这样的速度短时间内难以在商用中实现。”贺志学说。
在技术上，相比单模，多芯光纤传输模式在实现高速率上具备更大的优势，但这种模式目前来说还很前沿，在核心技术、关键器件、硬件设备方面尚需要进一步突破。
“5年至10年后，在应用需求的推动下，1.06Pbit/s超大容量单模多芯光纤光传输系统关键技术可能会率先应用于某些特殊场景中，比如跨洋传输和一些大型的数据中心。”贺志学说。
目前，我国光通信技术可以比肩国际先进水平，但仍面临不少难题。比如相关工业基础薄弱，缺乏原创性和自主性技术，光纤原材料不足。“目前，制造拉丝、绕纤等光纤材料所需的高端设备都依赖进口。”贺志学说。
同时，与光纤通信相关的高端器件、芯片，也主要被美国和日本等发达国家把持。
对此，贺志学建议，要加强相关基础理论研究，做好核心技术的长远布局，预测技术发展趋势，跳出“跟踪—落后—再跟踪—再落后”的技术迭代怪圈。
此外，贺志学强调，要加大在高端芯片、高端器件研发、设计、加工方面的投入力度，激发研发人才积极性，着力保护原创性成果。“特别是要做好顶层设计，在人力、基础设施、政策方面实现协同创新，提升相应产业配套能力。”他说。
延伸阅读
5G对光纤通信速率提出更高要求
5G脚步临近，加上即将迎来爆发阶段的物联网，用户端将产生海量数据，信息传输压力水涨船高。
从技术角度来看，5G通信包括无线通信和有线通信这两部分。5G时代，大量数据信息都需利用光纤进行传输。那么，光纤通信能抗住未来庞大的任务量吗？
“若把光纤看作一条条路，想在单位时间内增加车辆通过数量，有两种办法：一是拓宽道路，二是加快车辆的行驶速度。”贺志学说。
如何拓宽道路呢？目前的主流做法是，以空间换时间——在“路口”多修岔路或修“地铁”、架“高桥”。
“前不久，中国信息通信科技集团有限公司科研团队首次实现1.06Pbit/s超大容量单模多芯光纤光传输系统实验。他们的做法就是在光纤‘路’上建多座‘立交桥’，把单模光纤信道建成19层芯的信道，如此可保证在快速传输数据的同时，各条信道互不干扰。”贺志学说。
但铺设这样的立体信道难度不少。因为19芯的信道意味着信号收发系统比此前的单模光纤信道复杂19倍以上。
“这对于光传输系统技术、光器件和光芯片技术都提出了更高的要求。”贺志学解释道，硅光收发模块芯片的制造、19芯光纤的制备、调制解调技术的研发都是技术难点，只有突破了这些难点，才有可能实现立体信道。
此外，完整的光纤通信是环环相扣的过程：手机发射电磁波，经天线接收后调制成电信号，电信号在基站中被转化成光信号并通过光纤进行传输。这意味着，光信号无法离开电信号完成通信任务。若电信号掉链子，光信号也跑不快。
“电信号是芯片内部的信号传输，就是电子从0到1，再从1到0的过程。把0看成楼下，1看成楼上，电信号的传输就是电子在楼下楼上来回跑。跑得越快，表示电信号速率越高。”上述业内人士表示，受到材料限制，电信号上下楼的速度短时内无法得到大幅提升，因此光纤通信的带宽也无法实现质的飞跃。（记者代小佩）