过去的数十年间，对于数据传输的需求成倍增长。不幸的是，光纤容量的基本极限（也称为Shannon极限）加剧，这是由于受到光纤中强度相关的非线性极限，以及单一光纤及采用光学放大器频带内光纤可容纳的信息量的最大值所限制的。看似容量危机正逐步逼近。5月11-12日，在伦敦皇家学会（The Royal Society）召开的科学研讨会——超越容量危机的通信网络（Communication Networks Beyond the Capacity Crunch），以及5月13-14日在英国白金汉郡（Buckinghamshire）Chicheley Hall召开的皇家学会卫星会议上展开了激烈的讨论。

来自BT的Andrew爵士（Andrew Lord）宣布会议开幕，并做一场报告，内容为电信网络容量增长的影响。他透露说，BT十年来为大多数家庭用户提供了500 Mbps的数据，为付费的优质客户提供了1 Gbps的数据，BT公司有技术储备用于满足基于当前数据使用量的预测需求。按他的说法，技术接入似乎安然无恙，这说明并不存在会议上讨论的容量危机。

“从我个人角度来看，我不会说在这个时刻我们正经历着一场真正意义上的危机。相反，我们需要关心的是未来核心网络的传输增长，以及与成本相关的挑战。”英国南安普顿大学（University of Southampton）David Richardson在讨论会上做邀请报告时如此说。

通过提高单个光纤系统的速度和光谱密度来提高光纤通信系统容量。到目前为止，该技术已经保持了非常好的需求，然而，这还能够继续保持多久就成了一个棘手的问题了。

“过去的25年间，实验室中这些光纤系统的容量扩大了五个数量级。这种趋势已经走到了尽头，因此需要平衡，这就是危机的所在，就像计算机处理器通过提高每一代处理器的时钟速率来增加核心及其他并行方法一样。”美国亚利桑那大学University of Arizona如是说。

在不久的将来，光纤通信系统将通过多波段、多光纤及多载波传输的平行增长来提高容量。技术的进步能够使这些平行系统持续以指数形式扩展，最终用户不会察觉到多大区别，Kilper这样指出。他还警告说，“然而，扩展这些系统相当困难，因此我们可能看不到相同的增长速度。这将最终产生一系列影响，比如说成本增高。”

目前的共识是存在三个容量危机，即光纤容量危机、无线容量危机、和处理器芯片容量危机。

过去30年的通信研究一直在寻求编码和多重光信号来解锁由单模光纤（SMFs）提供的最大实际频谱效率（~10 Tbit s−1 Hz−1）的创新方法。在Richardson的报告中，讨论了定义光纤容量的三个组成部分：光学带宽（由铒掺杂的光纤放大器的增益带宽来定义）、频谱效率（表明带宽的使用效率）、独立的空间信道数量，目前有两个——一个空间模式和两个正交偏振。

不同的配置和光纤类型可以用来增加光纤的容量。捆绑SMFs从而支撑所谓的并行光纤系统是一种解决方法，但是这种方法因通用放大器，可能会导致同时放大光纤束内的多个光纤。另一方面，多核光纤——多个光纤（N），光纤横截面的核或多或少的彼此独立——可能增加光纤的容量。少模光纤——模的数量（M）受到限制，并精确定义——可用于定义多个空间通道。少模多核光纤，每个M模包含有N个少模核，可提供N x M个空间途径。非线性的空芯光纤可以忽略，因为空气中的信号繁殖可能会减少损失，即使是只有2μm左右。这样的光纤也可支持少模传输。

伦敦皇家学会召开的超越容量危机的通信网络研讨会不仅仅涉及基础科学，也包含了技术实施和经济、政策的因素。

事实上，近期的研究有针对性的指向2μm的较长波长窗口。“是的，基于铥和钬掺杂，存在更宽的带宽放大器，2 μm。具有与铒掺杂光纤放大器类似的增益和噪音性能，但其覆盖的带宽宽了3-4倍。” Richardson指出。需要说明的是，目前在2 μm (~2 dB km−1)处的损耗比常规光纤在1,550 nm (0.2 dB km−1)处的损耗高了不止十倍。

然而Richardson设想，如果空芯光纤在2 μm的损耗能够低于SMFs在1,550 nm的损耗，且具有高容量的话，它将可能开启2 μm新波长革命。“这是可能的，但从制备角度来看极具挑战，因为内部复杂的微/纳结构需延伸千米以上。可以通过这样的方式来实现，增大内芯来减少传播模式与中心孔内壁的相互作用，表面粗糙度将引起散射损耗。散射粗糙度本质上是热力学的，来自于光纤拉制过程中玻璃冷却和固化所产生的表面毛细波。从原理上讲，通过增大表面张力以及在更低的温度进行光纤拉制，可以减小散射粗糙度，但实际上几乎没有明显的改善。” Richardson解释说。

除了采用不同类型的光纤以及更长的波长窗口以外，目前空分复用（SDM）成了增加网络容量的一种方法，通过增加空间信道的数量至一个数量级，再乘以相应的单个光纤的容量。

“比如说，N表示独立的空间信道，对于芯分离良好的多核光纤，提供了少量的线性核非线性串扰，比例因子为N。如果多模光纤有N-模在工作，空间信道交换能量更加稳定，增益也可能略低于N，这由线性和非线性串扰所确定。人们仍然在这种情况的极限下运行。” Richardson如是说。

类似的，无线通信也经历了一个容量危机，因为它也接近于光谱密度的Shannon极限。为了达到更高的速度，需要平行其他方式，要么通过多波束的形成（主要涉及的技术称为多进多出，采用大型天线阵列），要么通过使用更小的单元尺寸（并行的高容量系统的尺寸必须相同）。中国移动研究所（China Mobile Research Institute）的Chih-Lin I在会议上分享了她关于“互联网+”、“工业V4.0”以及“5G”等概念的观点。

虽然还有很多年，但微处理器的输入/输出容量危机迅速逼近，并将影响其他两个危机。输入/输出主要涉及处理器和存储器之间的数据转移。目前典型的操作是使用芯片存储或高速缓存，并通过移动内存使其一步步接近处理器芯片。最终将需要有更好的解决方案，这也解释了为什么Intel和IBM等芯片制造商一直投入巨资在这一领域。

“这种电子处理器输入/输出危机不同于其他两种，它涉及新技术的转移——从电子输入/输出到光学输入/输出，而不是并行移位。”Kilper这样解释。

Kilper在报告中说到，通过硅光子学进展将光子和电子结合在一起，是解决该容量危机的核心。

“没错，电子和光子紧密结合将是这三种危机的关键。我们需要光子来解决电子处理器输入/输出危机。硅光子学，在芯片上实现的光学系统，通常由互补的金属氧化物半导体电子器件投诚，是最有前途的方法。一旦在处理器层面上有了光学输入/输出，就可以涵盖光学开关机其他功能，将使得光、尤其是互联网协议通信具有更高的效率。”Kilper这样强调。

光学已被用于无线系统的无线头（传输塔顶部）和基带单元（传输塔底部）之间的连接。无线5G将涉及光学的更大利用。“如果光学在处理器和主板上实现的话，在无线系统中，它将有可能在高容量的情况下实现更大的效率。为实现这一目标还需要大量的研究，但这是一个令人兴奋且有很好前景的想法。”Kilper说。

担心容量危机，最好的方式就是解决它。

对Richardson来说，最好的方式就是通过集成了发射器、接收器、放大器及可重构光的加插复用器的更好设备，并利用具有多平行SMF系统的SDM来降低成本。

Richardson 补充说，“迁移至SDM系统本身可能需要更长的时间，并且可能最终无法获得商业利益及可行性。另外，在网络周边增加数据缓存来降低长距离输运的需求以及阻止容量无节制使用的不同商业模式的最终采用，都将可能发挥重要作用。”

对于Kilper来说，重点在于通信系统的效率。足迹、热密度、以及系统效率通常与能量效率紧密相关，因此能量效率是一个很好的目标着手点。按照他的说法，为了获得通信系统的标度指数，就像过去热衷的那样，我们需要考虑长期的核心网络系统（运行于10 pJ bit–1级别，以及比当前高两个数量级的100 fJ bit–1级的芯片输入/输出系统）。

“并行增长可以很好的扩展，只要效率与性能成比例提高，例如速度和容量增大。无线和光学系统都需要以指数形式提高效率，以维持流量增长。这是一项艰巨的挑战，从未做过，但也是研究中技术上可行的明智投资。”Kilper说。

尽管存在令人担忧的情况，Richardson和Kilper都相当冷静，保持乐观。

“不必惊慌。互联网不会明天就停滞。我们正处于早期的研究阶段，寻找可能的未来选择，并探讨基于单模光纤和当前技术的系统转移的可能性。一旦技术方案被理解，整个商业可行性、降低成本和功耗的问题将需要更重点考虑。”Richardson说。

“这是激动人心的时刻，伴随着许多变化的到来以及多技术的融合。应该会是一个有趣的旅程。”Kilper说。

新材料在线编译整理——翻译：菠菜    校正：摩天轮