新光纤技术打破数据速率记录

GETTY IMAGES

据悉，一个国际研究小组打破了通过商用光纤进行光纤通信的世界纪录。通过拓宽光纤的通信带宽，该团队产生的数据速率是现有商业系统的四倍，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性地使用光学放大器来增强通信频带上的信号，而传统光纤技术如今使用频率较低。“这只是频谱的增加，或多或少而已，”日本NICT（National Institute of Information and Communications Technology）的首席高级研究员Ben Puttnam说。

Puttnam说，研究人员已经用光放大器和其他设备构建了他们的通信硬件堆栈，这些设备部分是由诺基亚贝尔实验室和总部位于香港的Amonics公司开发的。组装后的技术包括六个独立的光放大器，可以通过C波段波长压缩光信号（https://en.wikipedia.org/wiki/Fiber-optic_communication#Transmission_windows），C波段波长是当今的标准主力通信波段，再加上不太流行的U、L、S、E和O波段。（E和O波段在近红外波段；而S波段、C波段、L波段和O波段则在所谓的短波红外波段。）

总之，O、E、S、C、L和U波段的组合使这项新技术能够以惊人的402兆比特每秒（Tbps）的速度通过已经在地面和海底的光纤电缆。与竞争对手相比，这是令人印象深刻的。

Puttnam说：“世界上最好的商业系统每秒传输100Tbps。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301Tbps（https://www.aston.ac.uk/latest-news/aston-university-researchers-send-data-45-million-times-faster-average-broadband），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。

Puttnam说：“如果你真的推动一切填补了所有的空白，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402Tbps（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低。Puttnam说：“当你从C波段向两个方向移动时，光纤损耗会更高。”

例如，在E波段和O波段的大部分区域，导致天空呈蓝色、日落呈粉红色和红色的现象 —— 瑞利散射（Rayleigh scattering，https://en.wikipedia.org/wiki/Rayleigh_scattering） —— 使光纤在红外光谱的这些区域的透明度降低。正如雾蒙蒙的夜晚有时需要雾灯一样，当光纤的透明度低于相对高透明度的C波段时，信号的强放大可能会更加显著。

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，doped-fiber amplifiers，https://www.gophotonics.com/community/what-is-a-doped-fiber-amplifier）——在这种放大器中，光信号进入掺杂了稀土离子（如铒）的改良光纤段。当泵浦激光照射到光纤中时，光纤中的掺杂元素被推向更高的能量状态。这允许来自穿过光纤的光信号的光子触发来自掺杂元素的受激发射。结果是离开DFA光纤段的信号比进入DFA光纤的信号更强（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（https://opg.optica.org/ome/fulltext.cfm?uri=ome-11-1-127&id=444740），噪声率较高，带宽较有限。

Puttnam说，该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一种由诺基亚开发的滤波器（https://www.iridian.ca/products-capabilities/product-gff/），可以优化放大器性能并提高信号质量。

Puttnam说：“所以你可以控制频谱来补偿放大器的变化。” 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——影响随后到来的光子，从而扭曲它们携带的信号。”

将数据速率推向世界

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现有商业级纤维的固有效用。

“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。”

伦敦大学学院光通信和网络教授Polina Bayvel表示，Puttnam提到的那些收发器是该领域下一阶段的挑战。

Bayvel说：“收发器需要智能——类似于自动驾驶汽车，能够感知和适应环境，在需要的时候和地方提供容量。” 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。”

今年早些时候，研究人员在圣地亚哥举行的2024年光纤通信大会（https://opg.optica.org/conference.cfm?meetingid=5&yr=2024）上详细介绍了他们的发现（https://opg.optica.org/abstract.cfm?uri=OFC-2024-Th4A.3）。