这些年的光通信技术

来源:中国信息化周报
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发布时间:2017-02-08 11:28

　　近年来随着智能化的发展，一大批企业纷纷涉足通信行业，希望在通信市场中分得一杯羹。随着越来越多的通信企业对行业应用领域的不断发掘与拓展，各类前沿通信技术正在逐渐进入人们的日常生活。

　　5G信道编码技术

　　静止和移动场景、短包和长包场景的外场测试增益稳定性能优异，与高频毫米波频段上的组合测试实现了高达27Gbps的业务速率。5G要实现的10Gbps甚至20Gbps的峰值速率、千亿的连接、1毫秒的时延能力，必须以革命性的基础技术创新来提升网络性能。

　　高效信道编码技术以尽可能小的业务开销增加信息传输的可靠性，信道编码效率的提升将直接反映到频谱效率的改善。构造可达到信道容量或者可逼近信道容量（Shannon限）的信道编码方法，以及可实用的线牲复杂度的译码算法一直是信道编码技术研究的目标。

　　芯片光传输频宽密度增加10至50倍研究

　　半导体技术的精进让芯片可执行更多运算，但却无法增加芯片间通讯的频宽。目前芯片传输所消耗的功率已超过芯片功耗预算的20％，这项新技术在低功耗的情况下改善一个数量级的芯片通信频宽，替目前面临瓶颈的电晶体技术立下新的里程碑。使用光学元件进行芯片到记忆体的传输将可降低功耗并增加时脉，未来还可能协助达到百万兆等级（Exascale）的运算。

　　光子神经形态芯片

　　利用光子解决了神经网络电路速度受限这一难题。神经网络电路已在计算领域掀起风暴，科学家希望制造出更强大的神经网络电路，其关键在于制造出能像神经元那样工作的电路或称神经形态芯片，但此类电路的主要问题是要提高速度。

　　光子计算是计算科学领域的“明日之星”，与电子相比，光子拥有更多带宽，能快速处理更多数据。但光子数据处理系统制造成本较高，因此一直未被广泛采用。

　　所以这将开启一个全新的光子计算产业，硅光子神经网络可能会成为更加庞大的、可以扩展信息处理的硅光子系统家族的“排头兵”。

　　利用城市现有光纤实现远距离量子传输技术

　　这是首次在现有的城市光缆中实验量子传输。此前研究人员仅仅能够在实验室环境下实现这一距离的量子传送，通过量子传送的方式可以实现加密信息的绝对安全传输，其允许信息发送者将“无形信息”发送给接受者，而在量子网络上是无法实现信息拦截的。

　　在实验室外进行量子传输，涉及到一系列问题，是一个全新的挑战，该实验克服了这些问题，是未来量子互联网发展的一个重要里程碑。

　　光纤传输技术可供全球48亿人通话

　　随着AR／VR、4K高清等技术不断涌现，在互联网＋、物联网、大数据、云计算、智慧城市等多个产业领域都依赖海量数据的高速传输，这就需要底层的信息高速公路越宽越好。多芯单模技术，就好比在一根光纤中开辟了多条并行道路，让总运力大为提升。

　　芯片到芯片通信技术

　　该项目引入硅光电技术和WDM作为提升容量、降低功耗的路由机制，将分别在光引擎级和板级实现1.6Tb／s和25.6Tb／s的吞吐量。在服务器机架设计中采用芯片到芯片通信是目前高端服务器产业发展的热点，可以有效增加数据吞吐能力，并减少物理空间、网络复杂度、开关及线缆的用量和能耗。

　　最高密度光纤传输技术

　　这一研发打破了光纤芯线的传输容量界限，在全球范围内开展起来。但若考虑实际可利用的光纤直径的上限和芯线弯曲度分布控制性等问题，不仅芯线数量增加，如果模块数量增加的话，1根光纤超越50个隧道相对比较困难。

　　NTT等公司将通过这项研究，随着今后数据通信量的增加，多贝脱比特处，其1000倍的检测点方面也可满足信赖性较高的光纤，实现道路的开通。此次研发的光纤，将于2020年推向实用化，在持续增加的数据通信需求方面，有望持续满足光纤传输基础。

　　光子集成多光子纠缠量子态以及片上光频梳研究

　　此次研究在Si3N4微环内成功实现了可见光光频梳，得到跨越S－C－L三个通信波段的频率间隔为200GHz的纠缠光子对。这在大规模集成的片上纠缠光子源已成为量子应用技术发展的迫切需求。

　　该研究开创了片上产生和控制复杂量子态的时代，并提供了一个可规模化集成的光量子信息处理平台。该工作是继片上并行预报（Heraled）单光子源和片上交叉偏振纠缠光子对之后在光子集成片上量子光学研究上的又一重要进展。

　　光纤传输速率突破1Tb／s

　　2016年10月，诺基亚贝尔实验室、德意志电信T－Lab实验室以及慕尼黑工业大学（Technical University of Munich，TUM）在一次光纤通信现场试验中，通过一项新的调制技术，研究人员达到了前所未有的传输容量和光谱效率。当可调传输速率随着信道情况和通信量需求而进行动态适应的时候，光网络的灵活性和性能可以得到最大化。

　　作为安全保障的欧洲路由技术(Safeand Secure European Routing，SASER）项目的一部分，这个在德意志电信已经部署的光纤网络上进行的实验达到了1Tb／s的传输速率。PCS新调制方式的试验，在给定的信道上达到更高的传输容量，显著地改善了光通信的光谱效率。PCS聪明地以相比于小幅度的星座点更低的频率来使用那些具有大幅度的星座点来传输信号，这样平均来讲对于噪声和其他损伤具有更好的适应性，这使得能够对传输速率进行调整以完美地适应传输信道，从而得到30％的容量提升。德意志电信提供了一个独特的网络基础设施来评估和演示类似此类的高度创新的传输技术。将来它还将支持更高层级的测试场景和技术，并在已经铺设的光纤基础设施上增加容量、覆盖距离以及灵活性。

　　基于LED实现610Mbps单路实时传输

　　2016年1月，中国科学院半导体研究所集成光电子学国家重点实验室主持的北京市科技计划课题“室内高速可见光通信系统收发器件与越区切换技术研发”宣布已按计划完成。

　　研究团队委托中国泰尔实验室对单路实时610Mbps的可见光通信进行了第三方测试，结果呈现良好，基于1瓦荧光型白光LED和PIN探测器在OOK调制下单路实时传输平均速率610Mbps，在传输距离为6.2米时，平均误码率为3.5e－5量级，远低于前向纠错的误码率上限要求3.8e－3。

　　可见光通信这项无线光通信新技术比传统的无线电通信技术更加符合无线通信技术的发展方向（高速、大容量、安全），未来会催生很多创新应用。中国有众多的LED企业和广阔的半导体照明市场，这种基础优势是其他国家难以企及的，可见光通信技术的实用化研究应该引起业界的充分重视。