缩小全球“数字鸿沟”：空芯光纤技术

第八届世界电信发展大会6月6日在卢旺达首都基加利开幕。与会代表呼吁国际社会加强协调，共同努力缩小全球数字鸿沟。

国际电信联盟秘书长赵厚麟在开幕式上说，目前全球有近50亿人可以上网，人类取得了很大进步，但仍有近30亿人未实现“联网”，其中大多数人来自发展中国家和贫困农村地区。

他说：“我们有义务让无法上网的人‘联网’，推动实现以联合国可持续发展目标为中心的新技术发展。”

新华社基加利6月6日电（记者吉莉）

数字通信

突如其来的新冠疫情，使得科技行业的发展趋势，又一次地处于变局之中。为应对疫情的全球肆虐,居家办公/线上教育等新模式成为常态，这同时也加剧了人们对于数字通信网络的依赖。

令人意外的是，根据 Glassdoor（一家美国职场社交软件）的调查，不仅 70% 的受访者愿意在疫情结束后继续居家办公，其工作效率也有所提高。微软已宣布将允许员工永久居家办公，且愿为此提供便利。此外，由于疫情使得通勤量的断崖式下降，2020年全球温室气体排放量减少了 4~7%。由此可见，交互式远程工作模式对世界的碳中和进程亦有深远影响。因此，通过构建下一代光通信网络，使用数据的方式，降低物理距离的影响，将是重要议题。

图1：以网络视频形式居家办公

图源：Light新媒体 / VEER

光网络的时延

现有的光纤网络在过去的几十年中，对数字经济的发展做出了卓越贡献。视频直播，在线购物，网络游戏等诸多应用，均得益于光纤网络的迅猛发展。然而，为了支持未来的潜在应用，例如自动驾驶、虚拟现实和数字市场等，更高带宽、更大容量的光网络将成为必须。

在未来网络，交互体验的质量将更侧重于用户之间数据传输所需的时间，而非单纯的传输带宽。例如，指令从自动驾驶汽车发送到数据中心并返回所需的往返时间。这种往返时间也称为时延。下一代光通信网络成功的关键将取决于能多大程度地降低网络时延。

此外，5G 蜂窝网同样受到了通信时延的影响。其网络配置及为维持高效运转的额外开销均取决于时延程度。在数据中心，同样需要额外的网络设备来保障其运行的有效性和可靠性。在一些业务不密集的区域，附加设备的造价甚至要高于网络铺设其本身。因此，数据中心的选址，必须考虑网络的时延特性，这一方面限制了数据中心的选址范围，另一方面也提高了建造成本。

图2：数据中心光网络

图源：Light新媒体 / VEER

空芯光纤

为了满足新兴应用对下一代网络的苛刻要求，通信时延势必要大幅降低。这一进步无疑会使网络中的所有用户从中获益。在现有的诸多研究中，一项前途较为光明的方案是使用空芯光纤来提高光信号通过光纤的速度。

众所周知，光在空气中的传播速度比在玻璃中快 50%。英国南安普顿大学和巴斯大学的研究人员正是利用这一原理，将编码后的光信号通过被玻璃包围的空芯光纤来有效地引导。与传统二氧化硅的实芯光纤相比，这种创新方案将传输速度提高了 30%，这意味着更低的时延。

与传统实芯二氧化硅光纤不同，空芯光纤结构如图3 所示。光信号在被玻璃包层所环绕的空气中传播，一方面提高了信号的传送速度；另一方面，传输损耗也有一定程度的降低。辅以抗谐振空芯结构，该型光纤在降低噪声方面的效率是标准单模光纤的 1000 倍。

此外，后向散射也是影响传统光纤性能的重要因素。当部分光耦合到光纤中，在传播过程中向后反射，就会发生后向散射。后向散射导致沿光纤传播的信号功率衰减，限制了许多光纤器件的性能。而空芯光纤的超低后向散射特性，使其成为长距离光纤传输的理想选择。

图4：空芯光纤结构

图源：Arjun Iyer/Renninger lab/University of Rochester

与传统光纤相比，空芯光纤拥有如下优势：

（1）速度快(时延小)

（2）损耗低

（3）色散少

（4）组网成本低

鉴于空芯光纤的巨大潜能，研究人员也希望基于该新型光纤的光子器件可以在产品性能上实现突破。譬如瑞士洛桑联邦理工学院（EPFL）Luc Thévenaz 教授团队利用气体布里渊效应实现了空芯光纤里的光放大，将信号放大了 200,000 倍，其实现的增益系数比之前的所有基于气体布里渊效应的工作至少提高了 6 个数量级，并且首次证实空芯光纤里的增益能远远大于标准单模光纤。基于此原理，该团队还分别展示了一种全新的气体激光器和传感器（拓展阅读：《Nature Photonics | 空气光放大！空芯光纤新纪录》）。

图5：基于气体布里渊效应的空芯光纤光放大

图源：EPFL Group for FibreOptics

缩小数字鸿沟

通过使用空芯光纤减小通信时延，可以赋予网络设备更多的灵活性；同样也允许设备至数据中心的距离容限进一步增长。最终，基于空芯光纤的下一代光通信网络将更具成本效益优势，并进一步降低物理距离的影响，缩小数字鸿沟。

图6：通过数字化技术推动全球互联互通

图源：Light新媒体 / VEER

不仅如此，空芯光纤网络在下列方面，同样对未来社会具有产生重大影响。

碳中和
通过升级网络，可以减少区域内的所需的数据中心数量，从而降低数字网络建设与维护所需的资源与碳排放量。
产业升级
现在几乎所有被青睐的未来应用，例如自动驾驶和虚拟现实、数字安全等，均需要更加完善的数字基础设施支撑，通过升级通信网络，可以更好的支持这些应用的落地与运作。
提升交互体验
通过降低物理距离对通信质量的影响，更有可能打破物理距离的限制，是稀缺资源再分配的一种新方式。例如远程医疗/教育，线上会议等应用，均要求较高的网络性能。

结语

可见，空芯光纤有能力打破距离的物理限制，并在在下一代光传送网中发挥至关重要的作用。正如南安普顿大学 Francesco 教授所言, “在空芯光纤中传输光信号具有许多优势，这些优势可以彻底改变光通信。一些最新的研究进一步缩小了空芯光纤与传统光纤之间的性能差距。通过建模，整个研究团队都认为空芯光纤将会拥有一个光明的未来。通信时延对于新的数字经济而言与带宽一样重要。网络时延会在感知和响应之间产生延迟，从而导致 AR/VR用户眩晕，远程手术的保真度下降以及无人驾驶系统中的事故。空芯光纤则可将数据往返传输时间减少 30％，从而保障从智能制造、高级医疗保健到娱乐的下一代互联实时数字应用的高速运行。”