光纤传输系统的容量极限!

在80年代初，电话的调制解调器的速率一直为9.6kbps，如果提高这个速度，线路就会出现很大的问题。针对这个问题，开发了一种新的纠错码，可以将调制解调器的速率提高1/4。由此引入三个问题：是否存在更优的纠错码提高速率进一步提速，速度能提高什么水平，这种纠错码是什么。

实际上，香农在1948年就解答了前两个问题：通信系统存在一个最高的系统容量，现在一般称为香农极限，也存在一种理想的纠错码，使得系统容量能逼近香农极限。当然，香农在1948年开创性的工作没有回答第三个问题，或者其对第三个问题的解答不是很现实。

在此之前，Nyquist解决了无噪声的系统容量问题。香农在Nyquist和Hartley的基础上，从概率的角度提出了加性高斯噪声系统的系统容量。因为现实中的通信系统总是由噪声的，一个通信信道的容量主要由两个因素决定：信道带宽和信道的信噪比。

对于光纤通信信道来说，B 为信道所占的光带宽Hz，C 为系统的信息速度的理论上限，bit/s。这里的通信信道对应一个纤芯中一个工作波长的一个模式中的一个偏振态。基于这项辉煌的工作，对于光通信来说，其常用的通信波段C，L，S，其信息速度的理论上限就确定了，过去和未来一段时间内的有些工作就是在努力提高系统的通信容量，并不断逼近香农极限。对于系统来说，频谱效率可能更重要，频谱效率的理论上限为。

频谱效率的提高推动着整体系统的提高。系统容量和频谱效率是衡量一个系统的比较重要的两个指标。对于单个通信信道来说，由于香农极限的及其简洁的表达，也很容易知道随着信噪比的变化，其信息速度的理论上限的变化，这个工作不仅指引了过去半个世纪的努力方向，可能也是未来很长的时间内的创新领域。

可以看到，系统的信噪比提高一倍，频谱效率提高大概1bps/Hz，当然并不是也提高一倍。

截至目前，整个系统的容量提升还是大致从五个方面进行提升：波特率，调试格式，双偏振，波分复用，以及空分复用。

1.提高波特率，这个自然涉及到光电系统和光纤两方面的工作。2.不仅采用更高的多级调制格式，增加每个码符包含的bit数量，也通过不同的星座概率整形，几何整形，混合整形等技术，进一步逼近香农极限。3.波分复用，扩展操作波长范围，增加信息通道的数量。 -扩展操作波长范围，从C波段扩展到C+L波段，而目前新的容量记录均从C+L波段扩展到C+L+S波段。这里涉及到混合放大方案，基本上，对于C+L波段，采用分布式拉曼和掺铒光纤混合放大，对于S波段，则采用分布式拉曼和掺铥光纤混合放大 -这里也涉及到单波长波特率和载波间隔的平衡。4.偏振复用，双偏振将容量提高一倍。对于香农极限来说，主要是限制单个偏振，这样双偏振将系统容量的理论上限提高一倍。5.空分复用 -增加光纤的数量 -多芯光纤，每芯将被视为一个独立的通信信道，这样光纤容量将乘以每根光纤中的芯数 -少模光纤或者多模光纤，每个光纤模式将被视为一个独立的通信信道，光纤容量将随着空间模式的数量而线性增加。从90年代开始，到2017年左右，可以从海底光缆系统中，看到系统容量在五个方面的努力下呈现指数级别的迅速提升。

当然，可以看到，距离香农极限还有比较大的空间。最近三年的记录也在不断提升，系统容量也在不同的优化角度下，特别是调试格式的优化下，进一步逼近香农极限。特别是频率效率和单通道容量在显著提升。

首先光频道均从C+L扩展到S+C+L，但是在S波段，混合放大依旧存在一些挑战，或者半导体放大能在这方面有所突破，至少达到和C+L等同的平坦的放大效率。可以看到，每个记录中，调制格式，波特率，信道间隔均有些差异。由于文献中没有详细记录光纤的类型和参数，输入功率，和光信噪比等，难以判断是否可以通过光纤优化和系统非线性优化进一步提高通道容量。当然，由于文献应该均在实验室内完成，实际上的光纤损耗应该会更高一些，这将牺牲一部分系统容量，或者带来一定的功率代价。