1966年，就职于英国标准电信实验有限公司的华裔科学家高锟（K.C.Kao），联合他的同事乔治·霍克汉姆（G.A.Hockham），共同发表了一篇题为《光频率介质纤维表面波导》的论文。

在论文中，他们明确提出，只要解决了玻璃纤维的纯度问题（减少杂质），就可以减少光信号在玻璃纤维中的衰减。当衰减率下降到 20 db/km时，这根玻璃纤维，就可以用于实用型通信。

这篇论文，后来被视为光纤通信理论的奠基之作。它开启了光纤时代的大门，也改变了人类通信技术的走向。

过去：世界上第一根光纤的诞生

现在我们都知道，这篇论文意义重大。但实际上，论文发布之初，并没有获得行业的认可。当时，没有人相信高锟的结论。所有人都认为，高锟所设想的“没有杂质的玻璃”，是不存在的。为了证明自己的理论，高锟造访了世界各地的玻璃工厂，试图寻求合作。但是，这些工厂都拒绝了高锟。他们不打算进行深入研究，因为这种研究“无意义且耗资巨大”。

1966年的年底，事情迎来了转机。

一位名叫威廉·谢弗（William Shaver）的工程师，在英国伦敦的邮局研究实验室访问，看到了实验室介绍的光纤通信项目，产生了浓厚的兴趣。威廉·谢弗所服务的公司，不是一家普通公司，而是美国历史最悠久的玻璃制造企业——康宁公司（Corning Glass Works）。康宁公司成立于1851年。 据说，爱迪生发明电灯的玻璃灯泡，就是他们造的。回到美国后，威廉·谢弗向公司高层汇报了自己的见闻，并强烈建议公司进行光纤研究。

威廉·谢弗的建议，得到了康宁公司高层的重视。很快，他们就低调启动了高纯度玻璃纤维的研发。

负责牵头这项工作的，是康宁公司的研发总监——比尔·阿姆斯特德（Bill Armistead）。他找来了公司物理学家罗伯特·毛瑞尔（Robert Maurer），配给他两名新入职的年轻研究员（化学家皮特·舒尔茨、实验物理学家唐纳德·凯克），从而组建了一个3人研究小组。

3人小组正式启动研究后，就发现自己面对的是一项巨大的挑战。

当时，纯度最高的玻璃纤维，衰减率约为 1000 dB/km。想要将这个值减小到 20 dB/km，并不是50倍的关系，而是惊人的10的98次方系数关系。

对他们来说，有两种可行的起步方案：第一，采用大量高纯度的光学玻璃。第二，熔融石英（SiO2，二氧化硅），因为石英可以做到高纯度。

第一种是比较成熟的方案，也是那时大部分同行选择的方案。但是，罗伯特·毛瑞尔独辟蹊径，选择了第二种方案。事后他回忆道：“如果你做的事情与其他人所做的不同，你就有两个优势。一，你可能会在他们失败的地方取得成功。二，如果你失败了，会收集到他们没有收集到的信息。”

二氧化硅是一个纯度很高的材料。但是，它的熔解温度极高，需要1650℃。一般的烤炉，根本达不到这样的温度。经过一番调查，罗伯特·毛瑞尔找来了化学博士弗兰克·齐马（Frank Zimar）帮忙。弗兰克·齐马曾经为康宁早期的半导体项目建造了一个烤炉，可以实现2000°C的高温。在弗兰克·齐马的帮助下，1967年，罗伯特·毛瑞尔的小组基于掺钛二氧化硅，拉出了第一根试验型单模光纤。经过测试，这根光纤的衰减仍然很高，但相比之前已有很大的改进。这增强了研究小组的信心。

后来，研究小组经过反复尝试，逐渐掌握了光纤预制棒的拉制技巧，还有烟灰沉积物处理等关键技术。他们制造的光纤，衰减率指标不断改进，逐渐逼近理论值。

3人小组的研究进展，被康宁公司严格保密。直到1970年7月22日，研究小组从6个不同成分的掺钛预制棒中，拉出6根光纤。

8月7日，他们对这些光纤进行测试。在测试一根29米长的光纤时，他们得到了一个惊人的衰减值结果——17 dB/km。这是有史以来第一次达到 20 dB/km的论文目标。

唐纳德·凯克激动地将这个数字记录在笔记本上，还写下了“Whoopee（哈哈的意思，表示兴奋）！”的字样。29米的光纤长度较短，可能影响测试结果的准确性。为了更加严谨，8月21日，他们又拉出了一根210米的光纤，并进行测试。

当唐纳德·凯克的氦氖激光器进入光纤纤芯时，他惊讶地看到一道非常明亮的红色闪光。他意识到，这是来自光纤远端的菲涅尔反射。此时，他记录下了光纤衰减率的测试结果——16.9 dB/km。

终于，他们可以松口气了。世界上第一根符合理论的低损耗试验性光纤，正式诞生。

1970年9月底，罗伯特·毛瑞尔飞往伦敦，在英国电气工程师协会主办的“导波干线通信”会议上，宣布了自己团队的研究成果，引起了整个行业的轰动。

后来，英国邮局实验室和标准电信实验室专门对他们的光纤进行测试，验证了他们的成果。

康宁的光纤研制成功后，并没有马上上市商用。因为，他们的光纤使用的是掺钛纤芯，还存在一些技术缺陷。两年之后，1972年6月，康宁公司以掺锗纤芯代替掺钛纤芯，采用外部气相沉积 （OVD），制造出了一条损耗低至 4 dB/km的多模光纤。这根光纤，不仅衰减更低，而且实用性更强，制造过程更为简单。

后来，因为经济衰退的原因，康宁公司的发展遇到了一些问题，影响了他们对光纤技术的商用推广。为了筹措资金，在康宁公司董事长兼首席执行官艾默里·霍顿（Amory Houghton）的支持下，康宁光纤业务负责人查克·露西（Chuck Lucy）与多家通信公司进行谈判，签订了联合开发协议，分摊开发成本。这些协议，加快光纤技术的商用落地。1976年，美国AT&T公司在亚特兰大安装了世界上第一个实验性光纤通信系统，长度约为1.25英里（约2000米）。

三年后，1979年，日本电报电话公司（NTT）研制出了 0.2 dB/km的极低损耗石英光纤。这个衰减值， 基本接近了散射的理论极限。

1980年，普莱西德湖冬奥会首次使用光纤电缆传输电视信号，取得了巨大成功。

再后来的故事，大家应该都比较熟悉了。

现今：光纤通信承担起全球通讯的主要“责任”

如今，光纤通信已然成为整个通信网络的支柱和底座。全网超过98%以上的信息，都是通过光纤通信传递的。

在产业方面，光通信作为承载网（传送网）和数据中心的关键技术，支撑起了规模庞大的产业链。

根据研究机构的数据，2020年全球光通信下游市场收入规模达到1.4万亿元。而面向未来的光通信，仍然还有很大的发展空间。现网中的数据流量，正在按照每年30%~40%的速度增长。从整体来看，技术变革仍然跟不上业务流量的增长速度。

在“云-管-端”架构下，光通信的业务流量压力，一方面来自用户端，另一方面来自云端。用户端这边很明显。随着5G（蜂窝5G）、F5G（固网5G）的持续发展，4K/8K超高清视频的普及，用户侧终端的带宽在不断增加，承载网（传送网）的带宽也必须紧密跟进。云端的带宽增长需求，更多是来自云业务的增长。

云业务具有横向流量（东西向流量）大的特点，分布式部署的方式，也加剧了这一类型的流量。云业务、云服务的增长，刺激了数据中心（DC，Data Center）的建设热潮。

数据中心之间的连接——DCI（DC Interconnect，数据中心互联），带宽需求明显增加，成为一个重要的增长点。

如何才能解决光通信网络带宽不足的问题呢？

从总体来看，还是两个思路。一，是通过更先进的技术，把传输网网络的物理带宽变得更大。二，是加强网络的调度能力，提升效率。

这就好比是我们的城市交通。一方面，要把路修得更宽，单车道变双车道、四车道甚至八车道。另一方面，设立更多、更智能的红绿灯，安排更多的交警，进行合理调度。

我们先看看底层的带宽提升技术。

目前，光纤通信的单波100G已经广泛商用。200G、400G的光模块光通道，基本上都是基于单波100G。

400G光模块在2019年左右就已经成熟商用，主要是国外Google、Facebook等公司的数据中心在普及。国内并没有广泛采用400G，一方面是因为要循序渐进（考虑成本），另一方面是基于网络架构的需求。也就是说，如果运营商的网络架构，设计接口是需要200G，那就是用200G，没有必要强行上400G。

未来，单波400G将是下一代OTN技术的基础传输速率。

从底层技术来看，提升带宽的主要手段，还是离不开最基础的通信原理。

方法一，采用更先进的调制技术。

方法二，使用更大的频谱带宽。

一般情况下，波道采用C波段，频谱资源是4THz。扩展为CE波段后，频谱资源增加20%，为4.8THz。如果采用C++波段，是6THz。如果采用C+L波段，是11THz，相比C波段提升了175%。毫无疑问，这可以显著提升光纤资源的利用率。

方法三，在芯片和算法上做文章。

方法四，研发新型光纤，提高单根光纤中的纤芯数，或引入材料学技术，降低光纤传输过程中的损耗。

除了载波带宽之外，节点的能力提升也是光网络的关注重点。通过ROADM、OXC等技术，将节点全光化，避免光电交叉转换，减少环节，提升带宽，降低时延。目前，骨干网的全光化已经很大程度完成。后续就是城域网（先城域核心，再汇聚、接入）的全光化。

OTN/WDM的下沉，也是专家们关注的重点，一方面可以支撑带宽增长需求，另一方面可以大幅节约光纤资源。

未来：光纤通信技术的突破与趋势

从高锟提出光纤可以用于通讯传输的设想开始,光通信技术就随着光纤一路蓬勃发展,改造世界。可以说,光纤是光通信技术的基石,现如今几乎所有的光传输技术都需要将光纤作为传输媒介。

华为光产品线首席技术规划师唐晓军就将下一代主流光纤设想作为未来十年光通信关键技术面临的九大挑战之一。他认为,为了匹配距离不变、容量不断翻倍的要求,并满足波分产业发展的光摩尔规律,下一代光纤需具备以下特点:第一是高性能,本征损耗小,抗非线性效应能力强;第二是大容量,覆盖全量或更宽的可用频谱;第三是低成本,可工程化,包括:易制造,成本应与G.652光纤相当或接近,易部署及易维护。

唐晓军提出,未来的技术研究方向应包括但不限于空芯光纤、SDM光纤等。

SDM光纤实现重大突破

对于光通信行业来说,空芯光纤、SDM光纤早已不是什么新概念了。

早在1979年,行业内就已经出现了SDM光纤类似方案,并在1995年成功完成1Gbps光信号在1km内的传输。而到2012年,SDM光纤也曾一度成为行业热点,此时的应用水平已经达到了305Tbps在10km内的传输,业界普遍将其认为是克服单模光纤香浓极限的唯一办法。

近些年,随着SDM光纤商用进程加快,商用项目增多,这种曾经红极一时的产品再次出现在人们的视线中。

谷歌就率先完成首条SDM技术设计的12光纤对长途海缆——Dunant(杜南)海缆系统的部署和测试工作,使其在大西洋上的传输能力达到创纪录的307.2 Tbps,这也是SDM技术在市场上的首次应用。SDM技术使得每对光纤都可以以较低的光功率和信噪比运行。

该项目研究人员表示,使用SDM技术的海缆是未来的发展方向,SDM技术将使得海缆拥有更大的容量。传统的海缆依靠每个光纤对的专用激光器来沿着光缆的长度放大光信号,而SDM允许泵激光器和相关的光学元件在多个光纤对之间共享。

除了谷歌之外,Facebook和微软等其他互联网巨头也对该技术饶有兴趣,诺基亚更是大力推广SDM,将其称之为光传输未来的必由之路。

SDM光纤在过去的多年来一直处于理论和学术领域,近几年的商业部署对于这项技术来说是一个重大突破,这意味着未来新一代光纤技术已经趋于成熟。

应用场景拓宽,空芯光纤或将助力6G建设

空芯光纤也已经问世二十余年,被公认为是光子晶体光纤技术中最具革命性的创新。在这类光子晶体光纤中,通过在光纤包层中产生光子带隙可以将光限制在中央的空心核中传播。其优点是光纤性能不受纤芯的材料特性限制,通过合理设计,空心光纤可以实现传输过程中超过99%的光一直处于空气中,从而大大降低了光纤材料特性对光学性质和光纤性能的影响。在很多应用领域中,它比传统的光纤更有优势,未来也很有可能取代传统的光纤。

近年来,各厂商、研究机构陆续推陈出新,空芯光纤也迎来了自己的高光时刻。

月初举办的OFC2022期间,空芯光缆解决方案提供商Lumenisity就宣布推出创纪录的的空心光纤DNANF。其具有较低的光损耗,可以提供更大的光传输容量、更长的覆盖范围和更宽的光谱带宽。该技术的传输衰减在目前所有空心光纤中也是最低水平。

而早在去年,英国电信就已经开始进行空心光纤的应用测试,他们认为这种光纤可以将传输延迟降低50%以上,有助于帮助降低移动网络成本,支持高端应用。

宁波艾菲博的总工程师郑羽曾表示,空芯反谐振光纤在通信领域是未来的发展方向,可用于在超过10km的网络上实现密集波分复用(DWDM)的应用。基于空芯光纤,我们可以做很多激光方面的应用,包括气体超连续谱输出,比如拉曼效应的光频梳,包括高能量激光传输用于激光加工、激光切割、激光点火等等的应用。

此外,研究表明,空芯光纤还可以辅助太赫兹信号传输。

据国内研究发现,太赫兹空芯光纤具有作为太赫兹信号高速传输新介质的潜力。太赫兹空芯光纤是一种新型的高效传输介质,主要由中空基板和具有高反射率的金属镀层组成。太赫兹空芯光纤在从可见光到远红外甚至太赫兹波段的宽波长范围内都具有低损耗的特性,其损耗可以做到每米小于1dB。借助PS技术和先进的DSP,可以成功实现频谱效率为8.6bit/(s·Hz)的275.2Gbit/s传输速率。目前,该技术还在试验阶段,未来将有望实现速率超1Tbit/s的太赫兹信号在km级别的距离上进行长距离传输。

太赫兹通信作为未来6G发展的必选项,未来也将可以应用于星际通信项目,这使得太赫兹成为目前通信领域的热门研究方向,随着传输技术的逐渐成熟,空芯光纤势必也可以在6G建设中占有一席之地。

文章来源： 鲜枣课堂，飞小邑的小店