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光纤如何工作？

如今在网络传输中使用得最多的是直径9微米的光纤，其实就是一种玻璃细丝，它对波长1.55微米的红外光几乎是完全透明的。在光纤内芯外面，包裹着超过50微米厚的玻璃覆层，这些覆层折射率较低，并可以将激光信号限制在内芯之中，使其通过内反射沿着光纤曲折着向前传播。由于介质的问题，光纤内的激光脉冲信号传输速度为每秒20万公里，只是真空光速的三分之二。同时，由于光子在光纤内芯传输会发生散射，光信号传播的距离越长，被散射的光子就越多，一般经过50千米的传播，90%的光信号就在衰减中丢失了。因此，光纤传输过程中必须加入中继站来增强光信号。针对光纤传输的研发和创新，主要就是在避免散射和畸变的同时提高信号的信息容量和传播距离。

2000年左右，互联网在全球范围内开始出现爆炸式的发展，对于带宽的要求越来越高，传统的信号编码方式很快就接近了极限，如果没有其他新的技术或者更多的光纤，现有的系统很快就会饱和。2007年，贝尔实验室和Verizon公司研发出一种叫做正交相移键控（quadrature phase-shift keying）的技术，在位于佛罗里达州的通信网络实现了500千米100Gb/s通的信号传输。此后Verizon进行了进一步的研发，让光纤通信技术有了新的突破。如今，新技术的应用让原本设计指标每秒10Gb通信容量的光纤，在单一频率下可以实现实现每秒100Gb的长距离传输，配合传统光纤最多可容纳的100个频段，通信容量可以达到10Tb/s。

但是，这依然还不能满足未来更大数据吞吐量的需求，研究人员们还在想更多的办法，让带宽变得“无限”。

未来的光纤传输形态

目前，很多长距离地面通信光缆和绝大多数海底光缆都升级到了每频段100Gb带宽，其中包含的每根光纤都可以可供几万人同时观看视频网站上的高清视频，而一根光缆可以容纳几十到几百根光纤。但这似乎也还并不能满足更多的数据传输需求。根据Cisco公司最近发布的一份报告，全球互联网数据传输量在2010年至2015年之间增长了整整5倍，因为网络视频和物联网的发展，数据传输的需求可能在未来几年内增长的更快。

有研究人员提出，可以采用更先进的信号编码技术来提升传输速度。如今广泛使用的正交相移技术在单位信号间隔内可编码2bit，而Wi-Fi和其他无线系统采用了更复杂的编码方式。这样的先进编码方式可以有条件地在光纤中使用，因为编码的方式越复杂，信息就需要被更紧密绑定在一起进行传输，这样会让纠错能力变得更加重要。一个信号包含的数据越多，它所能承受的外部扰动就越少，否则其中的一部分数据就会出错。提高信号发射功率可以改善这一情况，但是这样又会增加非线性畸变，这种畸变随距离增长而不断增加，所以这样的技术暂时还只能应用在短距离的信号传输中。

对于更长距离的光纤，研究人员则尝试将不同频段传输的数据压缩得更加紧密。目前的长距离光纤中包含几十个频段，相邻频段之间留有一定间隔以防止串扰，如果这些缓冲频段可以缩短甚至省略，那么一根光纤中就可以容纳更多的频段，实现所谓的超级频段系统（superchannel），这一系统中，信号在光纤中的全频段上传输，这样的方案可能可以将数据传输速率在现有基础上提高30%。2013年，Ciena公司和英国电信集团BT采用无缓冲频段技术，在伊普斯维奇和伦敦之间搭建起800Gb/s的超级多频段通信网络。

不过，这可能是在现有光纤的物理特性不改变的前提下做得到的最后一次大规模容量提升了。信息学家克劳德·香农1948年提出的非线性香农极限（nonlinear Shannon limit）是现有光纤可能无法越过的一个物理极限。他指出，信道存在一个由带宽和信噪比决定的，能够正确传输数据的最大容量。而非线性的香农极限还包括了另外一个因素，即信号功率的极大值，超过这个值，非线性效应（在玻璃中才会出现）就会导致过大的噪声将信号淹没。

因为香农极限的存在，有公司已经动起了改造现有光纤设备的念头。Infinera公司认为可以通过把光纤内芯做得更大来实现更高的传输速度。另有公司认为可以在一根光纤内制造出平行的光信号通路，供许多独立的信号传播，称为空（间）分复用（spatial-division multiplexing），采用可以容纳多个光波导内芯的光纤，而且只需要使用一个特制的放大器，成本远低于8个单独光纤放大器。

不过，这些创新模式还都在研发中，有些公司在实验室里取得了更快的传输速度，尽管还不能直接投入使用，但是未来的发展潜力已经显露出来，如果这些技术在实际应用方面的问题被解决，很可能将现有的光纤通信容量提高几百倍。

后记

无论如何，随着云计算、物联网等基础通信需求逐渐投产，更大的带宽和更快的传输速度总是会被需要，而研究者们也会在提升这两项指标方面投入更多的精力。从理论上来说，网络带宽的发展是无止境的，因为即便没有工程技术上的突破性进展，只通过简单的增加光纤和光缆也可以成倍的提升带宽，而对于服务提供商来说，其实并不在意网络运营商通过什么样的办法来提升带宽。