光通信十大技術(shù)總結分析

　　5G信道編碼技術(shù)

　　2016年10月，華為宣布繼今年4月份率先完成中國IMT-2020(5G)推進(jìn)組第一階段的5G空口關(guān)鍵技術(shù)驗證和測試后，在5G信道編碼領(lǐng)域的極化碼(PolarCode)技術(shù)上再次取得最新突破。

　　【點(diǎn)評】靜止和移動(dòng)場(chǎng)景、短包和長(cháng)包場(chǎng)景的外場(chǎng)測試增益穩定性能優(yōu)異，與高頻毫米波頻段上的組合測試實(shí)現了高達27Gbps的業(yè)務(wù)速率。5G要實(shí)現的10Gbps甚至20Gbps的峰值速率、千億的連接、1毫秒的時(shí)延能力，必須以革命性的基礎技術(shù)創(chuàng )新來(lái)提升了網(wǎng)絡(luò )性能。高效信道編碼技術(shù)以盡可能小的業(yè)務(wù)開(kāi)銷(xiāo)增加信息傳輸的可靠性，信道編碼效率的提升將直接反映到頻譜效率的改善。構造可達到信道容量或者可逼近信道容量(Shannon限)的信道編碼方法，及可實(shí)用的線(xiàn)牲復雜度的譯碼算法一直是信道編碼技術(shù)研究的目標。

　　芯片光傳輸頻寬密度增加10至50倍研究

　　2016年3月，自然(Nature)雜志一篇由美國加州大學(xué)柏克萊分校、科羅拉多大學(xué)和麻省理工學(xué)院研究人員發(fā)表的論文，表示已成功利用現有CMOS標準技術(shù)，制作出一顆整合光子與電子元件的單芯片。這顆新芯片每平方毫米的頻寬密度達 300 Gbps，是目前市面上電子微處理器的10～50 倍。整合光子與電子元件的半導體微芯片可加快資料傳輸速度、增進(jìn)效能并減少功耗。

　　【點(diǎn)評】半導體技術(shù)的精進(jìn)讓芯片可執行更多運算，但卻無(wú)法增加芯片間通訊的頻寬。目前芯片傳輸所消耗的功率已超過(guò)芯片功耗預算的20%，這項新技術(shù)在低功耗的情況下改善一個(gè)數量級的芯片通訊頻寬，替目前面臨瓶頸的電晶體技術(shù)立下新的里程碑，使用光學(xué)元件進(jìn)行芯片到記憶體的傳輸將可降低功耗并增加時(shí)脈。未來(lái)還可能協(xié)助達到百萬(wàn)兆等級(Exascale) 的運算。

　　光子神經(jīng)形態(tài)芯片

　　2016年11月，據《麻省理工技術(shù)評論》雜志網(wǎng)站報道，美國普林斯頓大學(xué)的科研團隊日前研制出全球首枚光子神經(jīng)形態(tài)芯片，并證明其能以超快速度計算。該芯片有望開(kāi)啟一個(gè)全新的光子計算產(chǎn)業(yè)。該光學(xué)設備的原理在于：系統中的每個(gè)節點(diǎn)都使用一定波長(cháng)的光，這一技術(shù)被稱(chēng)為波分復用。來(lái)自各個(gè)節點(diǎn)的光會(huì )被送入該激光器，而且激光輸出會(huì )被反饋回節點(diǎn)，創(chuàng )造出一個(gè)擁有非線(xiàn)性特征的反饋電路。關(guān)于這種非線(xiàn)性能模擬神經(jīng)行為的程度，研究表明其輸出在數學(xué)上等效于一種被稱(chēng)為“連續時(shí)間遞歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )(CTRNN)”的設備，這說(shuō)明CTRNN的編程工具可以應用于更大的硅光子神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )。

　　【點(diǎn)評】利用光子解決了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )電路速度受限這一難題。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )電路已在計算領(lǐng)域掀起風(fēng)暴?？茖W(xué)家希望**出更強大的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )電路，其關(guān)鍵在于**出能像神經(jīng)元那樣工作的電路，或稱(chēng)神經(jīng)形態(tài)芯片，但此類(lèi)電路的主要問(wèn)題是要提高速度。光子計算是計算科學(xué)領(lǐng)域的“明日之星”。與電子相比，光子擁有更多帶寬，能快速處理更多數據。但光子數據處理系統**成本較高，因此一直未被廣泛采用。這將開(kāi)啟一個(gè)全新的光子計算產(chǎn)業(yè)。硅光子神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )可能會(huì )成為更龐大的、可擴展信息處理的硅光子系統家族的‘排頭兵’。

　　利用城市現有光纖實(shí)現遠距離量子傳輸技術(shù)

　　2016年10月，據國外媒體報道，美國國家航空航天局相關(guān)研究人員日前使用城市光纜實(shí)現了遠距離量子傳輸，其通過(guò)“暗光纜”在加拿大卡爾加里市將激光光子傳送了3.7英里。研究人員采用未經(jīng)使用過(guò)的“暗光纜”進(jìn)行量子傳輸，同時(shí)通過(guò)特別設計的光子傳感器對傳輸光子進(jìn)行檢測。

　　【點(diǎn)評】這是首次在現有的城市光纜中實(shí)驗量子傳輸。此前研究人員僅僅能夠在實(shí)驗室環(huán)境下實(shí)現這一距離的量子傳送。通過(guò)量子傳送的方式可以實(shí)現加密信息的絕對安全傳輸，其允許信息發(fā)送者將“無(wú)形信息”發(fā)送給接受者，而在量子網(wǎng)絡(luò )上無(wú)法實(shí)現信息攔截。在實(shí)驗室外進(jìn)行量子傳輸，涉及到一系列問(wèn)題，是一個(gè)全新的挑戰。該實(shí)驗克服了這些問(wèn)題，是未來(lái)量子互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的一個(gè)重要里程碑?！?/p>

　　光纖傳輸技術(shù)(可供全球48億人通話(huà))

　　2016年8月，武漢郵科院在全省科技大會(huì )上透露，該院實(shí)驗室近日再次刷新光傳輸世界紀錄，達到每秒400T。一根頭發(fā)絲粗細的光纖，可容納全球48億人同時(shí)在線(xiàn)通話(huà)。這是郵科院3年來(lái)第五次成功沖擊世界紀錄。據測算，一部普通高清電影數據大小約為2G，一部藍光高清電影約10G，以郵科院最新的光傳輸速度，1秒鐘可傳輸4萬(wàn)部藍光高清電影。

　　【點(diǎn)評】隨著(zhù)AR/VR、4K高清等技術(shù)不斷涌現，在互聯(lián)網(wǎng)+、物聯(lián)網(wǎng)、大數據、云計算、智慧城市等多個(gè)產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域，都依賴(lài)海量數據的高速傳輸，這就需要底層的信息高速公路越寬越好。多芯單模技術(shù)，就好比在一根光纖中開(kāi)辟了多條并行道路，讓總運力大為提升。

　　芯片到芯片通信技術(shù)

　　2016年7月，據報道，歐盟已啟動(dòng)ICT-STREAMS項目，研發(fā)電路板級高速芯片到芯片通信的收發(fā)機和路由技術(shù)，目標是將先進(jìn)刀片服務(wù)器密度提升4倍，吞吐量增加16倍，功耗降為原來(lái)的1/10。ICT-STREAMS項目計劃使用硅光電技術(shù)、緊湊型密集波分復用(DWDM)系統、高信道數和密集嵌入式光引擎，使電路板級總數據吞吐量超越25Tb/s。該項目包含：50Gb/s高效能光電和電子收發(fā)機器件、支持DWDM光互連的硅基Ⅲ-Ⅴ硅基激光器和納米放大器、帶有非侵入式集成監控器的熱偏移補償子系統、低損耗和低成本單模光電印刷電路板、低成本光電集成工藝、由軟件控制的、高能效WDM嵌入式光引擎、采用EOPCB貼裝的16×16 WDM主平臺幾個(gè)項目。

　　【點(diǎn)評】該項目引入硅光電技術(shù)和WDM作為提升容量、降低功耗的路由機制，將分別在光引擎級和板級實(shí)現1.6Tb/s和25.6Tb/s的吞吐量。在服務(wù)器機架設計中采用芯片到芯片通信是目前高端服務(wù)器產(chǎn)業(yè)發(fā)展的熱點(diǎn)，可以有效增加數據吞吐能力，并減少物理空間、網(wǎng)絡(luò )復雜度、開(kāi)關(guān)及線(xiàn)纜的用量和能耗。

　　最高密度光纖傳輸技術(shù)(容量擴大100倍)

　　2016年5月，NTT、藤倉和北海道大學(xué)發(fā)布消息稱(chēng)，研發(fā)出全球最高密度光纖，實(shí)現250微米以下的細徑。6種光同時(shí)運輸的光纖通道以19個(gè)進(jìn)行配置，1根線(xiàn)上有114條信息路徑。NTT和北大為了250微米以下的光纖直徑實(shí)現100以上的隧道多重化，使得3或6種模塊能運輸的芯線(xiàn)彎曲分布率適宜化，使用最適宜的芯線(xiàn)構造。結果證明： 6個(gè)模塊可以導波的核心以19個(gè)蜂窩狀排列，不足25微米的光纖直徑上，全球最大的114信道實(shí)現多重化。

　　【點(diǎn)評】這一研發(fā)打破了光纖芯線(xiàn)的傳輸容量界限，在全球范圍內開(kāi)展開(kāi)來(lái)。但若考慮實(shí)際可利用的光纖直徑的上限和芯線(xiàn)彎曲度分布控制性等問(wèn)題，不僅芯線(xiàn)數量增加，如果模塊數量增加的話(huà)，1根光纖超越50個(gè)隧道就比較困難。NTT等公司將通過(guò)這項研究，隨著(zhù)今后數據通信量的增加，多Petabit處，其1000倍的Exa bit方面也可滿(mǎn)足信賴(lài)性較高的光纖，實(shí)現道路的開(kāi)通。此次研發(fā)的光纖，將于2020年推向實(shí)用化，在持續增加的數據通信需求方面，有望持續滿(mǎn)足光纖傳輸基礎。

　　光子集成多光子糾纏量子態(tài)以及片上光頻梳研究

　　2016年3月，Science 雜志刊登了中國科學(xué)院西安光學(xué)精密機械研究所研究員Brent E. Little與加拿大魁北克國立科學(xué)研究所等單位合作發(fā)表的題為Generation of multiphoton entangled quantum states by means of integrated frequency combs 的研究論文。其中利用微環(huán)諧振腔中的自發(fā)四波混頻效應，以時(shí)域分離、相位可調的光脈沖對為泵浦源，得到跨越S-C-L三個(gè)通信波段的頻率間隔為200GHz的糾纏光子對。多光子糾纏態(tài)是量子通信、量子計算和超越經(jīng)典極限的超高分辨率傳感及成像技術(shù)的基石，同時(shí)在探索量子物理基本問(wèn)題方面有著(zhù)極為重要的應用。該糾纏光子源是迄今為止帶寬最寬的量子頻梳，其量子干涉條紋可見(jiàn)度達到93.2%。通過(guò)在兩個(gè)不同的諧振波長(cháng)上同時(shí)提取兩對光子，得到四光子糾纏態(tài)，其量子干涉條紋可見(jiàn)度達到89%。

　　【點(diǎn)評】此次研究在Si3N4微環(huán)內成功實(shí)現了可見(jiàn)光光頻梳，得到跨越S-C-L三個(gè)通信波段的頻率間隔為200GHz的糾纏光子對。這在大規模集成的片上糾纏光子源已成為量子應用技術(shù)發(fā)展的迫切需求。該研究開(kāi)創(chuàng )了片上產(chǎn)生和控制復雜量子態(tài)的時(shí)代，并提供了一個(gè)可規?；傻墓饬孔有畔⑻幚砥脚_。該工作是西安光機所繼片上并行預報(Heraled)單光子源和片上交叉偏振糾纏光子對之后在光子集成片上量子光學(xué)研究上的又一重要進(jìn)展。

　　光纖傳輸速率突破1Tb/s

　　2016年10月，諾基亞貝爾實(shí)驗室，德意志電信的T-Lab實(shí)驗室以及慕尼黑工業(yè)大學(xué)(TechnicalUniversityofMunich，TUM)在一次光纖通信現場(chǎng)試驗中，通過(guò)一項新的調制技術(shù)，研究人員達到了前所未有的傳輸容量和光譜效率。當可調傳輸速率隨著(zhù)信道情況和通信量需求而進(jìn)行動(dòng)態(tài)適應的時(shí)候，光網(wǎng)絡(luò )的靈活性和性能可以得到最大化。作為安全保障的歐洲路由技術(shù)(SafeandSecureEuropeanRouting，SASER)項目的一部分，這個(gè)在德意志電信已經(jīng)部署的光纖網(wǎng)絡(luò )上進(jìn)行的實(shí)驗達到了1Tb/s的傳輸速率。

　　【點(diǎn)評】PCS新調制方式的試驗，在給定的信道上達到更高的傳輸容量，顯著(zhù)地改善了光通信的光譜效率。PCS聰明地以相比于小幅度的星座點(diǎn)更低的頻率來(lái)使用那些具有大幅度的星座點(diǎn)來(lái)傳輸信號，這樣平均來(lái)講，對于噪聲和其他損傷具有更好的適應性。這使得能夠對傳輸速率進(jìn)行調整以完美的適應傳輸信道，從而得到30%的容量提升。德意志電信提供了一個(gè)獨特的網(wǎng)絡(luò )基礎設施來(lái)評估和演示類(lèi)似此類(lèi)的高度創(chuàng )新的傳輸技術(shù)。將來(lái)，它還將支持更高層級的測試場(chǎng)景和技術(shù)，并在已經(jīng)鋪設的光纖基礎設施上增加容量，覆蓋距離以及靈活性。

　　基于LED實(shí)現610Mbps單路實(shí)時(shí)傳輸

　　2016年1月，中國科學(xué)院半導體研究所集成光電子學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗室研究員陳雄斌主持的北京市科技計劃課題“室內高速可見(jiàn)光通信系統收發(fā)器件與越區切換技術(shù)研發(fā)”(執行年限2014年1月至2015年12月)宣布已按計劃完成。研究團隊委托工信部的中國泰爾實(shí)驗室對單路實(shí)時(shí)610Mbps的可見(jiàn)光通信進(jìn)行了第三方測試，結果呈現良好，基于1瓦熒光型白光LED和PIN探測器在OOK調制下單路實(shí)時(shí)傳輸平均速率610Mbps，在傳輸距離6.2米時(shí)，平均誤碼率為3.5e-5量級，遠低于前向糾錯的誤碼率上限要求3.8e-3。

　　半導體所基于熒光型白光LED實(shí)現610Mbps單路實(shí)時(shí)傳輸

　　【點(diǎn)評】可見(jiàn)光通信這項無(wú)線(xiàn)光通信新技術(shù)比傳統的無(wú)線(xiàn)電通信技術(shù)更加符合無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的發(fā)展方向(高速、大容量、安全)，未來(lái)會(huì )催生很多創(chuàng )新應用。中國有眾多的LED企業(yè)和廣闊的半導體照明市場(chǎng)，這種基礎優(yōu)勢是其他國家難以企及的?？梢?jiàn)光通信技術(shù)的實(shí)用化研究應該引起大家重視。