【年终盘点】2016光通信十大技术

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[导读]2016年已接近尾声,在这一年里,通信技术重大进展接连不断,无论是5G信道编码技术标准的确认,亦或是量子卫星通信技术方面的进展,都在深刻地影响着通信产业的发展。

  近年来,随着智能化的发展,一大批企业纷纷涉足通信行业,希望在通信市场中分得一杯羹。随着越来越多的通信企业对行业应用领域的不断发掘和拓展,各类前沿通信技术正在逐渐进入人们的日常生活。

  2016年已接近尾声,在这一年里,通信技术重大进展接连不断,无论是5G信道编码技术标准的确认,亦或是量子卫星通信技术方面的进展,都在深刻地影响着通信产业的发展。下面小编盘点了2016年通信行业十大技术进展,供君赏阅:

  5G信道编码技术

  2016年10月,华为宣布继今年4月份率先完成中国IMT-2020(5G)推进组第一阶段的5G空口关键技术验证和测试后,在5G信道编码领域的极化码(PolarCode)技术上再次取得最新突破。

  【点评】静止和移动场景、短包和长包场景的外场测试增益稳定性能优异,与高频毫米波频段上的组合测试实现了高达27Gbps的业务速率。5G要实现的10Gbps甚至20Gbps的峰值速率、千亿的连接、1毫秒的时延能力,必须以革命性的基础技术创新来提升了网络性能。高效信道编码技术以尽可能小的业务开销增加信息传输的可靠性,信道编码效率的提升将直接反映到频谱效率的改善。构造可达到信道容量或者可逼近信道容量(Shannon限)的信道编码方法,及可实用的线牲复杂度的译码算法一直是信道编码技术研究的目标。

  芯片光传输频宽密度增加10至50倍研究

  2016年3月,自然(Nature)杂志一篇由美国加州大学柏克莱分校、科罗拉多大学和麻省理工学院研究人员发表的论文,表示已成功利用现有CMOS标准技术,制作出一颗整合光子与电子元件的单芯片。这颗新芯片每平方毫米的频宽密度达 300 Gbps,是目前市面上电子微处理器的10~50 倍。整合光子与电子元件的半导体微芯片可加快资料传输速度、增进效能并减少功耗。

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  【点评】半导体技术的精进让芯片可执行更多运算,但却无法增加芯片间通讯的频宽。目前芯片传输所消耗的功率已超过芯片功耗预算的20%,这项新技术在低功耗的情况下改善一个数量级的芯片通讯频宽,替目前面临瓶颈的电晶体技术立下新的里程碑,使用光学元件进行芯片到记忆体的传输将可降低功耗并增加时脉。未来还可能协助达到百万兆等级(Exascale) 的运算。

  光子神经形态芯片

  2016年11月,据《麻省理工技术评论》杂志网站报道,美国普林斯顿大学的科研团队日前研制出全球首枚光子神经形态芯片,并证明其能以超快速度计算。该芯片有望开启一个全新的光子计算产业。该光学设备的原理在于:系统中的每个节点都使用一定波长的光,这一技术被称为波分复用。来自各个节点的光会被送入该激光器,而且激光输出会被反馈回节点,创造出一个拥有非线性特征的反馈电路。关于这种非线性能模拟神经行为的程度,研究表明其输出在数学上等效于一种被称为“连续时间递归神经网络(CTRNN)”的设备,这说明CTRNN的编程工具可以应用于更大的硅光子神经网络。

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  【点评】利用光子解决了神经网络电路速度受限这一难题。神经网络电路已在计算领域掀起风暴。科学家希望制造出更强大的神经网络电路,其关键在于制造出能像神经元那样工作的电路,或称神经形态芯片,但此类电路的主要问题是要提高速度。光子计算是计算科学领域的“明日之星”。与电子相比,光子拥有更多带宽,能快速处理更多数据。但光子数据处理系统制造成本较高,因此一直未被广泛采用。这将开启一个全新的光子计算产业。硅光子神经网络可能会成为更庞大的、可扩展信息处理的硅光子系统家族的‘排头兵’。

  利用城市现有光纤实现远距离量子传输技术

  2016年10月,据国外媒体报道,美国国家航空航天局相关研究人员日前使用城市光缆实现了远距离量子传输,其通过“暗光缆”在加拿大卡尔加里市将激光光子传送了3.7英里。研究人员采用未经使用过的“暗光缆”进行量子传输,同时通过特别设计的光子传感器对传输光子进行检测。

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  【点评】这是首次在现有的城市光缆中实验量子传输。此前研究人员仅仅能够在实验室环境下实现这一距离的量子传送。通过量子传送的方式可以实现加密信息的绝对安全传输,其允许信息发送者将“无形信息”发送给接受者,而在量子网络上无法实现信息拦截。在实验室外进行量子传输,涉及到一系列问题,是一个全新的挑战。该实验克服了这些问题,是未来量子互联网发展的一个重要里程碑。”

  光纤传输技术(可供全球48亿人通话)

  2016年8月,武汉邮科院在全省科技大会上透露,该院实验室近日再次刷新光传输世界纪录,达到每秒400T。一根头发丝粗细的光纤,可容纳全球48亿人同时在线通话。这是邮科院3年来第五次成功冲击世界纪录。据测算,一部普通高清电影数据大小约为2G,一部蓝光高清电影约10G,以邮科院最新的光传输速度,1秒钟可传输4万部蓝光高清电影。

  【点评】随着AR/VR、4K高清等技术不断涌现,在互联网+、物联网、大数据、云计算、智慧城市等多个产业领域,都依赖海量数据的高速传输,这就需要底层的信息高速公路越宽越好。多芯单模技术,就好比在一根光纤中开辟了多条并行道路,让总运力大为提升。

  芯片到芯片通信技术

  2016年7月,据报道,欧盟已启动ICT-STREAMS项目,研发电路板级高速芯片到芯片通信的收发机和路由技术,目标是将先进刀片服务器密度提升4倍,吞吐量增加16倍,功耗降为原来的1/10。ICT-STREAMS项目计划使用硅光电技术、紧凑型密集波分复用(DWDM)系统、高信道数和密集嵌入式光引擎,使电路板级总数据吞吐量超越25Tb/s。该项目包含:50Gb/s高效能光电和电子收发机器件、支持DWDM光互连的硅基Ⅲ-Ⅴ硅基激光器和纳米放大器、带有非侵入式集成监控器的热偏移补偿子系统、低损耗和低成本单模光电印刷电路板、低成本光电集成工艺、由软件控制的、高能效WDM嵌入式光引擎、采用EOPCB贴装的16×16 WDM主平台几个项目。

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  【点评】该项目引入硅光电技术和WDM作为提升容量、降低功耗的路由机制,将分别在光引擎级和板级实现1.6Tb/s和25.6Tb/s的吞吐量。在服务器机架设计中采用芯片到芯片通信是目前高端服务器产业发展的热点,可以有效增加数据吞吐能力,并减少物理空间、网络复杂度、开关及线缆的用量和能耗。

  最高密度光纤传输技术(容量扩大100倍)

  2016年5月,NTT、藤仓和北海道大学发布消息称,研发出全球最高密度光纤,实现250微米以下的细径。6种光同时运输的光纤通道以19个进行配置,1根线上有114条信息路径。NTT和北大为了250微米以下的光纤直径实现100以上的隧道多重化,使得3或6种模块能运输的芯线弯曲分布率适宜化,使用最适宜的芯线构造。结果证明: 6个模块可以导波的核心以19个蜂窝状排列,不足25微米的光纤直径上,全球最大的114信道实现多重化。

  【点评】这一研发打破了光纤芯线的传输容量界限,在全球范围内开展开来。但若考虑实际可利用的光纤直径的上限和芯线弯曲度分布控制性等问题,不仅芯线数量增加,如果模块数量增加的话,1根光纤超越50个隧道就比较困难。NTT等公司将通过这项研究,随着今后数据通信量的增加,多Petabit处,其1000倍的Exa bit方面也可满足信赖性较高的光纤,实现道路的开通。此次研发的光纤,将于2020年推向实用化,在持续增加的数据通信需求方面,有望持续满足光纤传输基础。

  光子集成多光子纠缠量子态以及片上光频梳研究

  2016年3月,Science 杂志刊登了中国科学院西安光学精密机械研究所研究员Brent E. Little与加拿大魁北克国立科学研究所等单位合作发表的题为Generation of multiphoton entangled quantum states by means of integrated frequency combs 的研究论文。其中利用微环谐振腔中的自发四波混频效应,以时域分离、相位可调的光脉冲对为泵浦源,得到跨越S-C-L三个通信波段的频率间隔为200GHz的纠缠光子对。多光子纠缠态是量子通信、量子计算和超越经典极限的超高分辨率传感及成像技术的基石,同时在探索量子物理基本问题方面有着极为重要的应用。该纠缠光子源是迄今为止带宽最宽的量子频梳,其量子干涉条纹可见度达到93.2%。通过在两个不同的谐振波长上同时提取两对光子,得到四光子纠缠态,其量子干涉条纹可见度达到89%。

  【点评】此次研究在Si3N4微环内成功实现了可见光光频梳,得到跨越S-C-L三个通信波段的频率间隔为200GHz的纠缠光子对。这在大规模集成的片上纠缠光子源已成为量子应用技术发展的迫切需求。该研究开创了片上产生和控制复杂量子态的时代,并提供了一个可规模化集成的光量子信息处理平台。该工作是西安光机所继片上并行预报(Heraled)单光子源和片上交叉偏振纠缠光子对之后在光子集成片上量子光学研究上的又一重要进展。

  光纤传输速率突破1Tb/s

  2016年10月,诺基亚贝尔实验室,德意志电信的T-Lab实验室以及慕尼黑工业大学(TechnicalUniversityofMunich,TUM)在一次光纤通信现场试验中,通过一项新的调制技术,研究人员达到了前所未有的传输容量和光谱效率。当可调传输速率随着信道情况和通信量需求而进行动态适应的时候,光网络的灵活性和性能可以得到最大化。作为安全保障的欧洲路由技术(SafeandSecureEuropeanRouting,SASER)项目的一部分,这个在德意志电信已经部署的光纤网络上进行的实验达到了1Tb/s的传输速率。

  【点评】PCS新调制方式的试验,在给定的信道上达到更高的传输容量,显著地改善了光通信的光谱效率。PCS聪明地以相比于小幅度的星座点更低的频率来使用那些具有大幅度的星座点来传输信号,这样平均来讲,对于噪声和其他损伤具有更好的适应性。这使得能够对传输速率进行调整以完美的适应传输信道,从而得到30%的容量提升。德意志电信提供了一个独特的网络基础设施来评估和演示类似此类的高度创新的传输技术。将来,它还将支持更高层级的测试场景和技术,并在已经铺设的光纤基础设施上增加容量,覆盖距离以及灵活性。

  基于LED实现610Mbps单路实时传输

  2016年1月,中国科学院半导体研究所集成光电子学国家重点实验室研究员陈雄斌主持的北京市科技计划课题“室内高速可见光通信系统收发器件与越区切换技术研发”(执行年限2014年1月至2015年12月)宣布已按计划完成。研究团队委托工信部的中国泰尔实验室对单路实时610Mbps的可见光通信进行了第三方测试,结果呈现良好,基于1瓦荧光型白光LED和PIN探测器在OOK调制下单路实时传输平均速率610Mbps,在传输距离6.2米时,平均误码率为3.5e-5量级,远低于前向纠错的误码率上限要求3.8e-3。

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  半导体所基于荧光型白光LED实现610Mbps单路实时传输

  【点评】可见光通信这项无线光通信新技术比传统的无线电通信技术更加符合无线通信技术的发展方向(高速、大容量、安全),未来会催生很多创新应用。中国有众多的LED企业和广阔的半导体照明市场,这种基础优势是其他国家难以企及的。可见光通信技术的实用化研究应该引起大家重视。

编辑:Yan

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