新一代光纤

随着高速通信标准“5G”的登场和远程办公的普及,全球的通信量持续增长,2020年代之内光纤(optical fiber)通信网陷入容量不足的风险已经出现。此前通过改进现有光纤或增加缆线数量加以应对,但已接近本身性能和设置空间的极限。因此,不仅是通信标准,推进光纤本身通信量飞跃式增加的研究也成为当务之急。

日本“情报通信研究机构”(NICT,日本总务省的下属机构,日语的“情报”是“信息”之意)的光子网络(photonic network)系统研究室长古川英昭指出“如果通信量持续增加,2020年代内将超过现行光纤的极限”,对相关状况敲响了警钟。据日本总务省统计,日本国内的通信量在10年里增至10倍以上。

原因是使用智能手机和个人电脑的机会的增加。随着这些终端产品的性能提高,视频也成为人们相互传送的对象。传送信息时,携带信息的数字信号将转变为光信号,通过光纤线缆传输。光纤以海底光缆的形式遍布全世界,成为与世界交流的不可或缺的存在。可以说,光纤是支撑现代社会的“幕后英雄”。

此前通过增加每根光纤的传输容量来应对通信量的增加。2005年的传输容量为每根每秒1万亿比特,但现在已达到十数万亿比特。

不过,现行的光纤只能将传输容量提高至100万亿比特。如果传输更多的信息,用于通信的激光将过强,存在光纤熔化的风险。如果威胁变为现实,通信将停滞,将对业务高效化和劳动方式改革造成影响。

日本“电子情报技术产业协会”的预测显示,全球通信量预计在截至2030年的10年里增至15倍,今后将持续增加。为了解决这一问题,日本国内外的光纤企业推进开发的是称为“Multi core(多核)”的新一代光纤。

此前的光纤只有一条被称为“Core(纤芯)”的光信号通道,但多核光纤将具有3~4根纤芯。就像随着道路的车道数增加、能行驶的车辆数也将增加一样,如果光信号的通道变多,传输容量也将增至数倍。

另外,要准确传输光信号,有必要避免其他信号的干扰,但一根光纤的直径只有0.125毫米,跟头发的粗细差不多。因此,纤芯之间的间隔只有0.05毫米左右,与从相邻纤芯泄露的光信号产生干扰成为此前的课题。

解决方法之一是在纤芯周围增加作为材料的低折射率玻璃层,避免向周围泄露。通过在玻璃里加入氟,仅降低周边部位的折射率,让光信号留在纤芯。

日本情报通信研究机构于3月实施了采用具有4根纤芯的光纤的传输试验,成功实现每秒610万亿比特的传输。在现在同等粗细的光纤的传输容量方面,创下了世界记录。这样的话,即使纤芯为多个,光纤的粗细也不会改变。

多核光纤可以和现有的光纤并用,因此被认为将逐步加以取代。

日本住友电气工业2019年在世界范围内首次在意大利铺设了多核光纤,日本情报通信研究机构对相关性能给予积极评价。按日本“电子情报通信学会”的设想,自2025年前后起,具有4根纤芯的光纤将开始在10公里以下的短距离通信网使用。预计自2030年前后应用于海底光缆。

要进一步提高每根光纤的性能,还具有开发使纤芯加粗、让光信号在1根纤芯中穿过多个通道的“Multimode(多模)”光纤这一途经。与多核结合的实用化被认为将等到2030年代后半期。

在新一代光纤领域,日本企业的研究开发走在前头。负责专利相关事务的日本特许厅2018年发布的报告显示,在光纤的多核领域,在世界上已申请的专利件数的前4家企业为藤仓、住友电工、NTT和古河电气工业,被日本企业独占。在多模领域,第2~4位也由NTT、住友电工和藤仓等日企垄断。藤仓计划在2020年代中期之前实现多核光纤的商用化。

当然,日本以外的企业也在推进新一代光纤的开发。美国特殊玻璃厂商康宁(corning)在多模光纤专利件数上居第1位,在多核领域也成功实现大容量传输。意大利的普睿司曼集团(Prysmian Group)也具有新一代光纤的研究成绩。与智能手机和基站等同样,光纤的全球竞争也可能日趋激烈。

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