光纤速度，破纪录
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来源：内容由半导体行业观察（ID：icbank）编译自IEEE，谢谢。
日本和英国的一组研究人员打破了商用级光纤通信的世界纪录。通过扩大光纤的通信带宽，该团队的数据传输速率是现有商用系统的四倍，比之前的世界纪录高出 33%。
研究人员的成功部分源于他们创新地使用光放大器来增强当今传统光纤技术较少使用的通信频段上的信号。日本小金井国家信息通信技术研究所 ( NICT ) 首席高级研究员Ben Puttnam表示：“这只是频谱的增加，或多或少而已。”
Puttnam 表示，研究人员利用光学放大器和其他设备构建了通信硬件堆栈，这些设备部分由诺基亚贝尔实验室和香港公司Amonics开发。组装的技术包括六个独立的光学放大器，它们可以通过C 波段波长（当今标准的主力通信波段）以及不太流行的 L、S 和 E 波段压缩光信号。（E 波段属于近红外波段；而 S 波段、C 波段和 L 波段属于所谓的短波长红外波段。）
总之，E、S、C 和 L 波段的组合使新技术能够通过地下和海底现有的光纤电缆实现惊人的 402 兆兆位/秒 (Tbps) 的传输速度。与竞争对手相比，这一速度令人印象深刻。
“世界上最好的商用系统每秒传输 100 兆兆位，”Puttnam说，“所以我们已经做得比他们好四倍了。”今年早些时候，英国伯明翰阿斯顿大学的一组研究人员宣称，他们使用了与日英联合研究相同的技术，实现了当时创纪录的301 兆兆位，而且两个团队还共享了一些研究人员。
Puttnam补充道，如果想把一切推向极限，仍然可以从现有电缆中挤出更多的带宽——即使仅仅使用当前的 E 波段、S 波段、C 波段和 L 波段技术（简称 ESCL）。
Puttnam说：“如果你真的推动一切，如果你填补了所有的空白，并且你为每个渠道安排了最高的质量，那么 600 [Tbps] 可能是绝对极限。”
达到 402 Tbps（或 600）
C 波段中的“C”代表“常规”——C 波段是光纤中的常规通信波段，部分原因是该频谱范围内的信号在光纤中损失较小。“在两个方向上，远离 C 波段时光纤损失较大，”Puttnam说。
例如，在 E 波段的大部分区域，天空呈蓝色、日落呈粉红色和红色的现象（瑞利散射）使光纤在这些红外光谱区域变得不那么透明。就像有雾的夜晚有时需要雾灯一样，E、S 和 L 波段信号的强放大是 ESCL 堆栈的重要组成部分。
以前增加光纤带宽的努力通常依赖于所谓的掺杂光纤放大器(DFA)，即光信号进入经过改进的光纤段，该光纤段已掺杂了稀土离子（如铒）。当泵浦激光照射到光纤中时，光纤中的掺杂元素被推入更高的能态。这使得来自光信号的光子穿过光纤，触发掺杂元素的受激发射。结果是从 DFA 光纤段出来的信号比进入的信号更强（即放大）。
铋是 E 波段的首选掺杂剂。但即使是铋 DFA 也只是增强 E 波段信号的最不坏的选择。它们有时效率低下，噪声率较高，带宽较有限。
因此，Puttnam表示，团队开发了一种掺有铋和锗的 DFA。然后，他们在混合物中添加了诺基亚开发的一种滤波器，以优化放大器性能并提高信号质量。
“因此你可以通过控制频谱来补偿放大器的变化，”Puttnam说。
他表示，最终放大器仍能完成其工作，而不会破坏原始信号。
荷兰埃因霍温理工大学埃因霍温亨德里克·卡西米尔研究所电气工程副教授Chigo Okonkwo补充说，除了标准 C 波段外，肯定还需要为 E、S 和 L 波段开发新的光放大器。但是，在给定的电缆线路上，过多的放大或在错误的位置放大也可能是好事过头。“如果更多的光子……被注入光纤，”他说，“它会改变光纤中的条件——有点像天气——影响随后的光子，从而扭曲它们携带的信号。”
日本和英国的一组研究人员打破了商用级光纤通信的世界纪录。通过扩大光纤的通信带宽，该团队的数据传输速率是现有商用系统的四倍，比之前的世界纪录高出 33%。
研究人员的成功部分源于他们创新地使用光放大器来增强当今传统光纤技术较少使用的通信频段上的信号。日本小金井国家信息通信技术研究所 ( NICT ) 首席高级研究员Ben Puttnam表示：“这只是频谱的增加，或多或少而已。”
Puttnam 表示，研究人员利用光学放大器和其他设备构建了通信硬件堆栈，这些设备部分由诺基亚贝尔实验室和香港公司Amonics开发。组装的技术包括六个独立的光学放大器，它们可以通过C 波段波长（当今标准的主力通信波段）以及不太流行的 L、S 和 E 波段压缩光信号。（E 波段属于近红外波段；而 S 波段、C 波段和 L 波段属于所谓的短波长红外波段。）
总之，E、S、C 和 L 波段的组合使新技术能够通过地下和海底现有的光纤电缆实现惊人的 402 兆兆位/秒 (Tbps) 的传输速度。与竞争对手相比，这一速度令人印象深刻。
“世界上最好的商用系统每秒传输 100 兆兆位，”普特南说，“所以我们已经做得比他们好四倍了。”今年早些时候，英国伯明翰阿斯顿大学的一组研究人员宣称，他们使用了与日英联合研究相同的技术，实现了当时创纪录的301 兆兆位，而且两个团队还共享了一些研究人员。
普特南补充道，如果想把一切推向极限，仍然可以从现有电缆中挤出更多的带宽——即使仅仅使用当前的 E 波段、S 波段、C 波段和 L 波段技术（简称 ESCL）。
普特南说：“如果你真的推动一切，如果你填补了所有的空白，并且你为每个渠道安排了最高的质量，那么 600 [Tbps] 可能是绝对极限。”
达到 402 Tbps（或 600）
C 波段中的“C”代表“常规”——C 波段是光纤中的常规通信波段，部分原因是该频谱范围内的信号在光纤中损失较小。“在两个方向上，远离 C 波段时光纤损失较大，”普特南说。
例如，在 E 波段的大部分区域，天空呈蓝色、日落呈粉红色和红色的现象（瑞利散射）使光纤在这些红外光谱区域变得不那么透明。就像有雾的夜晚有时需要雾灯一样，E、S 和 L 波段信号的强放大是 ESCL 堆栈的重要组成部分。
“世界上最好的商用系统速度是每秒 100 兆兆位。我们的速度已经比这个快了四倍。”
—BEN PUTTNAM，NICT
以前增加光纤带宽的努力通常依赖于所谓的掺杂光纤放大器(DFA)，即光信号进入经过改进的光纤段，该光纤段已掺杂了稀土离子（如铒）。当泵浦激光照射到光纤中时，光纤中的掺杂元素被推入更高的能态。这使得来自光信号的光子穿过光纤，触发掺杂元素的受激发射。结果是从 DFA 光纤段出来的信号比进入的信号更强（即放大）。
铋是 E 波段的首选掺杂剂。但即使是铋 DFA 也只是增强 E 波段信号的最不坏的选择。它们有时效率低下，噪声率较高，带宽较有限。
因此，普特南表示，团队开发了一种掺有铋和锗的 DFA。然后，他们在混合物中添加了诺基亚开发的一种滤波器，以优化放大器性能并提高信号质量。
“因此你可以通过控制频谱来补偿放大器的变化，”普特南说。
他表示，最终放大器仍能完成其工作，而不会破坏原始信号。
荷兰埃因霍温理工大学埃因霍温亨德里克·卡西米尔研究所电气工程副教授Chigo Okonkwo补充说，除了标准 C 波段外，肯定还需要为 E、S 和 L 波段开发新的光放大器。但是，在给定的电缆线路上，过多的放大或在错误的位置放大也可能是好事过头。“如果更多的光子……被注入光纤，”他说，“它会改变光纤中的条件——有点像天气——影响随后的光子，从而扭曲它们携带的信号。”
推动数据速率走向世界
Puttnam 强调，研究团队并没有通过商用级光纤线路发送一个信号，因为该线路本身就包含每秒 402 万亿比特的数据。相反，该团队分别测试了每个单独的频谱区域以及线路上需要作为整个 ESCL 套件的一部分实施的所有各种放大器和滤波器。
但他说，最重要的是这项技术对于现有商业级光纤的固有效用。
“增加更多波长带是无需挖掘光纤就能做到的事情，”Puttnam说。“理想情况下，你可能只需更换末端、收发器（发射器和接收器）。或者，你可能想在中途更换放大器。这就是你需要做的最多的事情了。”
据伦敦大学学院光通信与网络教授波琳娜·贝维尔 (Polina Bayvel)称，普特南提到的收发器是该领域下一阶段的挑战。
“收发器需要智能化——类似于自动驾驶汽车，能够感知和适应周围环境，在需要的时间和地点提供容量，”贝维尔说道，他之前曾与该团队成员合作过，但与本次研究无关。
为此，她说，人工智能和机器学习 (ML) 技术可以帮助下一代努力通过光纤线路传输更多的数据。
Bayvel 补充道：“AI/ML 技术可能有助于检测和消除失真，需要与高容量功能相结合进行开发。我们需要明白，光纤系统和网络不仅仅是高容量管道。光纤网络必须既智能又安全且有弹性。”
研究人员今年早些时候在圣地亚哥举行的2024 年光纤通信会议上详细介绍了他们的研究成果。
参考链接
https://spectrum.ieee.org/fiber-optic-cable-record
END
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