光纖通信網(wǎng)容量不足，單芯光纖傳輸極限的問題已經(jīng)迫在眉睫

1月5日，《日經(jīng)亞洲評論》一篇探討光纖通訊發(fā)展的文章引起了業(yè)內(nèi)熱議，國內(nèi)有不少媒體平臺也轉(zhuǎn)發(fā)了這則新聞。文章可以基本上簡單概括如下：光纖（optical fiber）通信網(wǎng)容量不足，單芯光纖傳輸極限的問題已經(jīng)迫在眉睫，而未來技術(shù)突破口則是多芯光纖，在這一領(lǐng)域，日本企業(yè)的研究開發(fā)走在世界前列。

文章雖然引用了日本“情報通信研究機構(gòu)”（NICT，日本總務(wù)省的下屬機構(gòu)）和日本相關(guān)知識產(chǎn)權(quán)部門的一些數(shù)據(jù)，但很遺憾并未能準(zhǔn)確報道“多芯”光纖技術(shù)的通用學(xué)術(shù)指稱——光空分復(fù)用技術(shù)（MCF），日本有關(guān)研究光通訊的公司的研發(fā)力度，確實是個值得關(guān)注的現(xiàn)象。

單芯光纖傳輸極限——光通訊領(lǐng)域的摩爾定律？

文中提到的一個基本假設(shè)在業(yè)內(nèi)也算是一個勉強的共識，即隨著5G技術(shù)的發(fā)展，原來單芯光纖每5年增長10倍，而未來5年再增10倍的可能性將非常小，意味著其無力承受極限即將到來（目前單芯光纖傳輸系統(tǒng)的信道容量已經(jīng)提升至了100TB/s），從現(xiàn)實性上講，這比摩爾定律“生與死”的討論更接近具體實踐反饋的零界點。

50年前，光纖通訊領(lǐng)域的前輩們其實就已經(jīng)預(yù)感到了這一天遲早會到來，也逐漸構(gòu)建出多套技術(shù)突破應(yīng)對矩陣模型，其中一條比較典型的路徑就是光空分復(fù)用技術(shù)。上世紀(jì)70年代提出來的未來構(gòu)想，用同一個包層內(nèi)含多個纖芯的光纖預(yù)制棒拉制而成，其包層外形是圓柱體就是目前光空分復(fù)用技術(shù)的雛形，隨著集成光學(xué)和光纖傳感技術(shù)的發(fā)展，“Multicore（多核）”新一代光纖的商用化才真正被提上日程。

面對5G智能手機和PC機性能的提升，視頻傳輸越來越成為下一代網(wǎng)絡(luò)傳輸載體的主要內(nèi)容，MCF技術(shù)商業(yè)化過程中依然面臨著幾個重要難題，比如上述新聞中也提到了這一點：“要準(zhǔn)確傳輸光信號，有必要避免其他信號的干擾，但一根光纖的直徑只有0.125毫米，跟頭發(fā)的粗細(xì)差不多。因此，纖芯之間的間隔只有0.05毫米左右，與從相鄰纖芯泄漏的光信號產(chǎn)生干擾成為此前的課題。”

常見的空分復(fù)用光傳輸技術(shù)

所以光空分復(fù)用技術(shù)用車輛與道路的關(guān)系這個比喻也不完全恰當(dāng)，建設(shè)的道路多了，所以能在道路上跑的車和運輸量會相應(yīng)大幅增加，但光纖通訊的難題是道路上車輛增加之后的互相干擾，會導(dǎo)致道路通行的擁堵，用業(yè)界行話來表述，就是芯間耦合與串?dāng)_。找到了纖內(nèi)芯間串?dāng)_抑制方法的突破點，是解決多芯光纖阿基里斯之踵的關(guān)鍵。

而某些日本企業(yè)之所以被眾多媒體認(rèn)定為全球領(lǐng)先，就是在光纖芯間耦合與串?dāng)_的解決方面找到了一條較為妥當(dāng)?shù)慕鉀Q方案。

孜孜不倦的住友電氣

按照日媒的表述，負(fù)責(zé)專利相關(guān)事務(wù)的日本特許廳2018年發(fā)布的報告顯示，在光纖的多核領(lǐng)域，在世界上已申請的專利件數(shù)的前4家企業(yè)為藤倉、住友電氣、NTT和古河電氣工業(yè)。其中的標(biāo)志性事件是2017年NICT成功創(chuàng)造了短距離數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)的交換容量世界紀(jì)錄： 53.3 Tb/s，這一項紀(jì)錄的實現(xiàn)就依靠了跨越多核光纖的空分復(fù)用技術(shù)，在當(dāng)年的9月21日在瑞典哥德堡召開的久負(fù)盛名的第43屆光學(xué)通信系統(tǒng)歐洲會議（ECOC）上，這篇被選為杰出論文。

聚焦專利申請領(lǐng)域，集微網(wǎng)以“多芯光纖”為關(guān)鍵詞搜索國家知識產(chǎn)權(quán)局網(wǎng)站，申請人統(tǒng)計結(jié)果如下：

可以看出，住友電氣株式會社的申請數(shù)量為94個，排名第二的哈爾濱工程大學(xué)（75）和桂林電子科技大學(xué)（62）；從企業(yè)專利的角度看，不算日本的住友和藤倉，國內(nèi)江蘇中天和長飛光纖光纜排名前兩位。

年度光纖通訊的專利數(shù)量也在穩(wěn)步增長（@國家知識產(chǎn)權(quán)局）

去年住友電氣一共有三項專利在國家知識產(chǎn)權(quán)局注冊，查閱三項專利的具體設(shè)置，可以直觀了解這家在光纖傳輸領(lǐng)域深耕不輟的日本公司的技術(shù)發(fā)力點都在哪些方面。這三項分別為：一對單一透鏡將多芯光纖連接器（公布時間2020年3月4日），即第一透鏡機構(gòu)及第二透鏡機構(gòu)彼此之間的光學(xué)耦合；提供能夠提高激勵光的利用效率的光放大器（公布時間2020年5月18日）。

所涉及的光放大器具有：激勵激光器，其射出激勵光；以及外部諧振器等，通過這項專利，可以提高激勵光的利用效率；住友電氣最近的一個專利申請公布日期為去年7月份，通過查閱這項標(biāo)為“多芯光纖”的一共28頁的權(quán)利要求書和發(fā)明專利申請書，基本可以判斷幾天前日媒廣泛報道的“突破性技術(shù)”主要是基于對這一則專利的描述。

這則專利主要想解決的問題是短距離光傳輸中同時如何保證實現(xiàn)優(yōu)異的經(jīng)濟合理性和高兼容性，這項“多芯光纖”包括多個芯部部分、共同包層和樹脂涂層，內(nèi)包層的折射率相對于共同包層的折射率而言偏移，使得內(nèi)包層和共同包層之間的折射率的大小關(guān)系相反——對此，專利發(fā)明書在解釋環(huán)節(jié)中，毫不隱諱地點明了，MCF技術(shù)看似在理論層面不斷取得突破，卻遲遲無法商業(yè)化的主要原因，是傳統(tǒng)的MCF無法同時實現(xiàn)經(jīng)濟合理性和廣泛兼容性二者，因為從單核到多核，理論上會出現(xiàn)信號互相干擾的串?dāng)_（XT），導(dǎo)致通信質(zhì)量的劣化。

歐美MCF領(lǐng)先，但也不必妄自菲薄

如果我們以媒體報道和學(xué)術(shù)期刊的MCF詞頻做一個大數(shù)據(jù)研究，就會發(fā)現(xiàn)以NICT、KDDI、NTT為代表的日本光通訊研究機構(gòu)在MCF領(lǐng)域有優(yōu)良的技術(shù)積累，以Bell實驗室為代表的歐美研究機構(gòu)也在步步緊跟，不過如果更換一個賽道來看，從市場占有率和營收的角度，目前世界上排名前十的光纖通訊企業(yè)，中國占了一半，而住友僅排第八位，如下圖：

排名第一的毋庸紛說，是行業(yè)的巨無霸，也是基礎(chǔ)研發(fā)和市場應(yīng)用做的最好的美國公司Corning，年營收超過100億美元，緊隨其后的則是YOFC，即長飛光纖——國內(nèi)最早的光纖光纜生產(chǎn)廠商之一。長飛光纖公司擁有完善的研發(fā)平臺和國內(nèi)光纖光纜行業(yè)內(nèi)唯一的國家重點實驗室，產(chǎn)品線研發(fā)專注于光纖預(yù)制棒、光纖光纜、特種光纖及其應(yīng)用等技術(shù)和產(chǎn)品，和很多日本廠家的業(yè)務(wù)領(lǐng)域并不完全重合。

截止2020年6月，公司共擁有授權(quán)的有效專利總數(shù)近500件，海外授權(quán)專利77件，國內(nèi)廠家諸如長飛光纖、亨通光電（HTGD）、烽火通信（Fiberhome）、富通集團（Futong）之類的龍頭企業(yè)往往在更細(xì)分的下游市場展開搏殺，色散補償光纖、保偏光纖市場等潛力巨大，總的來說，在MCF領(lǐng)域還沒有和住友電氣等展開全面競爭。

但這并不意味著中國光纖通訊的市場拓展沒有針對未來技術(shù)突破的導(dǎo)向型儲備，光纖通訊行業(yè)和半導(dǎo)體行業(yè)類似的地方是國際分工細(xì)密，上下游產(chǎn)業(yè)鏈互相依存度高，生態(tài)效應(yīng)濃厚。所以它非常需要“善其事”的練兵場，也需要有“利其器”的核心技術(shù)，而中國5G市場的蓬勃發(fā)展和消費終端電子產(chǎn)業(yè)的成熟度都為這些企業(yè)準(zhǔn)備了良好的施展拳腳的空間。

根據(jù)工信部于2020年7月發(fā)布的數(shù)據(jù)，三家國有電信運營商2020年上半年新建5G基站25.7萬個，截至6月底全國累計5G基站數(shù)量達到41萬個，截至6月末，全國光纜線路總長度達到4890萬公里，同比增加7.6%，國際業(yè)界在普遍用“道路和車輛”比喻光纖通訊和承載量的時候，往往忽視基礎(chǔ)之前的還有一個預(yù)基礎(chǔ)，就是建設(shè)道路的“鋪路石”——通訊基站和居民、企業(yè)等互聯(lián)網(wǎng)用戶終端應(yīng)用。

并且，在研發(fā)領(lǐng)域解決芯間耦合與串?dāng)_也并非打通學(xué)院與市場的充要條件，提高纖芯復(fù)用的空間密度的同時，實現(xiàn)光網(wǎng)絡(luò)整體容量的增長，還需要收發(fā)端機集成度的提升和網(wǎng)絡(luò)節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)處理能力，換言之，全光交換技術(shù)和光子集成技術(shù)仍然是全球光纖通訊木桶原理中亟需補強的短板，另外，MCF領(lǐng)域和5G技術(shù)的共通性在于全球標(biāo)準(zhǔn)化原則的制定，四年前全球ITU-T SG15全會期間，日本代表團多個場合對多心光纖技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化研究遭到冷遇，眾多歐美設(shè)備商和運營商的專家普遍認(rèn)為此項技術(shù)尚處在發(fā)展早期，商用前景依然不明朗。

結(jié)論

以住友電氣為代表的日本企業(yè)在空分復(fù)用光纖領(lǐng)域確實較為雄厚的技術(shù)積累，并且在抑制不同芯區(qū)間的串?dāng)_、精確定位光纖芯區(qū)，降低耦合難度等亟待攻克的難題上有了突破性進展，但眾多國內(nèi)企業(yè)則依托國家重點實驗室，在多芯光纖預(yù)制棒的組裝等差異化賽道上與日企隔空展開競爭；而且從實驗室-商用的過渡階段上，日本企業(yè)并未有明顯的身位領(lǐng)先，5G通訊技術(shù)和電子消費領(lǐng)域這些宏觀市場的相對狹窄，也是限制日企空分復(fù)用光纖技術(shù)拓展的最大障礙之一。

責(zé)任編輯：xj