光通信十大技術(shù)總結(jié)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(guó)IMT-2020(5G)推進(jìn)組第一階段的5G空口關(guān)鍵技術(shù)驗(yàn)證和測(cè)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(píng)】靜止和移動(dòng)場(chǎng)景、短包和長(zhǎng)包場(chǎng)景的外場(chǎng)測(cè)試增益穩(wěn)定性能優(yōu)異，與高頻毫米波頻段上的組合測(cè)試實(shí)現(xiàn)了高達(dá)27Gbps的業(yè)務(wù)速率。5G要實(shí)現(xiàn)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(chǔ)技術(shù)創(chuàng)新來提升了網(wǎng)絡(luò)性能。高效信道編碼技術(shù)以盡可能小的業(yè)務(wù)開銷增加信息傳輸?shù)目煽啃?，信道編碼效率的提升將直接反映到頻譜效率的改善。構(gòu)造可達(dá)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)用的線牲復(fù)雜度的譯碼算法一直是信道編碼技術(shù)研究的目標(biāo)。

　　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(guó)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(xiàn)有CMOS標(biāo)準(zhǔn)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(dá) 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(dǎo)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(píng)】半導(dǎo)體技術(shù)的精進(jìn)讓芯片可執(zhí)行更多運(yùn)算，但卻無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芯片功耗預(yù)算的20%，這項(xiàng)新技術(shù)在低功耗的情況下改善一個(gè)數(shù)量級(jí)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。未來還可能協(xié)助達(dá)到百萬兆等級(jí)(Exascale) 的運(yùn)算。

　　光子神經(jīng)形態(tài)芯片

　　2016年11月，據(jù)《麻省理工技術(shù)評(píng)論》雜志網(wǎng)站報(bào)道，美國(guó)普林斯頓大學(xué)的科研團(tuán)隊(duì)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(jì)算。該芯片有望開啟一個(gè)全新的光子計(jì)算產(chǎn)業(yè)。該光學(xué)設(shè)備的原理在于：系統(tǒng)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)都使用一定波長(zhǎng)的光，這一技術(shù)被稱為波分復(fù)用。來自各個(gè)節(jié)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(jié)點(diǎn)，創(chuàng)造出一個(gè)擁有非線性特征的反饋電路。關(guān)于這種非線性能模擬神經(jīng)行為的程度，研究表明其輸出在數(shù)學(xué)上等效于一種被稱為“連續(xù)時(shí)間遞歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(CTRNN)”的設(shè)備，這說明CTRNN的編程工具可以應(yīng)用于更大的硅光子神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。

　　【點(diǎn)評(píng)】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(jì)算領(lǐng)域掀起風(fēng)暴?？茖W(xué)家希望**出更強(qiáng)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，或稱神經(jīng)形態(tài)芯片，但此類電路的主要問題是要提高速度。光子計(jì)算是計(jì)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(shù)據(jù)。但光子數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)**成本較高，因此一直未被廣泛采用。這將開啟一個(gè)全新的光子計(jì)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(kuò)展信息處理的硅光子系統(tǒng)家族的‘排頭兵’。

　　利用城市現(xiàn)有光纖實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離量子傳輸技術(shù)

　　2016年10月，據(jù)國(guó)外媒體報(bào)道，美國(guó)國(guó)家航空航天局相關(guān)研究人員日前使用城市光纜實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)距離量子傳輸，其通過“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)使用過的“暗光纜”進(jìn)行量子傳輸，同時(shí)通過特別設(shè)計(jì)的光子傳感器對(duì)傳輸光子進(jìn)行檢測(cè)。

　　【點(diǎn)評(píng)】這是首次在現(xiàn)有的城市光纜中實(shí)驗(yàn)量子傳輸。此前研究人員僅僅能夠在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下實(shí)現(xiàn)這一距離的量子傳送。通過量子傳送的方式可以實(shí)現(xiàn)加密信息的絕對(duì)安全傳輸，其允許信息發(fā)送者將“無形信息”發(fā)送給接受者，而在量子網(wǎng)絡(luò)上無法實(shí)現(xiàn)信息攔截。在實(shí)驗(yàn)室外進(jìn)行量子傳輸，涉及到一系列問題，是一個(gè)全新的挑戰(zhàn)。該實(shí)驗(yàn)克服了這些問題，是未來量子互聯(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)

　　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(yàn)室近日再次刷新光傳輸世界紀(jì)錄，達(dá)到每秒400T。一根頭發(fā)絲粗細(xì)的光纖，可容納全球48億人同時(shí)在線通話。這是郵科院3年來第五次成功沖擊世界紀(jì)錄。據(jù)測(cè)算，一部普通高清電影數(shù)據(jù)大小約為2G，一部藍(lán)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4萬部藍(lán)光高清電影。

　　【點(diǎn)評(píng)】隨著AR/VR、4K高清等技術(shù)不斷涌現(xiàn)，在互聯(lián)網(wǎng)+、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、智慧城市等多個(gè)產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域，都依賴海量數(shù)據(jù)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辟了多條并行道路，讓總運(yùn)力大為提升。

　　芯片到芯片通信技術(shù)

　　2016年7月，據(jù)報(bào)道，歐盟已啟動(dòng)ICT-STREAMS項(xiàng)目，研發(fā)電路板級(jí)高速芯片到芯片通信的收發(fā)機(jī)和路由技術(shù)，目標(biāo)是將先進(jìn)刀片服務(wù)器密度提升4倍，吞吐量增加16倍，功耗降為原來的1/10。ICT-STREAMS項(xiàng)目計(jì)劃使用硅光電技術(shù)、緊湊型密集波分復(fù)用(DWDM)系統(tǒng)、高信道數(shù)和密集嵌入式光引擎，使電路板級(jí)總數(shù)據(jù)吞吐量超越25Tb/s。該項(xiàng)目包含：50Gb/s高效能光電和電子收發(fā)機(jī)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(jiān)控器的熱偏移補(bǔ)償子系統(tǒng)、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(tái)幾個(gè)項(xiàng)目。

　　【點(diǎn)評(píng)】該項(xiàng)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(jī)制，將分別在光引擎級(jí)和板級(jí)實(shí)現(xiàn)1.6Tb/s和25.6Tb/s的吞吐量。在服務(wù)器機(jī)架設(shè)計(jì)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(shù)據(jù)吞吐能力，并減少物理空間、網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜度、開關(guān)及線纜的用量和能耗。

　　最高密度光纖傳輸技術(shù)(容量擴(kuò)大100倍)

　　2016年5月，NTT、藤倉(cāng)和北海道大學(xué)發(fā)布消息稱，研發(fā)出全球最高密度光纖，實(shí)現(xiàn)250微米以下的細(xì)徑。6種光同時(shí)運(yùn)輸?shù)墓饫w通道以19個(gè)進(jìn)行配置，1根線上有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(xiàn)100以上的隧道多重化，使得3或6種模塊能運(yùn)輸?shù)男揪€彎曲分布率適宜化，使用最適宜的芯線構(gòu)造。結(jié)果證明： 6個(gè)模塊可以導(dǎo)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(xiàn)多重化。

　　【點(diǎn)評(píng)】這一研發(fā)打破了光纖芯線的傳輸容量界限，在全球范圍內(nèi)開展開來。但若考慮實(shí)際可利用的光纖直徑的上限和芯線彎曲度分布控制性等問題，不僅芯線數(shù)量增加，如果模塊數(shù)量增加的話，1根光纖超越50個(gè)隧道就比較困難。NTT等公司將通過這項(xiàng)研究，隨著今后數(shù)據(jù)通信量的增加，多Petabit處，其1000倍的Exa bit方面也可滿足信賴性較高的光纖，實(shí)現(xiàn)道路的開通。此次研發(fā)的光纖，將于2020年推向?qū)嵱没?，在持續(xù)增加的數(shù)據(jù)通信需求方面，有望持續(xù)滿足光纖傳輸基礎(chǔ)。

　　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(guó)科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所研究員Brent E. Little與加拿大魁北克國(guó)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(yīng)，以時(shí)域分離、相位可調(diào)的光脈沖對(duì)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(duì)。多光子糾纏態(tài)是量子通信、量子計(jì)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題方面有著極為重要的應(yīng)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度達(dá)到93.2%。通過在兩個(gè)不同的諧振波長(zhǎng)上同時(shí)提取兩對(duì)光子，得到四光子糾纏態(tài)，其量子干涉條紋可見度達(dá)到89%。

　　【點(diǎn)評(píng)】此次研究在Si3N4微環(huán)內(nèi)成功實(shí)現(xiàn)了可見光光頻梳，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(duì)。這在大規(guī)模集成的片上糾纏光子源已成為量子應(yīng)用技術(shù)發(fā)展的迫切需求。該研究開創(chuàng)了片上產(chǎn)生和控制復(fù)雜量子態(tài)的時(shí)代，并提供了一個(gè)可規(guī)?；傻墓饬孔有畔⑻幚砥脚_(tái)。該工作是西安光機(jī)所繼片上并行預(yù)報(bào)(Heraled)單光子源和片上交叉偏振糾纏光子對(duì)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(yàn)室，德意志電信的T-Lab實(shí)驗(yàn)室以及慕尼黑工業(yè)大學(xué)(TechnicalUniversityofMunich，TUM)在一次光纖通信現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中，通過一項(xiàng)新的調(diào)制技術(shù)，研究人員達(dá)到了前所未有的傳輸容量和光譜效率。當(dāng)可調(diào)傳輸速率隨著信道情況和通信量需求而進(jìn)行動(dòng)態(tài)適應(yīng)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(xiàng)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(yàn)達(dá)到了1Tb/s的傳輸速率。

　　【點(diǎn)評(píng)】PCS新調(diào)制方式的試驗(yàn)，在給定的信道上達(dá)到更高的傳輸容量，顯著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)更低的頻率來使用那些具有大幅度的星座點(diǎn)來傳輸信號(hào)，這樣平均來講，對(duì)于噪聲和其他損傷具有更好的適應(yīng)性。這使得能夠?qū)鬏斔俾蔬M(jìn)行調(diào)整以完美的適應(yīng)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(dú)特的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施來評(píng)估和演示類似此類的高度創(chuàng)新的傳輸技術(shù)。將來，它還將支持更高層級(jí)的測(cè)試場(chǎng)景和技術(shù)，并在已經(jīng)鋪設(shè)的光纖基礎(chǔ)設(shè)施上增加容量，覆蓋距離以及靈活性。

　　基于LED實(shí)現(xiàn)610Mbps單路實(shí)時(shí)傳輸

　　2016年1月，中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所集成光電子學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究員陳雄斌主持的北京市科技計(jì)劃課題“室內(nèi)高速可見光通信系統(tǒng)收發(fā)器件與越區(qū)切換技術(shù)研發(fā)”(執(zhí)行年限2014年1月至2015年12月)宣布已按計(jì)劃完成。研究團(tuán)隊(duì)委托工信部的中國(guó)泰爾實(shí)驗(yàn)室對(duì)單路實(shí)時(shí)610Mbps的可見光通信進(jìn)行了第三方測(cè)試，結(jié)果呈現(xiàn)良好，基于1瓦熒光型白光LED和PIN探測(cè)器在OOK調(diào)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(jí)，遠(yuǎn)低于前向糾錯(cuò)的誤碼率上限要求3.8e-3。

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

　　【點(diǎn)評(píng)】可見光通信這項(xiàng)無線光通信新技術(shù)比傳統(tǒng)的無線電通信技術(shù)更加符合無線通信技術(shù)的發(fā)展方向(高速、大容量、安全)，未來會(huì)催生很多創(chuàng)新應(yīng)用。中國(guó)有眾多的LED企業(yè)和廣闊的半導(dǎo)體照明市場(chǎng)，這種基礎(chǔ)優(yōu)勢(shì)是其他國(guó)家難以企及的?？梢姽馔ㄐ偶夹g(shù)的實(shí)用化研究應(yīng)該引起大家重視。