通信发展简史

1、近距离通信

肢体语言

人与人近距离通信，通过眼、耳、鼻、舌、身接收和处理信息，面对面交流，这一个技能从原始社会传承至今。

2、古代远距离通信技术

烽火台

有文字可考的邮驿史，可以追溯到公元前14世纪，那是殷商时代。根据出土的甲骨文记载，殷商时代，边境派将士防守，并且设置大鼓，一旦出现敌情，守将就命令守兵击鼓传信，鼓声频传，一站接一站，把敌人入侵的紧急军情向天子报告。甲骨文上的这些记述，证明我国早在距今3400年前，就已经出现了有组织的通信活动。在东周时期，我国就有了“烽火告警”的创举。烽火台呈方形，用砖砌成，大约高出地面七米左右。平时，烽火台上堆满了柴草和干草粪。如果外敌入侵，就把当地烽火点燃起来，火光冲天，黑烟滚滚，目标十分明显，远远就可以看到。这样邻近的烽火台看到以后，相继点燃烽火。军队看到烽火信息后，就立即出兵迎敌。这就是最古老的光通信方式。

信件（驿站）

古代最常用的通信方式是信件，“邮”为步递，“驿”为马递，通过“邮驿”传递信件。中国从秦代直至清代，都设有全国范围的驿站，满足官方信息和军事情报传递需要，“驿传”成为有组织的通信方式。清代末期驿站逐渐演变为邮局，接收民间信件传递业务，成为“官办民享”的国家邮政系统。而现在的邮政已经发展为各种实物和信息传递的庞大系统。

3、现代远距离通信技术

现代远距离通信技术都是以电磁理论作为基础的，无论是有线通信技术，还是无线通信技术，比如：智能手机、计算机、卫星等，都深深带有电磁的痕迹。

电磁的发现

1600年，英国人吉尔伯特总结了多年来关于磁的实验结果，出了一本取名为《论磁学》的书。 书中指出地球本身就是一块大磁石，并且阐述了罗盘的磁倾角问题和摩擦起电的现象。

1746年，莱顿大学教授缪森布鲁克发明了一种存贮静电的瓶子， 这就是后来很有名的“莱顿瓶”。缪森布鲁克本来想象往瓶子里装水那样把电装进瓶子里， 他首先在瓶子里灌上水，然后用一根金属丝把摩擦玻璃棒连到水里。就在他的手接触到瓶子和棒的一瞬间，他被重重地“电击”了一下。

1752年，富兰克林联想到莱顿瓶储存电的事情，在一个风筝实验中，将系上钥匙的风筝用金属线放到云层中，被雨淋湿的金属线将空中的闪电引到手指与钥匙之间，证明了空中的闪电与地面上的电是同一回事。富兰克林做了多次实验，并首次提出了电流的概念。

1767年蒲力斯特里（J.B.Priestley）与1785年库仑（C.A.Coulomb 1736-1806）发现了静态电荷间的作用力与距离成反平方的定律，奠定了静电的基本定律。

1800年，伏特发明第一块电池。

1820年，丹麦物理学家奥斯特在一篇论文中公布了他的一个发现：在与伏特电池连接了的线旁边放一个磁针，磁针马上就发生偏转，发现了电生磁，这是人类第一次发现电与磁之间有联系。

1822年，安培受奥斯特的启发，发现了电流之间相互作用的规律——安培定律。同时，确定了判断电流磁场方向的安培定则和判断磁场对电流作用力方向的左手定则。

1831年，法拉第（M. Faraday）利用磁场效应的变化，展示电流的产生，发现电磁感应现象。1851年他又提出物理电力线的概念，这是首次强调从电荷转移到电场的概念。

1839年 摩尔斯发明有线电报

1833年，在一艘由欧洲启航到纽约的游船上，一位乘客向大家介绍电磁铁新奇的功能：导线中有电流通过时，铁块就产生磁性，把大头钉、螺丝针、小铁片，统统吸住了。电源一旦中断，磁性吸力随即消失。这一情景触动了画家莫尔斯的灵感，使他对电磁学产生了浓厚的兴趣。当时他已40岁，莫尔斯决定改行去钻研电磁学。

他经过半年苦学，初步掌握了电磁原理。从前的画室，堆满了各种电工器材和工具，到处是导线、线圈和磁铁，他不得不节衣缩食，省下钱来购买实验用品。他试验一次接着一次，失败也一次接着一次。经过三年的摸索，耗尽了他的全部积蓄，电报机还是没有造出来。

1836年，莫尔斯穷困潦倒，不得不重操旧业，去一所大学担任工艺美术教授，来维持生计。失败，并没有使他失去信心。恰恰更加坚定了他的信念。他认真反省自己的设计思想，仔细地检查每个实验电路，终于诞生了新的想法。他在《科学手记》中这样写道：

“如何利用神速电流？只要能让它不停地跑十英里，我就能让它跑遍全世界。突然切断电流，就能够产生电火花。电火花就是一种符号；没有电火花则是另一种符号；没有火花的时间长又是一种符号。这样，就有三种符号可以组合起来，代表数字或字母。它们的适当组合，就可以代表全部字母。这样，文字就能够由电线传送出去。其结果，我们就一定能够创造出可以在相隔遥远的两地迅速地互通信息、可以记录的新机器！”

莫斯的新设想，就是利用使电流交替地通电和切断所产生的不同信号，编制代表数字和字母的电码。这就是著名的莫尔斯电码，是电信史上最早使用编码。在这个电码中，点、划和空白是三种基本符号，点就是我们听起来“滴”的声音，划是我们听起来“达”的声音，空白是没有声音。又经过一年艰苦的努力，他终于研制成功一台传递电码的装置，他把这台机器正式命名为电报机。

利用电报机作长距离的通信试验，需要大笔的经费。这是莫尔斯微薄的收入所不能办成的事情。他带着发明到华盛顿，说服了国会投资架设一条连接华盛顿与巴尔的摩城的电报线路。在1844年5月24日，伟大的时刻到来了！莫尔斯在华盛顿的国会大厦联邦最高法院的会议厅里，百感交集，激动万分，用颤抖的手，向40英里外的巴尔的摩城，发出了人类历史上第一份长途电报。内容是：“上帝创造了何等的奇迹！”电报通信的时代就这样开始了。

1864年 麦克斯韦提出电磁辐射方程

1864年，麦克斯韦提出了总结电磁现象的两组方程，预言了电磁波的存在，定义了电磁波，并指出电磁波的传播速度与光相等。

1865年，苏格兰的马克斯威尔（J. C. Maxwell）提出电磁场理论的数学式，这理论提供了位移电流的观念，磁场的变化能产生电场，而电场的变化能产生磁场。马克斯威尔预测了电磁波辐射的传播存在，而在1887年德国赫兹（H.Hertz）展示出这样的电磁波。结果马克斯威尔将电学与磁学统合成一种理论，同时亦证明光是电磁波的一种。

1876年 贝尔发明有线电话

1875年6月，美国发明家亚历山大·格雷厄姆·贝尔设计出在环形膜片的中心，安装了电磁舌簧的送话器。人的声音，能使膜片发生振动，从而带动舌簧作相应的振动。振动的舌簧，通过电磁感应转换为各种电振荡。开始的电话机不很灵敏，试验很难成功。

1876年5月10日，贝尔在做试验，不小心把硫酸溅到脚上，他痛得大声呼叫：“沃特森快来帮帮忙！”这呼叫声，竟通过他的电话机传送出去了！他的助手沃特森正在走廊尽头的一个房间里工作，突然听到电磁电话里响起了贝尔的声音，惊喜地欢呼：“听到了！听到了！”但当时的电话体积大，而且发话人必须大声呼喊。现在由贝尔设计制造的第一台电磁电话机仍然保存在华盛顿历史和技术博物馆里。

1877年，爱迪生发明了磁精电话，比贝尔的话筒更加灵敏、有效。

1878年，沃特森在电话机上增加了磁性电铃，用户可以呼叫交换台，而交换台也可以呼叫每个用户。

1879年，卢赛薇尔特发明了挂钩开关器，当拿起话筒时，电话机自动接通，挂上时，话机又自动切断。

1891年，美国人史瑞乔发明了自动电话选择器，这是一种磁铁式的步进滑动接触装置，根据拨号盘发来的一个个电流脉冲信号，自动地上升、旋转、选择接线位置，自动接通所需的电话线路。

1960年，首次次试验的按键号盘，使用晶体管发出的音频，在启动交换器的功能方面，比机械拨号盘发出的连续脉冲要好。

1896年 马可尼发明无线电报

1894年，意大利工程师马可尼和俄国科学家波波夫在麦克斯韦的电磁波理论和赫兹电磁波实验的基础上，采用电磁波作为传播媒介，在意大利波伦雅（地名），夜以继日地进行系列试验。终于利用多路火花放电器等做成一台发射机，并且把金属屑检波器改装成接收机。这就是早期的无线电发射机。

1898年，马可尼制作了大功率的发射机，提高了接收机的灵敏度，使无线电波通信跨越英吉利海峡，为正在举行的游艇竞赛传递了比赛的消息。1901年，他终于使大西洋彼岸收到了无线电信号，实现了欧洲和美洲的直接通信。

从1838年莫尔斯用一对电线实现电报的传送，到1896年马可尼和俄国的波波夫同时完成无线电通信试验，经历了近60年的时间。20世纪以来，有线和无线通信各自沿着自己的道路不断地完善和发展。一方面是有线通信从明线、对称电缆、同轴电缆、波导发展到了光缆；另一方面是无线通信从长波、中波、短波、超短波、分米波、微波、毫微波发展到激光。

1906年 发明真空管

1883年，为了寻找电灯炮的最佳灯丝材料，爱迪生做了一个实验。他在真空灯泡内的碳丝附近放置了一块金属铜薄片，希望它能阻止碳丝的蒸发。实验结果使爱迪生大失所望。但在实验过程中，爱迪生无意中发现了一个奇特的现象：当电流通过碳丝时，没有连接在电路里的金属薄片中也有电流通过。可惜的是，爱迪生并没有重视这个现象，只是把它记录在案，申报了一个未找到任何用途的专利。后来，人们将这一发现命名为“爱迪生效应。

1901年，欧文·理查森提出定律，说明电子的激发态引起箔片漂浮，以此拿到1928年的诺贝尔物理奖。

1904年，弗莱明对爱迪生效应发生了兴趣，发明了一个他称之为“热离子阀”的装置。它其实是一个特殊的灯泡，灯泡中放置了一块金属片，如果给金属片加上高频的交变电压，交流电在通过这个装置后就会变成直流电。这个能够充当交流电整流和无线电检波的装置，就是世界上第一个电子管——真空二极管。这个真空二极管比马可尼的金属屑检波器稳定，可以取代无线电通信的金属屑检波器。

1906年，德福雷斯特发现，虽然弗莱明的二极管比金属屑检波器前进了一步，但它只能用于整波和检波，还不能放大电信号。在对二极管的研究基础上，德福雷斯把二极管装在无线电接收机上代替老式的金属屑检波器，果然效果很好。为了使信号具有放大作用，他把一根导线弯成“Z”型，然后小心翼翼地把它安装到灯丝与金属屏极之间的位置，形成电子管的第三个极，“Z”型导线装入真空管内之后，只要把一个微小的变化电压加到它的身上，就能在金属屏极上接收到一个与输入信号变化规律完全相同，但强度大大增强的电流。为了提高灵敏度，德福雷斯把导线改成像栅栏一样的金属网，于是，他的电子管就有了三个“极”——丝极(阴极)、屏极(阳极)和栅极，其中栅极承担着控制放大电信号的任务，它是一个非常灵敏的控制闸，就像百叶窗一样，具有快速开、关和放大的作用，能接收微弱信号，最终发明了真空三极管（电子三极管）。

真空三极管（triode）拥有用电子讯号控制“开关”的性能，极适合用于高速执行数字型的逻辑及算数运算，我们可以用真空三极管来控制电路的导通与断开，继而形成逻辑电路。真空三极管开创了电子学的新时代。电磁波与电子学的结合，推动了通信的进步，发展了无线电广播、电视、雷达及自动控制等一系列技术。电信的发展，加速了信息的流通，信息开始大量生产、传递和运用。

1918年 调幅无线电广播、超外差收音机问世

1925年 开始采用三路明线载波电话、多路通信

1936年 调频无线电广播开播

1937年 发明脉冲编码调制

1938年 电视广播开播

1940-1945年 二次大战刺激了雷达和微波通信系统的发展

1946年 发明世界第一台大型电子计算机“埃尼亚克”

1946年，美国莫尔电子工程学校和宾西法尼亚大学的电子计算机设计组，研制成世界第一台大型电子计算机“埃尼亚克”（ENIAC）。这个“埃尼亚克”，拥有1800万只电子管，70，000万个电阻，10，000个电容器和6000个开关，占地170平方米，要六个大房间才能装得下这个庞然大物，整整占去了一层楼，重达30吨，耗电140千瓦，需要安装散热通风设备，消耗的能量足以开动一列火车。这台计算机，造价高达几百万美万！每秒钟能做5000次加法或400次乘法，现在看来，这个速度当然是很低的。

同年，冯·诺依曼对“埃尼亚克”作了一系列改进，提出计算机整体结构的组成，按他的规划分成五个部分，这就是：计算器、控制器、存贮器、输入和输出部分。在他的方案中，采用二进制来代替十进制，同时引进了“存贮程序”的概念，就像贮存数据一样，把程序也贮存在存贮器中，这些都是电子计算机发展史上的创举。这样，数据和指令都可以采用二进制表示，而且又可以一起贮存。

20世纪50年代末，美国军方为了自己的计算机网络在受到袭击时，即使部分网络被摧毁，其余部分仍能保持通信联系，便由美国国防部的高级研究计划局（ARPA）建设了一个军用网，叫做“阿帕网”（ARPAnet）。

1969年，加利福尼亚大学洛杉矶分校、斯坦福大学研究学院、加利福尼亚大学和犹他州大学的四台主要计算机利用ARPAnet网络相连，后续大量的计算机加入到该网络中。

1983年，美国国防部将APA网络划分为军事网络和民用网络，同时，局域网和广域网的产生和逢勃开展对Internet的进一步开展起了重要的作用。其中最引人瞩目的是美国国度科学基金会ASF(National Science Foundation)树立的NSFnet。NSF在全美国树立了按地域划分的计算机广域网并将这些地域网络和超级计算机中心互联起来。TCP/IP协议成为ARPANET上的标准协议，使得所有使用TCP/IP协议的计算机都能利用互联网进行通信。

1990年ARPANET宣布关闭，NFSnet于1990年6月彻底取代了ARPAnet而成为Internet的主干网，并逐渐扩展到今天的互联网，计算机网络通信面向全球展开。

1948年 发明晶体管；香农提出了信息论，通信统计理论开始展开

1948年6月30日，美国贝尔实验室宣布，发明了一种固态放大器件——晶体三极管，晶体三级管比电子三极管体积更小，但是信号放大性能却更卓著。今天，超大规模集成电路在电子计算机和信息科学方面，给人类社会带来了奇迹！而晶体管的发明，在电子学发展史上是一个重要的里程碑。和电子管比起来，晶体管的体积，只有电子管的千分之一，而寿命却比电子管高100倍。

1950年 时分多路通信应用于电话

1956年 敷设了越洋电缆

1957年 发射第一颗人造卫星

1958年 发射第一颗通信卫星

1960年 发明激光

1961年 发明集成电路

晶体管问世以后，人们就在捉摸如何把它们集成起来。1952年，英国皇家雷达研究院的达墨首先提出了制造集成电路的设想。1957年，美国得克萨斯仪器公司的基尔比与仙童公司的诺伊斯，做出了世界上第一块集成电路，虽然这块集成电路仅仅包含了四个晶体管和六个阻容元件。

集成电路把晶体管、二极管、电阻、电容和电感等等这些原来分立存在的电子元件，连同连接这些元件的导线，经过外延、氧化、光刻、扩散、蒸发等一系列工艺过程，全部制作在一块小的硅片上，构成了一个完整的、不可分离的微型电路。

集成电路的发展非常迅速，几乎每隔几年，集成度就提高十倍！1967年出现了包含上千个晶体管的集成电路；1971年，美国的英特尔（Intel）公司首先制成了微处理机，它在一块 0.297×0.404（cm2）的硅片上，集成了 2250个晶体管；到1977年，就出现了包含十五万六千多个晶体管的集成电路；1984年IBM公司做出的超大规模集成电路，在一块小小的芯片上，竟然可以集成200万个晶体管。

集成电路的迅速发展，使人类征服自然的能力发生了根本性的变化。集成电路已经渗入到各个领域，从人类登月和探测火星的宇宙飞船上的传感器与控制元件，到小如火柴盒一般的彩色电视机；从放在口袋里的微型计算器，到代替人类大量脑力劳动的智能机器人，集成电路到处大显身手，给人类的生产活动、生活方式，以至于精神文化生活，都带来了深刻的变革，它已经成为发展现代科学技术的极其重要的物质基础。

1962年 发射第一颗同步通信卫星；脉冲编码调制进入实用阶段

1960-1970年 彩色电视问世；阿波罗宇宙飞船登月；数字传输的理论和技术得到了迅速发展；出现了高速数字电子计算机

1970-1980年 大规模集成电路、商用卫星通信、程控数字交换机、光纤通信系统、微处理机等迅速发展

1980年以后 超大规模集成电路、长波长光纤通信系统广泛应用；综合业务数字网崛起；1G,2G,3G,4G,5G移动微波通信技术相继问世.

根据各种通信技术在通信发展史上的地位、作用以及对人类社会的影响，我们对过去的100多年通信技术的发展历史进行了概括性的总结，认为有10项重大通信技术值得人们纪念。

(1)摩尔斯发明有线电报。有线电报开创了人类信息交流的新纪元。

(2)马克尼发明无线电报。无线电报为人类通信技术开辟了一个崭新的领域。

(3)载波通信。载波通信的出现，改变了一条线路只能传送一路电话的局面，使一个物理介质上传送多路音频电话信号成为可能。

(4)电视。电视极大地改变了人们的生活，使传输和交流信息从单一的声音发展到实时图像。

(5)电子计算机。计算机被公认为是20世纪最伟大的发明，它加快了各类科学技术的发展进程。

(6)集成电路。集成电路为各种电子设备提供了高速、微小、功能强大的“心”，使人类的信息传输能力和信息处理能力达到了一个新的高度。

(7)光纤通信。光导纤维的发明，使人们寻求到一种真正能够承担起构筑未来信息化基础设施传输平台重任的通信介质。

(8)卫星通信。卫星通信将人类带入了太空通信时代。

(9)蜂窝移动通信。蜂窝移动通信为人们提供了一种前所未有、方便快捷的通信手段。

(10)因特网。因特网的出现意味着信息时代的到来，使地球变成了一个没有距离的小村落-“地球村”。

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光纤通信技术发展现状与展望

一、前言

光纤通信技术自出现以来带来了科技和社会领域的重大变革。作为激光技术的重要应用，以光纤通信技术为主要代表的激光信息技术搭建了现代通信网络的框架，成为信息传递的重要组成部分。光纤通信技术是当前互联网世界的重要承载力量，同时也是信息时代的核心技术之一。众所周知，光纤通信技术的基本要素是光源、光纤和光电探测器（PD）。其中，应用最为广泛的光源是激光器；光纤的能量传输效率极佳，传输损耗是波导电磁传输系统中最小的；PD 是光纤通信接收端的关键组成部分。

当前各类信息技术都需依靠通信网络来传递信息，光纤通信技术可以连接至各类通信网络，构成信息传输过程中的大动脉，并在信息传输中发挥重要作用。现代通信网络架构（见图 1）主要包括：核心网、城域网、接入网、蜂窝网、局域网、数据中心网络与卫星网络等。不同网络之间的连接都可由光纤通信技术完成，如在移动蜂窝网中，基站连接到城域网、核心网的部分也都是由光纤通信构成的。而在数据中心网络中，光互连是当前最广泛应用的一种方式，即采用光纤通信的方式实现数据中心内与数据中心间的信息传递。由此可见，光纤通信技术在现在的通信网络系统中不仅发挥着主干道的作用，还充当了诸多关键的支线道路的作用。可以说，由光纤通信技术构筑的光纤传送网是其他业务网络的基础承载网络。

图 1 现代通信网络架构

随着各种新兴技术如物联网、大数据、虚拟现实、人工智能（AI）、第五代移动通信（5G）等技术的不断涌现，对信息交流与传递提出了更高的需求。据思科公司（Cisco）2019 年发布的研究数据显示（见图 2），全球年度 IP 流量将由 2017 年的 1.5 ZB（1 ZB=1021 B）增长为 2022 年的 4.8 ZB，复合年增长率为 26% [1]。面对高流量的增长趋势，光纤通信作为通信网中最骨干的部分，承受着巨大的升级压力，高速、大容量的光纤通信系统及网络将是光纤通信技术的主流发展方向 [2]。

图 2 2017—2022 年全球年度网络 IP 流量走势 [1]

二、光纤通信技术的发展历程与研究现状

（一）光纤通信技术的发展历程

随着 1958 年亚瑟 · 肖洛与查尔斯 · 汤斯揭示激光器工作原理之后，1960 年第一台红宝石激光器研制成功。接着，1970 年第一个能在室温下连续工作的 AlGaAs 半导体激光器研制成功，并在 1977 年实现半导体激光器在实用环境中可连续工作几万小时以上。至此，激光器已具备应用于商用光纤通信的前提。在激光器发明之初，发明者已意识到其在通信领域的重要潜在应用。然而，激光通信技术存在两个明显的短板问题：一是因激光波束发散会损失大量能量；二是受应用环境的影响较大，如在大气环境下应用时会显著受制于天气情况的变化。因此，对激光通信而言，一个合适的光波导至关重要。

诺贝尔物理学奖获得者高锟博士提出的用于通信的光纤满足了激光通信技术对波导的需求。他提出，玻璃光纤的瑞利散射损耗可以非常低（低于20 dB/km），而光纤中的功率损耗主要来源于玻璃材料中的杂质对光的吸收，因此材料提纯是减小光纤损耗的关键，此外还指出单模传输对保持好的通信性能很重要 [3]。1970 年，康宁玻璃公司根据高锟博士的提纯建议研制出了损耗约为 20 dB/km 的石英系多模光纤，使光纤作为通信的传输媒介成为现实。之后经过不断研发，石英系光纤的损耗在1974 年达到了 1 dB/km，在 1979 年进一步达到了0.2 dB/km，逼近了石英系光纤的理论损耗极限。至此，光纤通信的条件已完全满足。

早期的光纤通信系统均采用直接检测的接收方式（见图 3）。这是一种较简单的光纤通信方式，PD 是一种平方律的检波器，只有光信号的强度可以被探测到。换言之，这种通信方式只可以在光强度上加载信息来进行传输。此方式的接收灵敏度取决于数据传输速率，而传输距离是由数据传输速率与接收机跨导放大器（TIA）的热噪声共同决定的。这种直接检测的接收方式从 20 世纪 70 年代的第一代光纤通信技术一直延续到了 20 世纪 90 年代初期，而对应具体的技术指标也由工作在 0.8 µm 的 GaAs 半导体激光器发射 45 Mbit/s 信号无中继传输 10 km，提升至工作在 1.5 µm 的半导体激光器发射 2.5 Gbit/s 信号无中继传输 100 km。

图 3 直接检测光纤通信系统示意图

进入 20 世纪 90 年代以来，光纤通信技术中的相干检测技术逐渐成为研究热点 [4]。初期的相干检测的示意图如图 4 所示，这也是第一代的相干检测系统。通过使用相干检测，可实现最优探测灵敏度（受限于散弹噪声极限），另外，这也可以通过使用一个大功率的本振来实现。在直接检测探测系统中，只可以探测到信号光的功率 PS ，而相干检测探测系统中可以探测到的信号大小为，其中 PLO 是本振光的功率，只要本振光功率足够大就可以达到探测灵敏度的极限。总之，通过引入相干检测技术，接收机的灵敏度得到了极大提升。在早期的相干检测中主要采用外差（Heterodyne）探测和零差（Homodyne）探测，其中外差检测指信号载波与本地载波的频率差值为中频，而零差探测指信号载波与本地载波频率完全相同、相位差固定。为了保证锁频以及恢复接收信号的载波相位，早期的相干检测技术需要复杂的光学锁相环。此外还需要通过偏振控制器（PC）来使得信号光与本振光的偏振态保持一致，以便达到最大效率的接收。

图 4 相干检测示意图

光放大器也是光纤通信技术史上重要的成果之一。采用光放大器的光纤链路，也可以达到散弹噪声极限的探测灵敏度，同时可以去除所有的电中继，使得光纤通信技术可以实现长距离传输。光放大的概念在最早的激光器专利中就有所建议，最终在1987 年，该项技术被南安普顿大学和贝尔实验室首次实现 [5,6]。

（二）光纤通信技术的研究现状

自 20 世纪 90 年代以来，随着互联网技术的迅速发展，用户对互联网流量的需求日益增长，并随之带来了对光纤通信容量的迫切增长需求。起初，当 2.5 Gbit/s 的光纤通信技术问世后，人们普遍认为其可以支撑好几代互联网的发展，但光纤通信容量的增长需求很快打破了这一现状。

如何提升光纤通信的容量成为亟需解决的问题。“信息论之父”香农给出了信道容量的极限，任何通信系统传输信息的容量都不会超过这个极限，它与系统的带宽与信道中的信噪比相关。当系统带宽越大、信噪比越高，系统的容量极限就会越高。根据香农的理论，单根光纤纤芯中的容量极限可以表示为：式（1）中，2 为两个正交偏振态复用；B 为带宽，光纤的带宽取决于光放大器能够提供的带宽，而C+L 波段一共约 95 nm；S 为入纤功率，受限于光纤的非线性；N 为噪声功率，决定于放大器的噪声系数、光纤损耗、跨段长度和跨段数。

典型的 C 波段掺铒光纤放大器（EDFA）的带宽为35 nm，即约4375 GHz。面对如此巨大的带宽资源，如何充分利用它来实现大容量的光纤传输是关键。由此我们想到了波分复用（WDM）。波分复用是使不同波长的载波同时承载信号，共同在一根光纤中传输，由于各载波的波长不同，故可轻易分别解调出来。此外，光纤布拉格光栅（FBG）的发明也方便了波分复用，它可以用于密集波分复用（DWDM）的滤波器、增加 / 减少多路复用器、EDFA 增益均衡器 [7,8]。图 5 为 WDM 光纤通信系统示意图。

图 5 WDM 光纤通信系统示意图

C/B 表示频谱效率，单位为 bit/s/Hz，而S/N 表示信号的电信噪比。例如，当电信噪比为10 dB 时，系统所能达到的极限频谱效率为 6.9 bit/s/Hz。由于系统的带宽受限于 EDFA，光纤通信目前只能获得有限的带宽，故可以通过提高频谱效率的方式来增加信道容量。增加带宽 B 内的利用率可从两个方向来展开。一是采用 DWDM、高阶调制格式、奈奎斯特（Nyquist）整形、超级信道（super channel）、超奈奎斯特传输（FTN）、前向纠错（FEC）、概率整形等技术来逼近香农极限，但频谱效率的增加将对电信噪比的要求有所提升，从而减少了传输的距离。二是充分利用相位、偏振态的信息承载能力来进行传输，这也就是第二代相干光通信系统，接收机如图 6 所示 [4]。偏振复用（PDM）已普遍采用，用两个正交的偏振态来分别承载信息以使信道容量翻倍。第二代相干光通信系统采用光混频器进行內差（Intra-dyne）检测，并采用偏振分集接收，即在接收端将信号光与本振光分解为偏振态互为正交的两束光，在这两个偏振方向上分别拍频，这样可以实现偏振不敏感接收。另外，需要指出的是，此时接收端的频率跟踪、载波相位恢复、均衡、同步、偏振跟踪和解复用均可以通过数字信号处理（DSP）技术来完成，这极大简化了接收机的硬件设计，并提升了信号恢复能力 [9,10]。

图 6 第二代相干检测示意图

目前，上述技术产品在商业领域中的应用现状为中国电信集团有限公司和华为技术有限公司已实现了 50 G 波道间隔、单路 200 Gbit/s 的偏振复用16 QAM 信号，通过概率星座图整形和奈奎斯特整形实现了 1142 km 传输（实验室可实现 1920 km 传输），单纤总容量为 16 Tbit/s。而最新的研究成果有：贝尔实验室等利用半导体光放大器（SOA）和拉曼放大实现了 107 Tbit/s、103 nm（1515~1618 nm）波段范围的 300 km 传输 [11]；华为技术有限公司利用 C+L 波段的 EDFA 实现了 124 Tb/s 信号在600 km 的传输。

三、光纤通信技术发展面临的挑战与思考

（一）超大容量光纤通信系统

通过各种技术的运用，目前学界和业界已基本达到光纤通信系统频谱效率的极限，如要继续增大传输容量，只能通过增加系统带宽 B（线性增加容量）或增加信噪比（SNR） （增加功率，对数增加容量）来实现，具体探讨如下。

1. 增加发射功率的解决方案

由于适当增加光纤截面的有效面积可以降低高功率传输带来的非线性效应 [12]，因此采用少模光纤代替单模光纤进行传输是一种增加功率的解决方案。此外，当前最通用的解决非线性效应的方案是采用数字背向传输（DBP）算法，但算法性能的提升会导致运算复杂度的增加。原始的 DBP 算法仅能应对一个通带内的非线性效应，带间的交叉相位调制（XPM）等非线性效应无法得到补偿；而多通带 DBP 算法可以用来补偿通带间的非线性效应，如 XPM 和四波混频（FWM），但复杂度会显著增高。近期，机器学习技术在非线性补偿方面的研究显现出了很好的应用前景，极大地降低了算法的复杂度，因此今后可通过机器学习来辅助 DBP 系统的设计。

2. 增加光放大器的带宽

增加带宽可以突破 EDFA 的频带范围的限制，除了 C 波段与 L 波段以外，可将 S 波段也纳入应用范围，采用 SOA 或拉曼放大器进行放大 [11]。而现有光纤在 S 波段之外的频段损耗都较大，如O 波段 1310 nm 附近光纤的损耗就达到了 0.3 dB/km，需设计新型光纤来降低传输损耗。但对其余波段而言，有商业利用价值的光放大技术也是一个挑战。这些光放大技术与 EDFA 相比，存在增益较小、噪声系数较大的问题，如掺镨的 O 波段光纤放大器（1280~1320 nm）的增益为 10~25 dB、噪声系数为7 dB；掺铥的 S 波段光纤放大器（1477~1507 nm）的增益为 22 dB、噪声系数为 6 dB；而 SOA 具有类似的噪声系数，且存在对 WDM 系统的交叉增益调制问题。

3. 低传输损耗光纤的研究

研究低传输损耗光纤是该领域最关键的问题之一。空芯光纤（HCF）具有更低传输损耗的可能，将减少光纤传输的时延，可在极大程度上消除光纤的非线性问题。一项最新研究结果显示，HCF 的一种嵌套反谐振无节点光纤（NANF）可实现在1510~1600 nm 波段 0.28 dB/km 的传输损耗 [13]，且理论预测表明该结构具有继续降低损耗至 0.1 dB/km 的可能 [14]，这将低于石英光纤的材料损耗极限（瑞利散射极限 0.145 dB/km）。另外，NANF 还具有更宽阔的低损耗窗口的可能，目前已知报道的带宽已达到 700 nm [15]。

4. 空分复用相关技术的研究

空分复用技术是实现单纤容量增大的有效方案 [16]，具体有：采用多芯光纤进行传输，成倍增加单纤的容量，在这方面最核心的问题是有无更高效率的光放大器，否则只能等价为多根单芯光纤；采用包括线偏振模式（LP mode）、基于相位奇点的轨道角动量（OAM）光束和基于偏振奇点的柱矢量光束（CVB）等的模分复用技术，这类技术可为光束复用提供新的自由度，提高光通信系统的容量，在光纤通信技术中具有广阔的应用前景，但相关光放大器的研究同样是挑战。另外，如何平衡差分模群时延（DMGD）以及多输入多输出（MIMO）数字均衡技术等带来的系统复杂度也值得关注。未来，希望空分复用相关的技术研发可以形成与 WDM 系统类似的演进路线以推动光纤通信技术的发展。

（二）各类其他场景下的光纤通信系统

超大容量光纤通信系统是主要应用于骨干网络场景下的光纤通信系统，并不考虑成本问题。而当前光纤通信技术已应用于多种不同场景，大多存在对成本敏感的现实困境。为此，本文将列举出当前若干个成本敏感的场景与系统，并简要分析它们的发展前景。

1. 不同调制检测组合场景下的光纤通信系统

光纤通信技术因调制和检测方式的不同，其应用成本也会有很大差异。当前，在一些成本非常敏感的场景中仍使用最早的光通信方式，即强度调制 – 直接检测（IMDD）；但在对通信性能要求严苛的环境中，采用的是最复杂的传统相干通信方式。未来在这两种通信方式之间可以有很多过渡方案，亟需在性能与成本上进行平衡，找到适合具体场景使用的方案，具体有：采用正交（IQ）调制、直接检测的系统，如常见的单边带（SSB）调制、直接检测的系统 [17]；采用强度调制、相干检测的通信方式，利用直接调制激光器（DML）的啁啾对信号相位产生一定的调制，最终再由相干接收机检测出对应的信息 [18]。

几类特殊的光纤通信系统，如基于斯托克斯矢量直接检测（SVDD）接收机的系统 [19]，基于克莱默 – 克朗尼格（KK）关系接收机的系统 [20]，以及最近新提出的载波辅助差分检测（CADD）接收机的系统 [21]。SVDD 系统是通过斯托克斯矢量的方式接收信号，接收机比传统相干系统简单，但最终接收信号只能接收到一个偏振态的信息，无法实现完全的偏振复用，亟需研发出基于 SVDD 接收机的硅光集成芯片，以进行推广应用。而 KK 系统是根据特殊信号（一般是单边带信号）所具有的 KK 关系，通过接收的信号幅度推算出相位，在直接检测的系统中实现相干检测的效果，但该系统的频谱效率仅有传统相干检测系统的一半。而 CADD 系统采用特殊的接收机实现了与相干检测相比接近100% 的频谱利用率，但此系统目前只有单偏振态的结果，暂时无法得到偏振复用的结果。希望未来可以研究出类似于传统相干方式的偏振复用、100%频谱利用率的简化相干通信方式。值得注意的是，以上这些系统虽各有利弊，但随着器件与集成技术不断地发展，在不同的应用场景下，如何结合成本作出公平公正的对比是一个关键问题。

2. 不同传输距离场景下的光纤通信系统

如果以传输距离与应用场景来划分，可以将光纤通信技术划分为不同的种类，其中典型的短距离光传输系统包括数据中心光互连与接入网系统的光传输链路。目前多数短距离光传输采用 IMDD 的通信方式，随着传输距离的增加，通信方式逐渐向相干通信靠拢。数据中心内的光互连主要采用基于垂直腔面发射激光器（VCSEL）和多模光纤链路为主的 IMDD 系统 [22]，数据中心间的光互连部分采用IMDD 的通信方式，部分将有望采用直接检测与相干检测过渡方案或简化相干检测方案 [23]。而中长距传输系统包括应用于城域网的链路，目前都在逐步向相干系统演进。长距离传输系统包括：核心网传输链路和跨洋传输，这些属于对传输性能要求较高且成本不敏感的系统。

四、光纤通信技术发展展望

光纤通信技术从最初的低速传输发展到现在的高速传输，已成为支撑信息社会的骨干技术之一，并形成了一个庞大的学科与社会领域。今后随着社会对信息传递需求的不断增加，光纤通信系统及网络技术将向超大容量、智能化、集成化的方向演进，在提升传输性能的同时不断降低成本，为服务民生、助力国家构建信息社会发挥重要作用。

（一）智能化光网络

与无线通信系统相比，智能化光网络的光通信系统及网络在网络配置、网络维护及故障诊断方面仍处于初级阶段，智能化程度不足。由于单根光纤容量巨大（可能大于 100 Tbit/s），任一光纤故障的发生将给经济、社会带来很大影响，因此网络参数的监测对未来智能网络的发展至关重要。今后这方面需关注的研究方向有：基于简化相干技术与机器学习的系统参数监测系统、基于相干信号分析和相位敏感光时域反射（OTDR）的物理量监测技术。

（二）集成技术与系统

器件集成的核心目的是降低成本。在光纤通信技术中，通过不断的信号再生可以实现信号的短距离高速传输。但是由于相位和偏振态恢复的问题，目前相干系统的集成还较困难。另外，如果大规模集成的光 – 电 – 光（OEO）系统可以实现，也会显著提升系统容量。但是限于技术效率低、复杂度高、难以集成等因素，光通信领域不太可能广泛推广如全光 2R（再放大、再整形）、3R（再放大、再定时、再整形）等全光信号处理技术。因此，在集成技术与系统方面，今后研究的方向有：对空分复用系统的现有研究虽已较丰富，但学界、业界对空分复用系统关键器件尚未实现技术突破，需进一步加强研究，如集成激光器与调制器、二维的集成接收机、高能效的集成光放大器等；新型光纤可能会显著拓展系统带宽，但仍需深入研究以确保其综合性能与制造工艺能达到现有单模光纤的水平；研究通信链路中可与新型光纤搭配使用的各类器件。

（三）光通信器件

在光通信器件中，硅光器件的研发已初见成效。但目前国内相关研究多以无源器件为主，对有源器件的研究较为薄弱。在光通信器件方面，今后的研究方向有：有源器件与硅光器件的集成研究；非硅光器件集成技术的研究，如 III-V 族材料衬底集成技术的研究；新型器件研发的进一步跟进，如兼具高速与低功耗优点的集成铌酸锂光波导 [24]。

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