2016光通信十大技術(shù)總結(jié)分析

發(fā)布時間2024-04-09 18:27

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來源： OFweek光通訊

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IMT－2020（5G）推進(jìn)組第一階段的5G空口關(guān)鍵技術(shù)驗證和測試后，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。

【點評】靜止和移動場景、短包和長包場景的外場測試增益穩(wěn)定性能優(yōu)異，與高頻毫米波頻段上的組合測試實現(xiàn)了高達(dá)27Gbps的業(yè)務(wù)速率。5G要實現(xiàn)的10Gbps甚至20Gbps的峰值速率、千億的連接、1毫秒的時延能力，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)目煽啃裕诺谰幋a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。

【點評】半導(dǎo)體技術(shù)的精進(jìn)讓芯片可執(zhí)行更多運算，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％，這項新技術(shù)在低功耗的情況下改善一個數(shù)量級的芯片通訊頻寬，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脈。未來還可能協(xié)助達(dá)到百萬兆等級（Exascale）的運算。

光子神經(jīng)形態(tài)芯片

2016年11月，據(jù)《麻省理工技術(shù)評論》雜志網(wǎng)站報道，美國普林斯頓大學(xué)的科研團(tuán)隊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算。該芯片有望開啟一個全新的光子計算產(chǎn)業(yè)。該光學(xué)設(shè)備的原理在于：系統(tǒng)中的每個節(jié)點都使用一定波長的光，這一技術(shù)被稱為波分復(fù)用。來自各個節(jié)點的光會被送入該激光器，而且激光輸出會被反饋回節(jié)點，創(chuàng)造出一個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)。

【點評】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)電路已在計算領(lǐng)域掀起風(fēng)暴?？茖W(xué)家希望制造出更強(qiáng)大的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)電路，其關(guān)鍵在于制造出能像神經(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。光子計算是計算科學(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)制造成本較高，因此一直未被廣泛采用。這將開啟一個全新的光子計算產(chǎn)業(yè)。硅光子神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可能會成為更龐大的、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)有光纖實現(xiàn)遠(yuǎn)距離量子傳輸技術(shù)

2016年10月，據(jù)國外媒體報道，美國國家航空航天局相關(guān)研究人員日前使用城市光纜實現(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，同時通過特別設(shè)計的光子傳感器對傳輸光子進(jìn)行檢測。

【點評】這是首次在現(xiàn)有的城市光纜中實驗量子傳輸。此前研究人員僅僅能夠在實驗室環(huán)境下實現(xiàn)這一距離的量子傳送。通過量子傳送的方式可以實現(xiàn)加密信息的絕對安全傳輸，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)上無法實現(xiàn)信息攔截。在實驗室外進(jìn)行量子傳輸，涉及到一系列問題，是一個全新的挑戰(zhàn)。該實驗克服了這些問題，是未來量子互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的一個重要里程碑。”

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上透露，該院實驗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。

【點評】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)、云計算、智慧城市等多個產(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，讓總運力大為提升。

芯片到芯片通信技術(shù)

2016年7月，據(jù)報道，歐盟已啟動ICT－STREAMS項目，研發(fā)電路板級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項目計劃使用硅光電技術(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，使電路板級總數(shù)據(jù)吞吐量超越25Tb／s。該項目包含：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主平臺幾個項目。

【點評】該項目引入硅光電技術(shù)和WDM作為提升容量、降低功耗的路由機(jī)制，將分別在光引擎級和板級實現(xiàn)1．6Tb／s和25．6Tb／s的吞吐量。在服務(wù)器機(jī)架設(shè)計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，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，實現(xiàn)250微米以下的細(xì)徑。6種光同時運輸?shù)墓饫w通道以19個進(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現(xiàn)100以上的隧道多重化，使得3或6種模塊能運輸?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個模塊可以導(dǎo)波的核心以19個蜂窩狀排列，不足25微米的光纖直徑上，全球最大的114信道實現(xiàn)多重化。

【點評】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個隧道就比較困難。NTT等公司將通過這項研究，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)，以時域分離、相位可調(diào)的光脈沖對為泵浦源，得到跨越S－C－L三個通信波段的頻率間隔為200GHz的糾纏光子對。多光子糾纏態(tài)是量子通信、量子計算和超越經(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％。通過在兩個不同的諧振波長上同時提取兩對光子，得到四光子糾纏態(tài)，其量子干涉條紋可見度達(dá)到89％。

【點評】此次研究在Si3N4微環(huán)內(nèi)成功實現(xiàn)了可見光光頻梳，得到跨越S－C－L三個通信波段的頻率間隔為200GHz的糾纏光子對。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)的時代，并提供了一個可規(guī)模化集成的光量子信息處理平臺。該工作是西安光機(jī)所繼片上并行預(yù)報（Heraled）單光子源和片上交叉偏振糾纏光子對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，諾基亞貝爾實驗室，德意志電信的T－Lab實驗室以及慕尼黑工業(yè)大學(xué)（TechnicalUniversityofMunich，TUM）在一次光纖通信現(xiàn)場試驗中，通過一項新的調(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)行動態(tài)適應(yīng)的時候，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）項目的一部分，這個在德意志電信已經(jīng)部署的光纖網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行的實驗達(dá)到了1Tb／s的傳輸速率。

【點評】PCS新調(diào)制方式的試驗，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更低的頻率來使用那些具有大幅度的星座點來傳輸信號，這樣平均來講，對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獨特的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施來評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的測試場景和技術(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實現(xiàn)610Mbps單路實時傳輸

2016年1月，中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所集成光電子學(xué)國家重點實驗室研究員陳雄斌主持的北京市科技計劃課題“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）宣布已按計劃完成。研究團(tuán)隊委托工信部的中國泰爾實驗室對單路實時610Mbps的可見光通信進(jìn)行了第三方測試，結(jié)果呈現(xiàn)良好，基于1瓦熒光型白光LED和PIN探測器在OOK調(diào)制下單路實時傳輸平均速率610Mbps，在傳輸距離6．2米時，平均誤碼率為3．5e－5量級，遠(yuǎn)低于前向糾錯的誤碼率上限要求3．8e－3。

【點評】可見光通信這項無線光通信新技術(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），未來會催生很多創(chuàng)新應(yīng)用。中國有眾多的LED企業(yè)和廣闊的半導(dǎo)體照明市場，這種基礎(chǔ)優(yōu)勢是其他國家難以企及的?？梢姽馔ㄐ偶夹g(shù)的實用化研究應(yīng)該引起大家重視。

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