2016年2月16日 星期二

凱克定律(Keck’s Law)即將迎向終結?經過數十年的指數成長,光纖容量可能已漸趨穩定(face a plateau)

Is Keck’s Law Coming to an End?

By Jeff Hecht
Posted 26 Jan 2016 | 15:11 GMT

Photo: Sue Tallon
自1980年以來,光纖每秒可以發送的位元(bit)數量增加了約千萬倍。即使由20世紀後期的電子產品(electronics)之標準來看也相當出色,它比同一時期芯片上的電晶體數量(被描述為摩爾定律(Moore’s Law))的跳躍幅度更大。光纖這裡也該有個定律,我稱它為凱克定律(Keck’s Law),以紀念Donald Keck。他是低損耗光纖的共同發明人,並不斷追蹤它在容量上顯著的成長。或許為這股潮流命名能讓大家注意到這個世界上最默默無聞的工業成就之一。

摩爾定律可能得到所有人的注意,但它是由快速電子和光纖通信的結合所創造出來「今日我們擁有的神奇網路」,瞻博網絡公司(Juniper Networks)首席技術官(CTO)Pradeep Sindhu說。相互作用強的電子對邏輯與記憶體間的快速切換而言是理想的,相互作用弱的光子則是完美的長距離傳輸信號。他們共同撐起了持續塑造和定義我們這個時代的技術革命。

現在,隨著電子產品在維持摩爾定律上面臨巨大的挑戰,光纖也在努力保持這個勢頭(momentum)。在過去的幾十年中,一系列的新發展已使通信工程師能讓光纖網絡傳送更多位元。但如今那些輕鬆獲得的成果已在他們身後,若要繼續進展,他們需要想出(conjure up)一些相當驚人的創新。

                                                                                                                                                                                                  


光指數

Data source: Donald Kec
光纖容量多年來取得了指數漲幅。這個圖表中的數據,由Donald Keck彙編,追踪通常早於商業應用的破紀錄的「英雄實驗(hero experiments)」。它顯示出,在引進了下方會提到的波分多工(wavelength-division multiplexing)[淺藍色部]前後,纖維容量的提升。
                                                                                                                                                                                                   

今日的光纖連接中最重要的核心是纖芯(core):寬9微米的一絲玻璃,對波長1.55微米的紅外光來說幾乎完全透明。纖芯由超過50μm具有較低折射率的玻璃製成的包層(cladding)所包圍。經由纖芯發出的雷射信號被困在包層內然後由內部的反射引導方向。

這些光脈衝沿著纖維以每秒約200,000公里的速度呈鋸齒狀前進,是光在真空中速度的三分之二。這纖維幾乎清楚明白(clear),但偶爾會有光子將原子彈進核心內部。光行進的時間越長,越多光子將原子散射離開(scatter off)表面,光子將洩露至包含包層和保護塗料的周圍層。經過50公里,大約90%的光主要是因為這種散射而損失。

因此通信工程師需在固定的間隔內提高的光的強度,但這種方法有其自身的局限性。被增強後的強力信號與光纖玻璃之間的相互作用會導致信號隨著距離增加而逐漸扭曲失真,有點像是在霧霾中遠處的物體會比附近的模糊,因為被更多小粒子所掩蓋。這些失真被稱是非線性,因為它們不會因光強度加倍而加倍。相反的他們以更快的速度增加。當光線足夠強烈時,扭曲失真將把信號淹沒在噪聲中。光纖所經歷的故事是個在散射和失真問題下,找尋方法以提高數據速率及傳輸長度的傳奇。

一開始的光纖訊息是簡單地編碼成雷射光源的開與關。工程師們逐漸提高開關切換的速度。到了80年代中期,商業光纖網絡來臨的幾年前,此策略可讓每秒幾百兆(megabits)的位元穿過幾十公里長的玻璃。

Photo: Sue Tallon

為了保持信號在第一個50公里後繼續前進,需要一個中繼器(repeater)將光脈衝轉換成電子信號,清除雜訊,放大信號,然後發出另一段雷射將信號重新傳送到下一段光纖中。

此電-光再生過程(electro-optical regeneration process)既繁瑣(cumbersome)又昂貴。幸運的是,更好的方法很快就出現了。1986年,英國南安普敦大學(University of Southampton)的David Payne發現可以在光纖內直接放大光,而不是使用外部電子。

佩恩加入少許(a dash of)名為鉺(erbium)的稀土元素到核芯中。他發現經由雷射激發鉺原子,他可以把鉺填入光纖來放大入射光,且鉺會放出波長1.55微米的光子—剛好是在光纖中最透明的波長。到了90年代中期,包含摻鉺光纖的放大器已經被裝上以延伸光纖傳輸距離。取決於它們的間距,一連串的放大器可以接力傳送信號至500到數千公里的距離,而不需要昂貴的機關將光轉換為電子信號後清理及重生(regeneration)。如今,鉺光纖放大器鏈可以將光纖連接延長至橫跨各大洲和海洋。

鉺光纖放大器的出現為另一種提高數據傳輸率的方法開了一道門:多波長通信(multiple-wavelength communication)。鉺原子放大的光實際上波長是在某個範圍內,且可以相當均勻地產生在1.53至1.57微米。這個頻帶夠寬,能容納多個信號在同一纖維裡,且每個信號都有自己更窄的波長頻帶。

                                                                                                                                                                                                


現代光纖:基礎知識

Illustration: Erik Vrielink
電子信號在源頭轉換成光信號[左],然後送入纖維。由特別摻過的纖維製成的光放大器增強信號。在開關中心(switching center),接收器從載波中提取信號,並將其轉換成電子形式。有個開關負責分割並指示信號到發射器,而發射器將輸入轉換為光信號後,光信號沿光纖傳送到其下一個目的地。

                                                                                                                                                                                                  

這種多波長的做法稱為波分多工(wavelength-division multiplexing),與雷射信號開關速度的改進一起促成了90年代中期和末期的容量爆增。至2000年,光纖傳輸系統已經能夠商業化,可以放大多達80個獨立信號,各攜每秒10千兆位元(gigabits)。事實上當時沒有人需要全部的傳輸容量,所以當時安裝的傳輸系統只有幾個波長,以後若需更多通道可以再加。

隨著互聯網在21世紀初起飛,網路運營商為現有光纖增加了更多的波長。但是大約十年前,人們清楚地看到編碼信號的傳統方式已達到極限,而且若沒有新技術或更多光纖,部分線路容量很快就會耗盡。開-關信號(on-off signal)一次只攜帶一個位元(如果光在給定的時間間隔內功率超過閾值(threshold)時,通常表示為1;低於閾值表示為0)。在這種方式下,若每秒要帶更多位元,唯一的辦法就是做工程師一向對信號所做的:縮短每個脈衝(或沒有脈衝處)的持續時間。(Shorten how long each pulse—or lack of pulse—lasts.)

不幸的是,脈衝越短,越容易受到稱為色散(dispersion)的光學效果影響。這跟導致棱鏡(prism)發出彩虹顏色的光是相同的現象。它的出現是因為在玻璃中光速隨波長變化,即使雷射脈衝的光譜接近單一波長,它在穿過光纖時會展寬(stretch out),而當脈衝展寬時它們會彼此干擾。這問題因數據速率增加及連續脈衝間的間隔變短而惡化,結果(upshot),1000公里能攜帶10 Gb/s的光纖將在10公里時就攜帶100 Gb/s的信號,隨後便需要清理和再生。

具有改進設計的纖維可減少脈衝的色散,但要替換掉現有光纖網絡的成本高的嚇人(prohibitively expensive)。2001年,由於互聯網泡沫時期的過度建設,留下大量未使用的「暗」光纖。幸運的是工程師們有其他招數,其中包括先前用於將更多的無線(wireless)及無線電(radio)信號擠進無線電頻譜(radio spectrum)上的窄區(narrow slices)的兩種技術。

第一種是改變信號編碼的方式,不用雷射的開關,而是保持打開然後調節相位—其波峰和波谷的到來時間。最簡單的數字相位調節(digital phase modulation)是每次將波峰原先的抵達時間往前或往後偏移四分之一波長或90º。開頭是波峰的波代表1,開頭是波谷的則代表0,將兩段波結合,這種方法也可以產生兩個位元。最後,他們以更小的增量偏移相位,如+135º、+45º、-45º或-135º。所得的四個狀態用於表示兩位元的所有組合:00,01,10和11。

2007年,貝爾實驗室和Verizon採用差分正交相位偏移調變(differential quadrature phase-shift keying)方法的一個變種,經由Verizon在佛羅里達州的光纖網路,傳送100 Gb/s長達約500公里。這是一個大問題,但對Verizon仍然不夠,就像其他長途運營商一樣,希望信號能夠沿其骨幹系統電纜,傳遞1000至1500公里而不需要昂貴的信號再生。

幸運的是,第二種技術能夠彌補這一距離。這其中利用雷射的固有屬性—相干性(coherence)。相干性意味著如果你在任意點將光線截斷,會發現所有的波都具有相同的相位,波峰和波谷都一致地運動(move in concert),就像行軍的士兵在閱兵。

相干性可被用來顯著提高接收器抽取信息的能力。此方案可將傳入光纖的信號與接收器內部產生的頻率相同的光相結合。由於它清楚的相位,接收器產生的光可以被用於幫助確定噪聲較大的輸入信號的相位。然後載波可以被過濾,只留下載波上的信號,接收器將剩餘的信號轉換為電子形式的1和0。

用紅外光實現相干接收(coherent reception)比無線電波來的麻煩;接收器很難匹配輸入光信號的頻率,不過這隨著高等數字信號處理器(advanced digital signal processors)的發展,在21世紀初改變了。他們允許接收機處理本地光與輸入信號之間的誤配,重構信號的相位和時間,並校正脈衝在途中發生的展寬(spreading)。

正交編碼(quadrature coding)和相干檢測(coherent detection)—以及使用兩個不同偏振光傳播的能力—一起帶領光纖來到目前的極限。今日,新的發射器和接收器系統允許單個光頻道—單個波長—在被設計為僅承載10Gb/s的光纖中長距離承載100 Gb/s,而且由於一個典型的光纖可以容納大約100條通道,纖維的總容量可以接近每秒1兆(terabits)位元。


                                                                                                                                                                                                  

正交相位偏移調變

Source: Wikipedia
光波的相位—波峰與波谷的到達時間—可以用來對信息進行編碼。在正交編碼,四個階段[最上面和中間的波]可以創造四種不同的2位元組合[最下面的深藍色波]。

                                                                                                                                                                                                  

自1990年以來安裝的大部分地區、國家和國際電纜系統光纖都與此技術兼容,並且在過去的六年中,很多骨幹網已經升級至以該速率傳輸信號。 “It’s out there in pretty robust quantities in long-haul terrestrial transport, and most if not all transoceanic submarine cable upgrades are being done at 100 gig,”研究公司TeleGeography的高級分析師Erik Kreifeldt說。

對這些數字的感覺,由總部位於馬里蘭州漢諾威的Ciena公司所建的光纖系統可以略知一二。該系統有96個頻道可供傳輸,每個可承載100 Gb/s數百至數千公里,合在一起可達9.6 Tb/s—夠384,000人從Netflix串流Ultra HD影片。而這只是一條纖維,今日的光纖電纜可以承載幾十到幾百條纖維。

但是,除了本世紀初科技股泡沫崩潰後的短暫時期外,世界上的帶寬(bandwidth)從未足夠。據Cisco最近的一份報告,全球互聯網流量從2010年至2015年增加了五倍。這一趨勢很可能隨著影片串流和物聯網的增長而繼續。

因此開發商們正在思考他們的選項。

一種想法是採用更先進的信號編碼技術。目前使用的正交相移以兩位元為間隔將信號編碼,但無線網絡和其他無線系統使用更加複雜的編碼。以目前廣泛使用的16-QAM編碼為例,可以攜帶四個位元的16個可能組合,從0000到1111。一些有線電視設備使用256-QAM。

但如你所料,光纖使用如此先進的編碼方案時必須有所權衡,更複雜的編碼代表信息被打包得越近。信號結尾在錯誤前可以容忍擾動的部分更少了。調大電源可能有幫助,但也造成非線性失真,隨距離惡化。結果是系統製造商通常僅考慮將16-QAM用於相對短的連接—最多幾百公里。

對於較長途的纖維,工程師們反而想出了一個辦法把通道擠得更緊密。有空間進行操作:當今先進的長途纖維可能包含幾十個頻道,但他們在相鄰通道間留下大塊未使用的波長,以防止相互干擾。如果這些緩衝區(buffer zone)被去除,每根纖維可以打包進更多通道,產生系統工程師稱為超級通道(superchannel),代表其在光纖帶內的每個波長都進行傳遞。這種改變可以提高傳輸效率高達30%,Ciena公司的產品和技術營銷總監Helen Xenos說。

關鍵是要找到一種方式來編碼信號使他們不會互相干擾,至少已經有一些公司找到方法。在2013年,Ciena公司和英國電信集團BT打包多個通道在一起且在沒有緩衝區的情況下,建立長410公里的800-Gb的超級通道在倫敦和伊普斯維奇之間運行。Ciena表示至少已有一個客戶參與配置光纖超級通道系統的越洋電纜上配置的過程。

Ciena公司說,它採用獨立的芯片來生成每個雷射信號,但也可以合併到一個芯片上,成為更緊湊的和更便宜的方法。 「我們的秘密武器是我們的光子集成電路技術(photonic integrated circuit technology),」Infinera的解決方案及技術總監Geoff Bennett說。Bennett說在2014年,該公司展示了將一個結合10的雷射發射器的短的、1-TB的超級通道結合到單個光子集成電路。他說,未來系統的光纖應能乘載12 Tb/s的速度於長途網絡—而在大都市地區使用更短而兩倍快的系統。


                                                                                                                                                                                                

流行的「模式」(Á La Mode)

Illustration: Adapted from P.J. Winzer, Bell Labs Technical Journal, vol. 19, pp. 22–30 (2014)
不同「模式」的信號—不同的空間分佈—可以發送到同一條光纖以提高容量。一種模式的光強度會在其橫截面上一點一點變化。這裡有個採樣[上方]如同光被引入光纖時可能出現的模式。底部的條顯示一種模式沿著光纖移動時可能在不同狀態間振盪。

                                                                                                                                                                                                  

這種12-Tb/s的超級通道應該還要好幾年之後才會出現,但是當這一天到來時,很可能是我們最後一次提升目前這代已安裝纖維的容量。這是因為這些纖維將接近稱為非線性香農極限(nonlinear Shannon limit)的根本障礙(fundamental barrier),由信息學家Shannon在1948年描述,是一個極限的延伸,表示傳輸通道在除掉由帶寬和信噪比決定的誤差後,能攜帶的信息就那麼多。非線性版本包括一個附加的因子:當非線性效應發生在玻璃—而不是空氣—並產生足以淹沒信號的噪音之前,信號功率可以調至多大的極限。

對於非線性香農極限,我們沒有什麼解決辦法。但是,在安裝更多纖維的時候,運營商有了其他的選擇。「那是最好建立及最好理解的改變,」是Infinera Bennett對光纖使用更大纖芯的簡單介紹。早期的纖維都設計使用小型纖芯,因此相當地限制了光線可採取的路徑。使用較小的纖芯有助於防止信號中的光子從纖芯-包層界面(core-cladding interface)以不同的角度彈回。如果脈衝中的光這樣做,他們會採取不同的路徑—有些較長、有些較短,如此會造成它們從脈衝散出,就會干擾到下一個脈衝。

新的光纖設計使用新型纖芯微結構如光子晶體(photonic crystals),以限制光在比標準9微米纖維的橫截面面積高達約兩倍的光纖中,通過纖芯時遵循相同的路徑。因為信號有更多的空間及橫截面方向可以通過,能量密度便降低,能量密度的降低減少了那些限制傳輸距離和速度的非線性失真。最終結果是數據傳輸速率增加;Bennett說未來版本的容量可能會被提高至現在的10倍。

Bennett說,這些纖芯較大的光纖已經被配置,主要用於海底電纜,因為在此處傳輸能力是最有價值的,他們通常對新連接是個好選擇。「如果有人正在計劃配置新的陸地纖維,那不如配置大面積的光纖。」但是,就算他們如此的吸引人,大芯光纖仍不能完全消除非線性失真的問題。

一個潛在的、更有前途的方法,是沿著分開的光信號可走的路徑創建多個並行路徑。開發者稱之為空分多工(spatial-division multiplexing),因為其策略是將傳輸數據拆分到不同的物理路徑。

這個術語實際上指的是三種非常不同的並行傳輸。最簡單,最顯而易見的方法是增加更多的纖維電纜,以增加更多的物理路徑。多光纖電纜已被廣泛使用,但由於電纜中的每個纖維都需要自己的發射機、接收機和放大器,要提高容量可能既昂貴又複雜。

不過如果工程師能夠找到方法,以緊湊的方式集成同一光纖中獨立的光路徑,的確可能得到更大的回報。能做到這點的其中一種方法是沿其長度構建包含多個導光芯(light-guiding cores)的纖維。如同普通的纖維,多芯光纖是由第一次由所需材料組合成的圓筒狀的「表現(perform)」所構成,然後將其加熱,使玻璃可以拉成一條細長的纖維。

不像多纖電纜,每根纖維都需要單獨的光纖放大器,一個多芯光纖可以與多核放大器配對。一個八核放大器的潛在成本比八個單光纖放大器少得多。

另一種方法是使芯能夠將光引導至幾個不同的途徑,稱為模式(mode)。兩種不同的模式的光信號沿著纖維通過彼此,但當它們出現在光纖的末端時可以彼此隔離。

要在光纖中創建多種模式,當信號進入光纖時,模式對每個信號必須塑形成合適的橫截面。每種模式都要由它自己的雷射產生,而在接收端的光學和電子必須能將模式分離出來。這種分離方式已在多重輸入/多重輸出天線(multiple-input/multiple-output antennas)的無線電系統中完成。

Photo: NKT Photonics
像這樣的大芯光纖,採用新的結
,幫助限制信號,同時提高容量。
迄今,多模和多芯光纖傳輸都還在發展初期。已經有多個實驗室在測試,被稱為「英雄實驗」,因為他們企圖做出能讓記者或管理者驚奇的記錄。這些示範表現出每種方法皆有顯著加乘光纖容量的潛力。若結合在一起,它們可能把容量推高至好幾百倍。

但是,利用這些方法所需要的系統仍不實用,很多問題依然存在。 「基本上所有的空分多工技術今天都有雷聲大雨點小的問題,」Bennett說。例如,對於多核和多模光纖,僅僅是連接纖維兩端的發射機和接收機,其都將遠比標準光纖更複雜。在這兩種情況下,需要更高的機械精度,必須非常小心以確保光完全按照預期行動,且對於使用多芯放大器的多芯光纖,每個系統中的核心必須極其精確地匹配。

除非有工程上的突破,「它幾乎總是容易只點亮另一根光纖,」Bennett說。 「這是服務供應商告訴我們的。」

貝爾實驗室技術人員中的傑出成員,且是高速光纖系統的領導者Peter Winzer,同意安裝有更多光纖的新電纜是最簡單的方法。但是在最近的一篇文章,他警告這種做法將增加電纜的成本,可能不會受到電信公司的歡迎,每位元傳輸成本的降低將不會與他們對先前技術改進的期望一樣多。

新的想法不斷湧現。在2015年6月,聖地亞哥加州大學的Nikola Alic和他的同事報出使用光學頻率梳(optical frequency comb)來增加光纖傳輸距離的方法,它可以自然地將相對於彼此的雷射波長鎖住,從而消除抖動並改進信號質量。透過使用頻率梳「我們可以把任何系統的數據速率加快至少兩倍」ALIC說。 「這是非常好且紮實的工作,」Winzer說,但他懷疑這將有多大的實際影響,因為開發人員想要增加更多。

接下來會發生什麼?今天,電信運營商忙著安裝100-Gb相干系統(100-Gb coherent systems)。 超級通道將提升最大容量30%左右,空分多工看起來像在容量上大跳躍的最佳人選。但除此之外,又有誰知道?

也許舊想法會在加入新變化後出現。終於在2010年左右被採用的相干傳輸,實際上是1980年代的熱門話題,但它當時不敵那些已經準備好配置的技術。可能又會有全新的事物從光子學研究的沃土出現,也因此我們總是能鋪設更多光纖。無論何時,全世界對資料的渴求都會讓工程師們不斷努力擴大帶寬。

這篇文章最初以「光的大躍進(Great Leaps of Light.)」出現在印刷品中

2016年1月27日對這段文字做了更新,以釐清正交編碼術語。

關於作者
自由撰稿人Jeff Hecht採訪報導光纖大約已有40年,並已在此主題上寫過好幾。「一段長得令人尷尬時間,」他說。現在回想起來,他說:「這有點像在採訪勢如破竹的運動隊。」現在的問題是下一步怎麼走。

來源:http://spectrum.ieee.org/semiconductors/optoelectronics/is-kecks-law-coming-to-an-end