一文了解光纖通信技術(shù)演變歷程

1966年，高錕博士在理論上證明只要解決光纖純度問(wèn)題，就能夠利用光纖以低于20dB/km?的損耗高效的傳輸信息。

自此，光纖通信技術(shù)開(kāi)始了飛速的發(fā)展。1970年，按照高錕博士的設(shè)想，康寧（Corning）公司成功拉制出了損耗不高于?20dB/km?的光纖。而早在1962?年，作為發(fā)射端光源的半導(dǎo)體激光器（Semiconductor Laser）被成功研發(fā)，從此，高相干性、低損耗波長(zhǎng)的半導(dǎo)體激光器和光纖一起配合使用，標(biāo)志著光纖通信系統(tǒng)逐漸走向成熟。

一、我國(guó)光纖通信發(fā)展簡(jiǎn)史

我國(guó)數(shù)據(jù)中心建設(shè)到目前為止可以分為四個(gè)階段。

第一階段是在?1990?年以前，以政府單位，科研院所為主體，逐步擴(kuò)展到金融與電信行業(yè)自建的數(shù)據(jù)中心，規(guī)模較小，主要用于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與管理。

第二階段是在?1991?年到?2000?年，互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)開(kāi)始快速發(fā)展，電信運(yùn)營(yíng)商開(kāi)始加大數(shù)據(jù)中心建設(shè)力度以滿足互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)增長(zhǎng)帶來(lái)的帶寬，存儲(chǔ)等需求。此時(shí)的數(shù)據(jù)中心規(guī)模開(kāi)始變大，等級(jí)有所提升。

第三階段是在?2001?年到?2010?年，信息化的進(jìn)程逐漸成熟，銀行業(yè)開(kāi)始進(jìn)入大數(shù)據(jù)時(shí)代。以銀行為主體的自有數(shù)據(jù)中心機(jī)房開(kāi)始在全國(guó)范圍建設(shè)，政府電子政務(wù)改革也推動(dòng)著數(shù)據(jù)中心的建設(shè)。數(shù)據(jù)中心的建設(shè)開(kāi)始朝著大型化，高等級(jí)化發(fā)展。

第四階段是2011?年至今，隨著通信技術(shù)的快速發(fā)展，各種新興業(yè)務(wù)不斷涌現(xiàn)。云計(jì)算，物聯(lián)網(wǎng)，移動(dòng)互聯(lián)技術(shù)成為新的重點(diǎn)發(fā)展產(chǎn)業(yè)，各大企業(yè)開(kāi)始積極建設(shè)數(shù)據(jù)中心機(jī)房以滿足急劇增加的用戶需求。

數(shù)據(jù)中心建設(shè)開(kāi)始面向轉(zhuǎn)型，從以前的資源消耗型轉(zhuǎn)向應(yīng)用服務(wù)型，朝著大型化，集群化，專(zhuān)業(yè)化以及綠色化，低碳化的方向發(fā)展。尤其是在?2020?年全球爆發(fā)新冠肺炎后，數(shù)字經(jīng)濟(jì)，云辦公，大數(shù)據(jù)分析等業(yè)務(wù)需求暴增。

二、數(shù)據(jù)中心未來(lái)方向

未來(lái)數(shù)據(jù)中心的發(fā)展建設(shè)，主要需要面對(duì)以下兩個(gè)問(wèn)題。

一是未來(lái)數(shù)據(jù)中心建設(shè)需要綠色化，需要解決數(shù)據(jù)中心的能耗問(wèn)題，數(shù)據(jù)中心有近一半的成本是在電力能源消耗上。為了追求數(shù)據(jù)中心低能耗建設(shè)，微軟在?2018?年將一個(gè)裝有?864臺(tái)服務(wù)器的數(shù)據(jù)中心沉入海底，利用海水進(jìn)行冷卻散熱，在散熱方面的功耗急劇降低，總體成本也顯著下降。

在國(guó)內(nèi)，阿里云在杭州千島湖建設(shè)了一座可以容納超五萬(wàn)臺(tái)服務(wù)器的數(shù)據(jù)中心，千島湖年平均氣溫?17℃，數(shù)據(jù)中心通過(guò)湖水對(duì)服務(wù)器循環(huán)冷卻，在制冷的功耗上比傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心降低了超?80%。

華為，騰訊，電信運(yùn)營(yíng)商在貴州大力建設(shè)數(shù)據(jù)中心，原因之一就是云貴高原海拔高，自然風(fēng)資源豐富，氣溫低，水資源豐富，電價(jià)便宜，不處于地震帶，成為建設(shè)數(shù)據(jù)中心的優(yōu)選地點(diǎn)。

二是大型化，建設(shè)更加大型體量的數(shù)據(jù)中心用以解決超大規(guī)模的數(shù)據(jù)處理需求。從全球數(shù)據(jù)中心的發(fā)展角度來(lái)看，傳統(tǒng)小型規(guī)模數(shù)據(jù)中心的計(jì)算能力在?2010?年占所有數(shù)據(jù)中心計(jì)算能力的?79%，然而到?2018?年全球超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心已經(jīng)占據(jù)了89%的計(jì)算能力。

以美國(guó)為例，其超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心的規(guī)模在全球達(dá)到了40%的比例，因此超大規(guī)模數(shù)據(jù)中的建設(shè)將會(huì)是未來(lái)數(shù)據(jù)中心建設(shè)的主要方向之一。

三、數(shù)據(jù)中心傳輸方式

下圖為數(shù)據(jù)中心光互聯(lián)示意圖，數(shù)據(jù)中心光互聯(lián)包括數(shù)據(jù)中心內(nèi)部互聯(lián)與數(shù)據(jù)中心之間的互聯(lián)。數(shù)據(jù)中心內(nèi)部光互聯(lián)的范圍一般在幾百米的距離內(nèi)，一些超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心內(nèi)部的傳輸距離能夠達(dá)到幾公里的范圍。

思科公司在2021年全球數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)流量傳輸中，71.5%的數(shù)據(jù)流量傳輸處理發(fā)生在數(shù)據(jù)中心內(nèi)部，超過(guò)13.6%的數(shù)據(jù)流量是在數(shù)據(jù)中心之間的互聯(lián)中傳輸處理，如此超大規(guī)模的數(shù)據(jù)傳輸需要極大數(shù)量的光傳輸設(shè)備的支持。

由于城市位置分布，電力供應(yīng)，業(yè)務(wù)需求，跨地域容災(zāi)備份等不同情況，數(shù)據(jù)中心之間光互聯(lián)的傳輸距離一般從十幾公里到幾百公里范圍不等。

對(duì)于具有幾十公里甚至數(shù)百公里的數(shù)據(jù)中心之間的光互聯(lián)，采用的是獨(dú)立于骨干網(wǎng)的光纖鏈路。

在上千公里的骨干網(wǎng)傳輸中，使用相干探測(cè)技術(shù)已經(jīng)是毫無(wú)爭(zhēng)議的，能夠利用相干接收機(jī)線性檢測(cè)信號(hào)，并借助先進(jìn)的DSP算法補(bǔ)償光纖色散，非線性以及偏振色散等損傷，支持高速數(shù)據(jù)傳輸。

然而數(shù)據(jù)中心之間光互聯(lián)的傳輸距離跨度為十幾公里到幾百公里的范圍，對(duì)于未來(lái)大容量數(shù)據(jù)中心之間的光互聯(lián)使用?IM/DD?還是相干探測(cè)技術(shù)是產(chǎn)業(yè)界與學(xué)術(shù)界重點(diǎn)討論的問(wèn)題。

第一代光通信系統(tǒng)采用的是多模光纖，多個(gè)不同傳播系數(shù)與群延時(shí)的模式在波導(dǎo)內(nèi)進(jìn)行全反射，到達(dá)接收端的光脈沖由不同延時(shí)的信號(hào)疊加組成，導(dǎo)致脈沖擴(kuò)展現(xiàn)象。這種現(xiàn)象在光通信中叫做模式色散，嚴(yán)重限制了光信號(hào)在光纖中的傳輸距離。

在單模光纖中使用單個(gè)模式的光源便可以消除模式色散，增加光傳輸系統(tǒng)的中繼距離。

第二代光通信系統(tǒng)通過(guò)使用?1310 nm?波長(zhǎng)的光源與單模光纖成功抑制了脈沖擴(kuò)展現(xiàn)象。1987?年，第二代商用的光通信傳輸系統(tǒng)成功將傳輸?shù)谋忍厮俾蕪牡谝淮?45 Mbit/s?提升到了?1.7 Gbit/s，中繼距離也增加到了?50 km，系統(tǒng)的速率距離積得到了極大提升。

在1310 nm?波長(zhǎng)的單模光纖傳輸系統(tǒng)中，光纖傳輸損耗一般在?0.4-0.5 dB/km的范圍，因此光傳輸系統(tǒng)的中繼距離仍然受限于光功率。在?1550 nm?波長(zhǎng)范圍，光纖損耗能夠低至?0.2 dB/km，意味著相同發(fā)射光功率的信號(hào)可以傳輸更遠(yuǎn)的距離。

然而，在?1550 nm?波長(zhǎng)附近的光傳輸系統(tǒng)由于光譜窗口的色散過(guò)大會(huì)導(dǎo)致信號(hào)的群延時(shí)，帶來(lái)脈沖展寬的問(wèn)題。

在單模光纖中，由色散引起的脈沖展寬效應(yīng)與被調(diào)制光源譜線寬的平方成正比。為了減輕脈沖展寬效應(yīng)對(duì)光傳輸系統(tǒng)性能的影響，減少光譜譜寬是非常有效的方法。

第一二代光通信系統(tǒng)使用的是多縱模的法布里-珀羅（Fabry-Perot，F(xiàn)P）激光器，發(fā)出的光譜具有非常寬的多音調(diào)頻頻譜，整個(gè)頻譜都是基于強(qiáng)度調(diào)制的。

雖然使用單模光纖能夠消除離散脈沖的模式延遲，但激光器的多縱模式仍會(huì)導(dǎo)致一定的脈沖展寬，從而阻止光源工作在零色散波長(zhǎng)范圍。

四、光纖通信傳輸方式

按照傳輸距離和業(yè)務(wù)承載的不同，自上而下可以將光纖通信網(wǎng)絡(luò)分為三個(gè)層級(jí)，它們分別是骨干網(wǎng)，城域網(wǎng)和接入網(wǎng)，如下圖所示。

2022?年，占比?72%的全球?IP?流量都是通過(guò)內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)（Content Delivery Network, CDN）來(lái)完成數(shù)據(jù)傳輸?shù)摹?/p>

絕大部分緩存視頻、交互式網(wǎng)絡(luò)電視或者點(diǎn)擊量很高的網(wǎng)頁(yè)等資源可以通過(guò)?CDN?來(lái)避免?網(wǎng)絡(luò)流量過(guò)載，從而降低時(shí)延，提高網(wǎng)絡(luò)性能。

為了完成快速響應(yīng)和降低成本，信息源所在的?CDN?網(wǎng)絡(luò)會(huì)盡量靠近用戶側(cè)，也就是部署在互聯(lián)網(wǎng)交換節(jié)點(diǎn)（Internet Exchange Point, IXP）處的數(shù)據(jù)中心（Data Center, DC）中。

其中2022年占比?57%?數(shù)量的?CDN?部署在城域網(wǎng)和邊緣核心網(wǎng)中，這些網(wǎng)絡(luò)中流量都無(wú)需經(jīng)過(guò)骨干網(wǎng)，而是直接在數(shù)據(jù)中心內(nèi)部或者數(shù)據(jù)中心之間進(jìn)行收發(fā)。在數(shù)據(jù)中心內(nèi)部，存在著成千上萬(wàn)臺(tái)服務(wù)器和交換機(jī)。

數(shù)據(jù)中心內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)的光互連一般包括兩種，即服務(wù)器與交換機(jī)的互連和交換機(jī)之間的互連，連接距離不超過(guò)2公里。

在數(shù)據(jù)中心幾乎所有超過(guò)一米的網(wǎng)絡(luò)連接都采用了光互連技術(shù)，“銅退光進(jìn)”是一個(gè)非常明顯的趨勢(shì)。

今天的數(shù)據(jù)中心正從100G向?200G/400G?進(jìn)行演進(jìn)，400G之后的以太網(wǎng)速率預(yù)計(jì)將是?800G和1.6T。

對(duì)于不同傳輸距離、容量、信號(hào)質(zhì)量以及功耗成本要求的光纖通信網(wǎng)絡(luò)，相應(yīng)的通信架構(gòu)和技術(shù)有不同的特點(diǎn)。

比如在跨洋海底光纖通信系統(tǒng)中，傳輸距離達(dá)到上萬(wàn)公里，為了應(yīng)對(duì)光信號(hào)的衰減，需要配備遠(yuǎn)供電源設(shè)備，并且通過(guò)海底光纜的遠(yuǎn)供導(dǎo)體向海底中繼器饋電，從而對(duì)光信號(hào)進(jìn)行放大。

海底光纜鋪設(shè)后會(huì)受到船錨和自然災(zāi)害（地震、海嘯等）等影響，一旦遭到破壞影響極大，修復(fù)工作比較困難。因此，對(duì)于跨洋海底光纖通信系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，鋪設(shè)海底光纜包括相關(guān)供電和保護(hù)的成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于收發(fā)兩端的成本，人們更關(guān)心如何利用現(xiàn)有的海底光纜傳輸鏈路盡可能的提高傳輸容量和質(zhì)量。

而對(duì)于數(shù)據(jù)中心之間和內(nèi)部的短距光纖通信系統(tǒng)，由于其分布密集、傳輸容量要求較高以及傳輸距離短等特點(diǎn)，人們更關(guān)心收發(fā)兩端比如激光器、高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器以及相關(guān)數(shù)字信號(hào)處理（Digital Signal Processing, DSP）模塊的功耗以及成本，而短距光互連場(chǎng)景中光纖資源的成本比較低，所以在短距的應(yīng)用場(chǎng)景中，如何在盡可能提高傳輸容量的前提下，去降低每比特傳輸所需要的功耗和成本就成為了當(dāng)前較為迫切解決的問(wèn)題。

五、光纖通信技術(shù)演變歷程

一般來(lái)說(shuō)，從光纖發(fā)明到現(xiàn)在，隨著時(shí)間的發(fā)展，每隔十幾年就會(huì)有標(biāo)志性的光纖通信技術(shù)的出現(xiàn)，使得傳輸速率和傳輸容量大大的增加，按照傳輸技術(shù)的不同，可以劃分出四代光纖通信系統(tǒng)。

在1978年左右，人們將波長(zhǎng)為850nm的多縱模電注入式半導(dǎo)體激光器作為調(diào)制光源，通過(guò)基帶信號(hào)直接控制激光器驅(qū)動(dòng)電流，從而控制激光器輸出光功率大小。然后將輸出光送入損耗約為3dB/km?的多模光纖（MultiMode Fiber, MMF）進(jìn)行傳輸，搭建了第一代商業(yè)化光纖通信系統(tǒng)，其傳輸速率為45Mb/s，光再生跨距為10km。850nm也成為第一代光纖信號(hào)的傳輸波長(zhǎng)。然而?850nm?附近的信號(hào)受到色散影響較為嚴(yán)重，接收端脈沖的展寬嚴(yán)重限制了通信速率的提升。為了盡可能減小色散的影響，在?1987?年，人們利用多縱模磷化銦激光器輸出波長(zhǎng)為1310nm的激光作為調(diào)制光源，同時(shí)利用單模光纖（Single Mode Fiber, SMF）作為傳輸介質(zhì)，因?yàn)?310nm?波長(zhǎng)在單模光纖中傳輸?shù)纳⒅导s為?0，所以第二代光纖通信系統(tǒng)傳輸速率增加為?1.7Gb/s，光再生跨距也為?50km。

雖然在1310nm?附近色散造成的脈沖展寬很小，但是沒(méi)了色散的影響，非線性效應(yīng)對(duì)信號(hào)的劣化也逐漸增加，這在長(zhǎng)距光纖通信系統(tǒng)尤為突出。

1990年，人們決定寧愿忍受小部分色散，也要降低非線性效應(yīng)的影響，此外，出于把信號(hào)損耗降到更低的考慮，第三代光纖通信系統(tǒng)的傳輸波長(zhǎng)選為損耗更低的1550nm，同時(shí)單模光纖的損耗也降低至0.2dB/km，光再生跨距也延伸到?80km。

1987?年，光纖通信歷史的標(biāo)志性事件之一，摻鉺光纖放大器（Erbium-Doped Fiber Amplifier, EDFA）被成功研發(fā)，全光放大成為現(xiàn)實(shí)。

隨著?EDFA?和波分復(fù)用（Wavelength Division Multiplexing, WDM）技術(shù)的配合使用，標(biāo)志著第四代光纖通信系統(tǒng)的誕生。

在第四代光纖通信中，引入色散補(bǔ)償光纖（Dispersion Compensated Fiber, DCF）可以在光域上補(bǔ)償?1550nm?波長(zhǎng)信號(hào)的色散，使得此波段信號(hào)的優(yōu)勢(shì)被進(jìn)一步放大。第四代光纖通信系統(tǒng)利用?DCF?從光域上將色散補(bǔ)償，可實(shí)現(xiàn)?1000km?以上的單個(gè)載波波長(zhǎng)的?80Gb/s?的傳輸。

由于具有結(jié)構(gòu)穩(wěn)定可靠和費(fèi)用較低的優(yōu)勢(shì)，強(qiáng)度調(diào)制直接探測(cè)（Intensity Modulation and Direct Detection, IM/DD）系統(tǒng)在從?1970?年第一代光纖通信系統(tǒng)開(kāi)始，到?1996?年第四代光纖通信系統(tǒng)開(kāi)始，一直被人們所青睞。

然而，隨著通信速率的進(jìn)一步提升，較低的頻譜效率和色散引起的功率選擇性衰落成為?IM/DD?難以解決的問(wèn)題，自此，人們開(kāi)始把目光投向相干光通信系統(tǒng)。

好了，關(guān)于光纖通信芯片技術(shù)就介紹到這兒，歡迎關(guān)注《半導(dǎo)體全解》，帶你了解更多半導(dǎo)體技術(shù)！

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