2015年光通信行业十大技术突破

2015年光通信行业十大技术突破科学技术发展到现在，已经不仅仅代表着生产力，更是竞争力、生存力的体现。纵观光通讯行业2015年发展，光通讯技术依旧实现了多领域突破：我国可见光通信速率提至50Gbps；5G需求迫在眉睫，阿朗研究出MIMO-SDM新技术应对；中科大量子密码分配突破，安全传输距离破纪录；1、我国可见光通信研究获得重大突破由信息工程大学牵头承担的国家863计划“可见光通信系统关键技术研究”项目取得重大突破，一举将可见光实时通信速率提高至50Gbps，相当于0.2秒即可完成一部高清电影的下载，是当前公开报道的国际最高水平的5倍，相关成果已通过国家工业与信息化部电信传输研究所测试认证。可见光通信是利用半导体照明（LED灯）光线实现“有光照就能上网”的新型高速数据传输技术，其频谱带宽是当前在用无线电频谱带宽的近万倍，是具有广阔应用前景的下一代无线通信技术之一。该技术特有的抗干扰、抗截获、高速宽带接入等能力，使其在高性能计算机、相控阵雷达、舰船等装备通信领域具有重大应用需求和发展前景。中国工程院院士、信息工程大学教授邬江兴介绍说，目前，全球大约拥有440亿盏灯具构成的照明网络，数百亿的LED照明设备与其它设备融合将构筑一个巨大的可见光通信网。可以设想，未来实现大规模可见光通信后，每盏灯都可以当做一个高速网络热点，人们等车的时候在路灯下就可下载几部电影，在飞机、高铁上也可借助LED光源无线高速上网，满足室内网、物联网、车联网、工业4.0、安全支付、智慧城市、国防通信等网络末端无线通信需求，为互联网＋提供一种崭新的廉价接入方法。2、阿朗研究出MIMO-SDM新技术突破光网络容量限制阿尔卡特朗讯旗下研创机构贝尔实验室在打破光网络容量限制方面取得突破。这一新的技术成果将满足未来5G及物联网不断激增的流量需求。贝尔实验室的研究表明，电信运营商和企业正在见证网络数据流量的快速增长，其累计年均增幅已超过100%。随着5G无线技术的出现，贝尔实验室预计，十年之内，对每秒能处理P比特（Petabit，简称Pb，1Pb相当于1000Tb或者100万Gb）级别数据的商用光传输系统的市场需求将会变得更加迫切。为了应对这一迫在眉睫的需求并打破当前光网络的容量限制，贝尔实验室首创的MIMO-SDM技术成功地在全球进行了第一次演示，该技术有望把目前10Tbps到20Tbps的光纤容量提升至Pbps级别。在美国新泽西的全球总部，贝尔实验室采用6个发射器、6个接收器以及实时数字信号处理，在60公里长的耦合光纤上顺利完成了6x6MIMO-SDM实时试验。贝尔实验室旨在利用MIMO-SDM技术克服当前光纤中由非线性“香农极限”所规定的容量限制。“香农极限”为城域及长距传输网络中单光纤信息传输的最高速率设定了基本极限值。谈及这一突破，阿尔卡特朗讯CTO及贝尔实验室总裁MarcusWeldon表示：“此次试验印证了我们在未来光传输发展领域所取得的重大突破。随着5G无线技术的出现以及正在发生的网络云化，我们正处于通信网络深度变革的十字路口。运营商和企业都看到了流量激增给网络带来的巨大挑战。贝尔实验室一直通过持续创新来重塑未来通信网络，以满足这些需求。”3、中科大取得量子密码分配新突破安全传输距离破纪录中科大郭光灿院士领导的中科院量子信息重点实验室在实用化量子密码技术领域取得重要突破，该实验室韩正甫、陈巍等完成了目前世界上距离最长的环回差分相位协议量子密钥分配验证实验，成果发表在国际著名期刊《自然·光子学》上。量子密钥分配基于量子物理的基本原理，在理论上可以实现无条件安全的密钥协商，是量子安全通信的基础之一。但在实际系统中，有可能存在安全漏洞。传统解决方案多基于对核心安全参数进行统计和监测，这既增加了系统复杂度，又容易引入额外安全性隐患。近期，有科研人员提出一种新型环回差分相位协议，该协议无需监测环境对光量子信号参数造成的扰动，也可准确估算实际系统的安全性。该协议的优势在于时间跨度越大安全性越高，但实现稳定可调的大时间跨度极其困难。为验证这个新协议的实用化前景，韩正甫小组发展了自主提出的“法拉第-迈克尔逊”型干涉仪，通过改进制作工艺显著提高对称精度，并采用高速主动光学切换技术和主动相位补偿技术，解决这一协议的核心技术难点，并利用目前的商用器件，成功实现安全传输距离超过90公里的量子密钥分配，创造这类实验传输距离最远世界纪录。韩正甫表示，相比于同期实验，该实验具有可扩展性好、易实现和稳定性强等显著优势，为推进量子密钥分配技术实用化提供了新的技术途径。4、激光Li-Fi传输速度突破100G每秒Li-Fi通过调节LED光输出的数据进行编码。人类的眼睛无法觉察到快速的闪烁，但在桌面计算机上的接收器或移动设备可以读取信号，甚至可以把信号返回房间天花板上的信号收发器，提供双向通信。但许多发光二极管用荧光粉涂层把蓝色光转化成白色光，这也限制了数据传输的速率。哈斯和他的团队研究表明，用激光二极管替换现有的LED灯可以大大改善现在的情形。激光器的高能量与光效率，传输数据的速率可以比LED快10倍。不使用荧光粉，激光照明可以混合不同波长的光产生白色光。这意味着每个波长的光可以用作一个单独的数据通道，同样的光波可以双向传输，可以大大提高光传输数据的速率，爱丁堡大学团队的试验用了9个激光二极管。虽然基于LED的Li-Fi可达到10Gb/s的数据传输速率，可以改善Wi-fi7Gb/s的数据传输速率上限。激光传输数据的速率可以很容易超出100Gb/s。目前，这种设备目前还非常昂贵，爱丁堡大学正在寻求大规模生产来降低其成本，并且可以把它应用到照明市场。宝马i8的前大灯就是基于该激光灯。5、加拿大大学成功研发新型硅光子集成可调滤波器如何建设更高速更优化的因特网？如何让无源器件进一步可集成化？加拿大魁北克城Laval大学ShiWei教授用自己全新设计的可调光滤波器给出自己的答案。Shi教授指出，能耗和每个光器件的成本妨碍了更高速因特网的实现。他和他的团队设计的可调光滤波器由于其可集成到光子芯片上大大降低了光网络的成本和功耗。该可调滤波器的性能可以比拟传统的可调滤波器，但是尺寸和成本只是原来的几分之一。该器件的可调谐范围号称是硅芯片上以往展示的可调谐滤波器中最宽的。此外，该器件拥有几乎无限的自由频谱范围，意味着它可以在任何频率范围工作。另外，该器件还具有非常低的插损和带内波动，低串扰和低延迟的特性。该器件采用了比人类头发的宽度小1000倍以上的周期性的纳米结构来实现分光。波长调节基于硅芯片上的微加热器来改变纳米结构。整个器件在CMOS兼容的纳米光子平台上实现，从而确保了低成本。Shi教授表示，“最令人兴奋的所有这些都是在硅光子平台上实现的。这标志着这种滤波器可以同其他器件集成到一起，这就像找到拼图游戏中迷失的一片。”可调谐滤波器是光网络设计中重要的光器件。由于光谱资源是有限的，灵活分配带宽，在指定时间分配制定带宽给指定用户就非常重要。可调谐滤波器是实现灵活光网络的关键器件。Shi教授及其团队开发的可集成可调谐滤波器可调频率范围670GHz，大大高于其他硅光子集成可调谐滤波器的100GHz带宽，未来Shi教授还表示可以进一步拓展到1THz可调范围。Shi教授表示，“大容量光网络将变革人类的生活。下一代的因特网技术意味着巨量的数据传输。想一想过去十年来因特网的进步，展望未来的因特网，可以说现在还仅仅是个开始。”6、光纤超远距传输增至5890公里新技术摆脱光纤传输瓶颈来自英国伦敦大学学院的研究人员表示他们已经找到了一种方法，可以部分利用克尔效应（KerrEffect）来极大地提升普通光纤电缆中数据的传输距离，同时能够确保所传数据的完整性。克尔效应，也被称为“二次电光效应”，是物质因响应外电场的作用而改变其折射率的一种效应。该现象限制了相干数据可以传输的距离，由苏格兰物理学家约翰·克尔于1875年所发现。克尔注意到的效果是，由于外电场的作用，物质的折射率发生了改变，从而导致所发送的信息失真。如果在玻璃光纤中不使用中继器的话，数据在其内部的传输距离还将会有上限瓶颈。而目前，英国伦敦大学学院的研究人员研发出的处理光纤信号的新方法，则通过消除经由一条光纤电缆的不同光通道之间的相互作用，同时采用新型的接收器和精密的信号处理算法，便可以在无需使用中继器的情况下，提升光纤电缆的无差错传输距离。该项研究有望进一步削减远距离光纤通信的成本，因此目前由英国工程和物理科学研究委员会资助展开。据悉，研究人员在一根光缆中利用由7信道10GBd子载波排列出一个DP-16QAM（偏振复用16进制正交幅度调制）超级信道进行光传输。该超级信道结合优化的前向纠错算法，可将最大的传输距离从3190公里增加到5890公里。7.量子通信新突破：“量子关联”光子可充当电子的信使美国斯坦福大学物理学家余利奥和他的科研团队让相隔1.2英里的光子和自旋的电子发生了关联。这项研究解决了量子物理学领域老大难问题--如何远距离传输“纠缠”的粒子。量子纠缠是两个或更多粒子在不同的空间即使相距几千里也互相关联的现象。以纠缠的电子为例，电子自旋的方向有两种，如果两个电子发生了纠缠，它们的自旋方向也会发生联系。爱因斯坦曾把这种现象称为“幽灵般的行为”。电子被困在原子之中，所以纠缠的电子无法通过长距离直接发生“对话”，不过光子却可以。因此，科学家可以先让光子和电子发生所谓的“量子关联”，这样光子就可充当信使的作用，传达电子的自旋信息。为实现这一目的，余利奥团队需要保证光子和电子在长距离传输中一直保持关联，这是个很关键的挑战，因为光子在光纤电缆中传输时有改变方向的倾向。光子可有两种方向--垂直或水平，不过如果光子的方向在途中发生改变，它与电子的关联就消失了。余利奥设计了一种时间戳来将光子的到达时间与电子自旋发生关联，这可以为每个光子提供参考信息来确认它与哪个电子相互关联。为最终让两个从未谋面的电子在远距离发生纠缠，科研人员需要将分别与不同的电子发生关联的光子通过光纤发送出去，让它们在中间的分束器中汇合并互动，这就需要让光子发生双光子干涉。但是来源不同的光子会有不同的颜色或波长等，而波长不同的光子无法互相干涉。为克服这个困难，科研人员在光子传输前，让其通过量子降频变换器使波长达到一致，最终成功地让光子为相距1.2英里的电子捎上了信儿。“这项工作可为未来在全球范围内实现数据高度安全传输的量子通信网络做铺垫。”余利奥补充道，与传统计算机相比，量子超级计算机的速度将实现指数级的飞跃，而他们的研究也让量子计算机离现实更近了一步。8、日本NTT利用光器件完成量子中继NTT公司与加拿大多伦多大学共同发表了仅用光器件即可进行长距离量子中继通信的研究成果。这一成果表明，在使用量子加密和量子隐形传输等技术进行长距离量子中继通信时，可以不使用迄今为止必不可少的量子存储器，仅使用光收发设备也可以实现量子中继通信，使具有终极安全性能的“量子互联网”向实用的目标又迈进了一步。通常，量子中继通信过程中，在收发设备之间需要设置若干中继器，以便有效传输“量子纠缠”。为此，需要使用量子存储器存储生成的量子纠缠，并在其中进行必要的量子计算。新技术提出了在具备量子纠缠产生条件的状态下先进行量子计算，然后再生成量子纠缠的“时间反演”处理方式。由于该方式不需要使用量子存储器，从而颠覆了量子中继通信必须使用量子存储器的定论。利用线性光器件以及单一光源等现有光通信设备进行量子中继，能够比较容易地实现量子加密的远距离传输，此项技术的应用，将使量子互联网距离实现又接近了一步。NTT公司认为，早日实现量子中继的实用化，也是实现使用类似光器件的量子计算机的重要里程碑。9.光纤中量子隐形传输刷新纪录美国国家标准技术研究所(NIST)的研究人员已经能够实现在102km长的光纤上实现量子隐形传输，是去年瑞士日内瓦大学一科研组织所能达到25km的4倍，光纤中量子隐形传输刷新纪录。自由空间量子远距离隐形传输几年之前就已能够实现，但是在光纤中实现同样的过程却极具挑战性。主要是因为没有足够灵敏用于接收数据的单光子探测器。NIST