自1980年以来，每秒可传入光纤的比特数大约增长了1000万倍。即使依据20世纪后期电子设备的标准，这也是了不起的成就。这一增长速度比同时期芯片上晶体管数量的增长还要快，就像摩尔定律所描述的那样。¶光纤内比特数的增长也应该有一个定律，它被称为“凯克定律”，以此向唐纳德•凯克（Donald Keck）致敬。他是低损耗光纤的发明人之一，并长期对光纤容量的显著增长保持关注。也许，赋予这个趋势一个称号，会让人们对这个世界上最默默无闻的工业成就引发关注。
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摩尔定律或许得到了所有人的关注。但瞻博网络公司的首席技术官普拉迪普•信迪（Pradeep Sindhu）表示，是高速的电子设备与光纤通信的结合创造了“我们今天的网络奇迹”。电子的相互作用很强，将其应用于逻辑和存储的快速切换非常理想。而光子的相互作用较弱，这对于长距离传输信号则是完美的。它们共同掀起了一场技术革命，持续塑造和定义着我们的时代。
当前，电子领域面临着如何维持摩尔定律活力的巨大挑战，与此同时，光纤也在为保持这一势头而努力。在过去的几十年中，一系列新的发展使得通信工程师们能够继续增加光纤网络的带宽。但能轻易获得增益的时代已经过去了。为了继续前进，他们需要想出一些相当杰出的创新办法。
目前光纤连接的核心是纤芯：一条直径9微米的玻璃绳，几乎能被1.55微米的红外光完全穿透。这个纤芯被50多微米的玻璃包层包围，这种玻璃包层具有较低的折射率。通过纤芯传输的激光信号被包层包裹在内，并进行内反射。
这些光脉冲以约20万千米/秒的速度沿光纤传输，传播速度是真空中光速的三分之二。光纤几乎是完全无阻的，但不时会有一个光子在纤芯中弹出一个原子。光的传播时间越长，光子弹出的原子就越多，能量就会散射到周围的包层和保护涂层中。50千米后，大约会损耗90%的光，主要就是由于这种散射。
因此，通信工程师每隔一定时间就需要增加光的强度，但这种方法有其自身的局限性。强大的、刚刚激增的信号与光纤中的玻璃之间的相互作用会导致这种长距离传播信号的失真，这好比空气中的雾霾会使远处的物体比近处的更模糊。这些失真现象被称为非线性的，因为光的强度加倍，失真不会相应加倍，而是会以更快的速度增加。当光足够强时，失真现象可能会将信号淹没在噪声中。尽管有散射和失真问题，光纤的故事仍是一部探寻提高数据速率和增加传输距离的传奇。
首条光纤信息是通过简单地切换激光源的通断进行编码的。工程师们在切换速度上进行了一些稳步的改进。至20世纪80年代中期，也就是商业光纤网络来临之前的几年，上述策略被用在几十千米的玻璃内，以每秒数百兆的速率传输数据。
为了让信号在50千米的距离外继续传输，人们那时采用了一个中继器。中继器会将光脉冲转换为电信号，将其清理并放大，然后在下一段光纤中用另一束激光重新传输。
这种电光再生过程是繁琐且昂贵的。幸运的是，很快就出现了一个更好的方法。1986年，英国南安普敦大学的戴维•佩恩（David Payne）证明，有可能在光纤中直接对光进行放大，而不借助外部电子设备。
佩恩在光纤纤芯中增加了一些被称为为铒的稀土元素。他发现，利用激光激发铒原子，可以放大波长为1.55微米的入射光——这时光纤最为透明。到了20世纪90年代中期，包含掺铒光纤的放大器已被安装，用于延伸光纤的传输距离。根据放大器间距的不同，一系列放大器可以在500至几千千米之间中继信号。在此之后，信号会被转换为电子信号，在更昂贵的设备内完成信号的除噪和再生。如今，铒光纤放大器链条被用于拓展大洲间或海洋内的光纤连接。
铒光纤放大器的出现开启了提高数据传输速率的另一扇大门：多波长通信。在一定的波长范围内，铒原子都可对光进行放大。当波长在1.53至1.57微米时，铒原子对光的放大作用是相当均匀的。这可是相当宽的频带，足以在同一光纤中加载多个信号，而每个信号有对应自身波长的狭小得多的频带。
这种多波长的传播方式被称为波分复用。波分复用连同激光信号切换速度的进一步提升，带来了20世纪90年代中后期的容量激增。到2000年，光纤传输系统已经商用，可以放大多达80个独立的信号，每个信号每秒可承载10吉比特的数据量。在现实中，当然没有人需要那么大的传输容量。因此，传输系统在安装时，只采用了少数几个的波长，并为以后添加更多频道留出选择。
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随着21世纪初互联网的腾飞，网络运营商为现有光纤增加了更多的波长。但是，大约10年前，人们清楚地看到，信号编码的传统方式已达到了极限，如果没有新的技术或更多的光纤，部分路线的容量会很快饱和。开关信号每次只能携带1个比特的数据（在给定的时间间隔内，超过1个阈值功率的光值通常代表1，低于阈值的光代表0）。对于这种编码方式，要想在每秒携带更多比特，唯一的选择就是采用工程师处理信号的传统做法：缩短每个脉冲或无脉冲的时长。
不幸的是，脉冲越短，就越容易受到被称为色散的光学效应的影响。这与棱镜将光散射出彩虹的颜色是同一类现象，色散的产生是因为不同波长的光在玻璃中的传播速度不同。即便是频谱内波长已经相当接近的激光脉冲，在穿过光纤时也会出现色散。而随着脉冲的色散，它们会彼此干扰。当数据速率增加并且连续脉冲间隔变短时，问题会更加严重，其结果是，在信号需要被清理和再生前，能够以10吉比特/秒的速度将数据传递1000千米的光纤将以100吉比特/秒的速度将数据传递10千米。
人们设计出了改良的光纤来减少脉冲的色散，但对现有光纤网络进行替换是很昂贵的。截至2001年，互联网泡沫时期的过度建设留下了大量未使用的“暗”光纤。幸运的是，工程师们有其他手段，包括先前用于将更多无线和无线电信号压缩至狭窄无线电光谱的两项技术。
一是改变信号进行编码的方式。使激光一直保持开启的状态并调制其相位（即波峰和波谷的到来时间），而不是开关激光。这种数字相位调制最简单的方式是使波峰在波的自然抵达时间提前或错后四分之一波长，或90度。那么代表1 的波在波峰时，代表0的波就在波谷。这种方法仍然会产生两个比特，但信号的容量可以通过组合两个波而翻倍。它们一起使相位小幅增长，即+135、+45、-45或-135。这4个结果状态可用于表示4个可能的两比特组合：00、01、10和11。
2007年，贝尔实验室和威瑞森公司采用了这种被称为差分正交相移键控的方法，威瑞森公司在佛罗里达州的网络中，通过大约500千米的光纤以100吉比特/秒的速度发送数据。这在当时是值得称道的，但对于威瑞森而言，这一结果还不够完美。像其他长途运营商一样，威瑞森希望信号能够在其主力主干系统电缆中传输1000至1500千米，而无须中途利用昂贵的再生装置。
幸运的是，第二项技术能够跨越这一距离。这项技术利用了相干性这一激光光源的内在特性。相干性意味着，你在任意点切断波束，会发现所有的波都具有相同的相位。波峰和波谷都一致地运动，就像士兵在游行队伍中行进一样。
相干性可以被用来显著提高接收器提取信息的能力。这种方法是把输入的光纤信号与接收器内所生成的相同频率的光结合在一起来工作。由于具有清晰的相位，本地生成的光可以被用于帮助确定噪声较大的输入信号的相位。然后，载波会被过滤，留下之前被加载的信号。接收器会将剩下的信号转换成1和0的电子形式，包含被传递的信息。
在红外线上实现此类相干接收要比无线电波更麻烦些；匹配输入光信号的频率，对于光接收器来说并不容易。在21世纪初，随着先进数字信号处理器的发展，这种情况有所改变。改进后的处理器使接收器能够处理本地光与输入信号之间的失配，重构信号的相位和定时，并校正传输途中发生的脉冲扩频。
总之，正交编码和相干检测——以及利用光的两种不同偏振来进行传输的能力——使光纤达到了它们目前的极限。今天，新的发射器和接收器系统允许单个光信道（单一波长）远距离承载100吉比特/秒的数据，而所用的光纤最初是被设计用于承载10吉比特/秒的数据的。并且由于一条光纤通常可以容纳大约100条信道，光纤的总容量可以接近每秒10太比特。
在各个地区、国家以及国际电缆系统中，1990年后所安装的大多数光纤都与此技术兼容。在过去的6年中，很多骨干网已经完成了升级，能够以此速率传输信号。研究公司TeleGeography的高级分析师埃里克•科锐菲尔特（Erik Kreifeldt）表示：“在长途陆地传输中，这项技术的使用量在大幅增长，大部分（即使不是所有）的跨洋海底光缆都升级到了100吉比特。”
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要对这些数字有个大致的概念，可以想想美国讯远通信公司（Ciena，位于马里兰州汉诺威）最近的光纤系统。该系统可以传输96个信道，每个信道能以100吉比特/秒的速度将数据传输数百至数千千米。所有这些加在一起可达9.6太比特/秒——足够38.4万人从Netflix上下载超高清流媒体。而这只是一条光纤；今天的光缆可以搭载十几条至几百条光纤。
但是，除了21世纪初科技泡沫破裂后的那个短暂时期，世界一直处于带宽不足的状态下。思科最近的一份报告称，从2010年到2015年，全球互联网流量增长了5倍。而随着视频流和物联网的不断发展，这一趋势很可能会继续。
所以，开发者们正在考虑他们的选择。
一种想法是采用更先进的信号编码技术。目前使用的正交相移技术会在每个信号间隔编码两个比特，但Wi-Fi和其他无线系统使用的编码更复杂。例如，普遍使用的16-QAM编码可以携带4个比特的16个可能组合，从0000到1111。一些有线电视设备采用的是256-QAM。
这种先进的编码方法确实可以应用于光纤，但正如你所料，这里会有一个权衡。编码越复杂，信息就被打包得越紧密。信号对扰动的容忍度降低，随后信号的不同部分出现在错误的地方。加大功率会有所帮助，但也会造成非线性失真，失真会随着距离增加而加重。其结果是，系统制造商普遍认为16-QAM仅用于相对较短的连接——最多几百千米。
对于较长距离的光纤，工程师们想出了一个将信道更紧密地压缩在一起的办法。这样做是有空间的：今天，先进的长途光纤可能包含几十条信道，但它们在相邻信道之间预留了未使用的波长，以防止串扰。如果移去这些缓冲区，更多的信道就可以被打包到每根光纤中，形成系统工程师们所谓的超级信道，在光纤频带内部的每个波长上进行传输。讯远通信的产品和技术营销总监海伦•谢诺丝（Helen Xenos）表示，这种变化可以将传输效率提高30%。
问题的关键是要找到一种方法来编码信号，使信号不会相互干扰。而目前，至少有几家企业已经找到了使其生效的办法。2013年，讯远通信公司和英国电信集团将多个没有缓冲区的信道打包在一起，在伦敦和伊普斯维奇市之间打造了一条410千米长的800吉比特的超级信道。讯远通信公司表示，至少有一家客户公司已在越洋光缆的光纤上着手部署超级信道系统。
讯远通信公司称，他们是利用独立的芯片来生成每个激光信号的。但所采用的芯片也可以结合到一个芯片上，这可能是更紧凑、更便宜的方法。英飞朗公司的解决方案和技术总监杰夫•班尼特（Geoff Bennett）表示：“我们的秘密武器是我们的光子集成电路技术。”班尼特说，该公司在2014年展示了一条短程的1太比特超级信道。这是通过将10台激光发射器与一个单光子集成电路结合所制成的。他说，未来的系统应该能够将长途网络中的光纤容量提升到12太比特/秒——而在大都市地区的短程系统，这一速率应该翻倍。
实现这种12太比特/秒的超级信道仍然需要几年时间。但是，当它们到来时，对于目前已安装的光纤而言，这很可能是最后的容量提升。这是因为，这些光纤将接近所谓的非线性“香农极限”的根本性障碍。非线性香农极限是一个极限理论的延伸。信息理论学家香农在1948年提出，在给定带宽和信噪比的情况下，一条传输信道仅可以无误差地携带一定量的信息；非线性信道则还包括一个额外的因素：在玻璃（而非空气）中的非线性效应所产生的噪声淹没信号之前，信号功率可以被提升多少是有限度的。
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非线性香农极限是无法回避的。但是，当要安装更多的光纤时，运营商会有其他选择。英飞朗公司的班尼特表示，“最常用也最为人所知的改变”就是简单地采用更大纤芯的光纤。早期设计的光纤纤芯较小，在很大程度上限制了光能够利用的路径数量。使用较小的纤芯有利于防止信号中的光子以不同角度从纤芯-包层交界面弹起。如果一个脉冲中的光子出现这种情况，光子们会采用不同的路径——一些较长、一些较短——传播脉冲，那么就会干扰到下一个脉冲。
新的光纤设计使用了新型纤芯微结构，例如光子晶体，以使光在纤芯中遵循相同的路径。相比于9微米的标准光纤，这种新型光纤的横截面面积是其两倍。因为信号在横截面方向有了更大的通过空间，其能量密度就会降低。能量密度降低使得非线性失真减少，而这种非线性失真限制了传输距离和速度。最终结果就是增加了数据传输速率；班尼特说，未来的版本可能会使容量提升10倍之多。
这些较大纤芯的光纤目前已得到了部署，主要是用于海底电缆，因为那里的传输容量是最珍贵的。而且它们通常是新连接的好选择，班尼特说：“如果有人正在计划部署新的地面光纤，他们也应该部署大面积光纤。”虽然它们很有吸引力，但大纤芯光纤并不能完全消除非线性失真的问题。
一个潜在的、更加有前途的方法是创建多个并行路径，不同的光信号可以在这些路径上传输。开发者称之为空分复用，因为这一策略将传送的数据分割到了不同的物理路径中。
空分复用这个词实际上是指3种非常不同的并行传输。最简单、最显而易见的方法是通过在电缆中增加更多的光纤来增加更多的物理路径。多纤电缆已得到了广泛使用，但提升容量是昂贵且复杂的，因为电缆中的每条光纤都需要有自己的发射器、接收器和放大器。
如果工程师们能够找到一种方法，将不同的光路径以紧凑的方式集成到同一条光纤中，或许能取得很大的成果。要做到这一点，一种方法是构建包含多个导光纤芯的光纤，这些导光纤芯要沿着光纤的长度延伸。与普通的光纤一样，制造多芯光纤首先要在圆柱形“预型体”中组装所需的材料，然后将其加热，使玻璃可以被拉成一条细长的纤维。
多纤电缆中的每条光纤都需要一个单独的光纤放大器，而多芯光纤可以只有一个多纤芯放大器。一个8纤芯放大器的成本可能会比8个光纤放大器的成本低得多。
另一种方法是制造一个以几种不同的方式（模式）来引导光的纤芯。两种不同模式的光信号可在光纤中彼此经过，但在光纤的末端，它们可以彼此分离。
要在光纤中创造多种模式，每个信号的模式在进入光纤时必须被打造出合适的截面。每种模式需要由它自己的激光产生，而接收端的光学和电子仪器必须能够将模式分离开来。在无线电系统中，这种分离已经通过利用多输入/多输出天线实现了。
迄今为止，多模和多芯光纤传输仍处在开发的早期阶段。目前已完成了多项实验室测试，这些测试被称为“英雄实验”，因为它们是为了打动记者或上级而进行的破纪录测试。这些演示表明，每种方法都有可能显著提升光纤容量。它们一起可能会将容量提升好几百倍。
但需要利用这些方法的系统还不实用，仍然存在一系列的问题。班尼特说：“基本上，目前所有的空分复用技术都有自己的致命问题。”例如，对于多芯和多模光纤，仅是将光纤末端连接到发射器和接收器就远比实现标准光纤的连接更复杂。这两种情况都需要更高的机械精度。要非常仔细，确保光以预想的方式进入。而对于需要多芯放大器的多芯光纤，每个系统中的纤芯必须要精确匹配。
班尼特表示，除非有工程上的突破，“启动另一根光纤总是更容易些的——服务提供商一直这么告诉我们”。
彼得•文策尔（Peter Winzer）是贝尔实验室的杰出技术人员，也是高速光纤系统的带头人，他也认为安装拥有更多光纤的新电缆是最简单的方法。但是，在最近的一篇文章中，他警告说，这种做法将增加电缆的成本，可能会不受电信公司的欢迎。它不会像原先的技术进步那样降低每比特的传输成本。
新想法仍在不断涌现。2015年6月，加州大学圣地亚哥分校的尼古拉•亚力克（Nikola Alic）及其同事报道了一种方法，利用光学频率梳来增加光纤传输距离。光学频率梳可以自然锁定激光间的相对波长，消除抖动并提高信号质量。亚力克表示，利用频率梳，“我们至少可以将任何系统的数据传输速率翻一番”。文策尔说，“这是非常好、非常扎实的工作”，但他怀疑这种方法的实际影响会有多大，因为开发者希望有更大的增长。
接下来会发生什么？今天，电信运营商忙着安装100吉比特的相干系统。超级信道将使最大容量提升30%左右，而空分复用看起来像是实现下一次容量飞跃的最佳选择。但是，在那之后，谁知道呢？
或许一些过去的理念会翻出新花样。最终在2010年左右被采用的相干传输实际上是20世纪80年代的一个热门话题，但当时它败给了已准备好部署的其他技术。光子学研究的土壤中可能会孕育出全新的东西，而且我们总是可以铺设更多的光纤。无论如何，世界对于数据的渴望会让工程师们努力工作，不断拓展带宽。
作者: Jeff Hecht
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