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IT界耳熟能详的“摩尔定律”似乎已经开始落后于整个行业的发展,与此同时,宽带的硬件基础—光纤通信的速度也遇到了同样的问题。从自二十世纪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,但是现在,有不少国内外研究者们发现,经过数十年来指数式的增长,光纤通信的速度可能已经遇到了瓶颈。
有国外学者认为,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,必须出现真正伟大的创新。
光纤如何工作?
如今在网络传输中使用得最多的是直径9微米的光纤,其实就是一种玻璃细丝,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,这些覆层折射率较低,并可以将激光信号限制在内芯之中,使其通过内反射沿着光纤曲折着向前传播。由于介质的问题,光纤内的激光脉冲信号传输速度为每秒20万公里,只是真空光速的三分之二。同时,由于光子在光纤内芯传输会发生散射,光信号传播的距离越长,被散射的光子就越多,一般经过50千米的传播,90%的光信号就在衰减中丢失了。因此,光纤传输过程中必须加入中继站来增强光信号。针对光纤传输的研发和创新,主要就是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。
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每频段100Gb带宽,其中包含的每根光纤都可以可供几万人同时观看视频网站上的高清视频,而一根光缆可以容纳几十到几百根光纤。但这似乎也还并不能满足更多的数据传输需求。根据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,因为网络视频和物联网的发展,数据传输的需求可能在未来几年内增长的更快。
有研究人员提出,可以采用更先进的信号编码技术来提升传输速度。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。这样的先进编码方式可以有条件地在光纤中使用,因为编码的方式越复杂,信息就需要被更紧密绑定在一起进行传输,这样会让纠错能力变得更加重要。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,所以这样的技术暂时还只能应用在短距离的信号传输中。
因为香农极限的存在,有公司已经动起了改造现有光纤设备的念头。Infinera公司认为可以通过把光纤内芯做得更大来实现更高的传输速度。另有公司认为可以在一根光纤内制造出平行的光信号通路,供许多独立的信号传播,称为空(间)分复用(spatial-division multiplexing),采用可以容纳多个光波导内芯的光纤,而且只需要使用一个特制的放大器,成本远低于8个单独光纤放大器。
不过,这些创新模式还都在研发中,有些公司在实验室里取得了更快的传输速度,尽管还不能直接投入使用,但是未来的发展潜力已经显露出来,如果这些技术在实际应用方面的问题被解决,很可能将现有的光纤通信容量提高几百倍。
后记
无论如何,随着云计算、物联网等基础通信需求逐渐投产,更大的带宽和更快的传输速度总是会被需要,而研究者们也会在提升这两项指标方面投入更多的精力。从理论上来说,网络带宽的发展是无止境的,因为即便没有工程技术上的突破性进展,只通过简单的增加光纤和光缆也可以成倍的提升带宽,而对于服务提供商来说,其实并不在意网络运营商通过什么样的办法来提升带宽。
有国外学者认为,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,必须出现真正伟大的创新。
光纤如何工作?
如今在网络传输中使用得最多的是直径9微米的光纤,其实就是一种玻璃细丝,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,这些覆层折射率较低,并可以将激光信号限制在内芯之中,使其通过内反射沿着光纤曲折着向前传播。由于介质的问题,光纤内的激光脉冲信号传输速度为每秒20万公里,只是真空光速的三分之二。同时,由于光子在光纤内芯传输会发生散射,光信号传播的距离越长,被散射的光子就越多,一般经过50千米的传播,90%的光信号就在衰减中丢失了。因此,光纤传输过程中必须加入中继站来增强光信号。针对光纤传输的研发和创新,主要就是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。
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每频段100Gb带宽,其中包含的每根光纤都可以可供几万人同时观看视频网站上的高清视频,而一根光缆可以容纳几十到几百根光纤。但这似乎也还并不能满足更多的数据传输需求。根据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,因为网络视频和物联网的发展,数据传输的需求可能在未来几年内增长的更快。
有研究人员提出,可以采用更先进的信号编码技术来提升传输速度。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。这样的先进编码方式可以有条件地在光纤中使用,因为编码的方式越复杂,信息就需要被更紧密绑定在一起进行传输,这样会让纠错能力变得更加重要。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,所以这样的技术暂时还只能应用在短距离的信号传输中。
因为香农极限的存在,有公司已经动起了改造现有光纤设备的念头。Infinera公司认为可以通过把光纤内芯做得更大来实现更高的传输速度。另有公司认为可以在一根光纤内制造出平行的光信号通路,供许多独立的信号传播,称为空(间)分复用(spatial-division multiplexing),采用可以容纳多个光波导内芯的光纤,而且只需要使用一个特制的放大器,成本远低于8个单独光纤放大器。
不过,这些创新模式还都在研发中,有些公司在实验室里取得了更快的传输速度,尽管还不能直接投入使用,但是未来的发展潜力已经显露出来,如果这些技术在实际应用方面的问题被解决,很可能将现有的光纤通信容量提高几百倍。
后记
无论如何,随着云计算、物联网等基础通信需求逐渐投产,更大的带宽和更快的传输速度总是会被需要,而研究者们也会在提升这两项指标方面投入更多的精力。从理论上来说,网络带宽的发展是无止境的,因为即便没有工程技术上的突破性进展,只通过简单的增加光纤和光缆也可以成倍的提升带宽,而对于服务提供商来说,其实并不在意网络运营商通过什么样的办法来提升带宽。