2.4.2 光通信的发展趋势

20世纪70年代至90年代，光波技术的发展是以光纤通信为主线的，基本上以提高光纤链路传输速率和延长传输距离为目标。20世纪90年代以后逐渐进入光网络时代，光网络是以网络节点互联而成的全光透明网络。目前，光通信技术面临流量快速增长、运维管控复杂、业务开通速度慢、成本和功耗高等挑战，光网络设备也将向高速、大容量、分组、智能、绿色和低成本方向发展。

此外，相干光通信、光孤子通信、纳米光通信、量子光通信等新技术的不断涌现与快速发展，都在光通信领域产生了一场场深刻的变革。下面简要介绍两种目前光通信研究的热点方向：光孤子通信及量子光通信。

1．光孤子通信

（1）基本概念

光纤的“色散”使光信号的脉冲展宽，而光纤的“非线性”特性会使光信号的脉冲变窄。若使光脉冲变宽和变窄这两种效应正好互相抵消，光脉冲就会像一个个孤立的粒子那样形成光孤子，能在光纤传输中保持不变，从而实现超长距离、超大容量的通信。光孤子（soliton）就是这种能在光纤中传播的长时间保持形态、幅度和速度不变的光脉冲。

（2）光孤子通信的关键技术

光孤子通信的关键技术主要有适合光孤子传输的光纤技术、光孤子源技术、光孤子放大技术、光孤子开关技术。

（3）光孤子通信的发展前景

全光式光孤子通信是新一代超长距离、超高码速的光纤通信系统，更被公认为光纤通信中最有发展前途、最具开拓性的前沿课题。光孤子通信和线性光纤通信比较有一系列显著的优点，具体如下。

①传输容量比最好的线性通信系统大1～2个数量级。

②可以进行全光中继。由于孤子脉冲的特殊性质使中继过程简化为一个绝热放大过程，大大简化了中继设备，使中继更加高效、简便和经济。

光孤子通信和光纤通信相比，无论在技术上还是在经济上都具有明显的优势，光孤子通信在高保真度、长距离传输方面，优于光强度调制/直接检测方式和相干光通信。当然，实际的光孤子通信仍然存在许多技术的难题，但目前已取得的突破性进展使我们相信，光孤子通信在超长距离、高速、大容量的全光通信中，尤其在海底光通信系统中，有着光明的发展前景。

2．量子光通信

（1）基本概念

在人们现有的有关宇宙知识中，认为没有任何一种物体可以被加速到超过光的传播速度（光速c=3×108m/s）。但是以量子态作为信息载体的量子通信，可以远超光速进行远距离“传输”。

量子光通信（Quantum Optical Communications，QOC）也被简称为量子通信（Quantum Teleportation，QC），是指利用量子纠缠效应进行信息传递的一种新型通信方式。现有的量子通信实验一般都是以光子为量子态载体，其表现形式即光子态传输，是让光量子携带数字信息来实现通信。

量子纠缠（Quantum Entanglement，QE）是粒子在由两个或两个以上粒子组成的系统中相互影响的现象。虽然粒子在空间上可能分开，甚至相距遥远，但一个粒子的行为将会影响另一个粒子的状态，当其中一颗被操作（如量子测量）而状态发生变化时，另一颗也会立刻发生相应的状态变化。

根据实验验证，具有纠缠态的两个粒子无论相距多远，只要一个发生变化，另外一个也会瞬间发生变化，利用这个特性实现量子光通信。当今，已通过对于有相互纠缠的光量子进行的实验研究。专家们从实验得出：任何隐蔽信号传送到不同地点，仅仅需要一百万兆分之一秒（10−12s）。这一传输速率保证了接收站能够准确地检测到光量子所处的量子态，并由此推测出基于纠缠态的信息传输速率至少是光速的1万倍。

按所传输的信息，量子光通信可分为两类：用于光量子密钥的传输；用于光量子隐形传态及纠缠的分发。

这里的隐形传态指的是脱离实物的一种“完全”的信息传送。

量子光通信的主要特点是信息效率高，信噪比低，非局域性，具有窃读可知性，无电磁波辐射，通信隐蔽性好。

（2）量子光通信系统及关键技术

量子光通信系统的主要部件包括量子态发生器、量子通道和量子测量装置，如果长距离传输，还需要量子中继器，以实现对传输的量子能量放大。若所传送的信息为经典信息，则一般用来传输量子密钥；若所传送的信息为量子信息，则一般用来分发量子隐形传态及量子纠缠。量子光通信系统原理如图2-29所示。

图2-29中，量子信源是消息产生器；量子信宿是消息的接收者；量子调制器用于把消息变换成量子比特，用量子态作为消息载体以传输量子信息；量子解调器用于把量子信息比特转换成消息；信道包括量子传输信道和辅助信道两个部分：量子传输信道就是传输量子信号的通道，辅助信道是指除传输信道和测量信道之外的其他附加信道，如经典信道，图中的虚线所示。量子信道噪声是环境对量子信号影响的等效描述。

量子光通信的关键技术如下。

①光子计数技术。

②光量子无破坏测量技术。

③亚泊松态激光器。

（3）量子光通信的军事应用

量子光通信是一门面向未来的全新通信技术，在安全性、高效性上具有经典通信无法比拟的优势，已引起各国国防部门的充分重视，其典型的军事应用如下。

①用于建立通信密钥生成与分发系统。

②用于建立战区安全通信网。

③用于建立核心加密信息链。

④用于建立超高速信息网络。

⑤用于建立深海军事通信。

⑥用于建立远程通信网。

（4）量子光通信的国内外发展现状

美国对量子通信的理论与实验研究开始较早，是最先将量子通信技术列入国家战略、国防和安全研发计划的国家。20世纪末，美国政府便将量子信息列为“保持国家竞争力”计划的重点支持课题。欧盟也推出了用于发展量子信息技术的“欧洲量子科学技术”计划及“欧洲量子信息处理与通信”计划，这是继欧洲核子中心和航天技术采取国际合作之后，又一针对重大科技问题的大规模国际合作。日本对量子光通信技术给予高度重视并每年投入2亿美元，并计划在2020—2030年建成绝对安全保密的高速量子通信网。

中国的量子通信在2000年以前，一直处于学习研究阶段。2013年5月，中国科学院第一次完成了星地量子密钥分发的全方位地面实验。2016年8月，我国发射了世界上第一颗量子通信卫星“墨子号”，并在“天宫二号”上测试成功，为建立全球的量子光通信网络奠定了坚实的基础。2017年年初，量子保密通信“京沪干线”全线贯通，把北京、济南、合肥、上海的城际量子通信网紧紧地连在了一起。预计到2030年，我国将实现亚洲与欧洲的洲际量子密钥分发，建立连接亚洲与欧洲的洲际量子通信网。