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回首1976年以來的發(fā)展歷程，成果豐碩。自中國(guó)第一根實(shí)用化光纖在武漢郵科院誕生，幾十年來烽火通信始終砥礪前行、奮發(fā)進(jìn)取，攻克光通信的一個(gè)又一個(gè)難關(guān)，持續(xù)引領(lǐng)技術(shù)的發(fā)展。
站在2023年又一新起點(diǎn)，展望未來。烽火通信提出光通信面臨的十大挑戰(zhàn)，愿與運(yùn)營(yíng)商及行業(yè)客戶、產(chǎn)業(yè)鏈合作伙伴攜手創(chuàng)新，繼續(xù)勇攀光通信發(fā)展高峰！
挑戰(zhàn)一、光通信的“摩爾定律”能否延續(xù)？未來如何發(fā)展？
自WDM系統(tǒng)走向商用以來，干線光傳輸每次速率升級(jí)換代，都在遵循傳輸距離相當(dāng)、系統(tǒng)容量隨速率提升而線性翻倍的規(guī)律，并成為業(yè)內(nèi)約定俗成的光通信摩爾定律。400G WDM系統(tǒng)的長(zhǎng)距離傳輸通過高帶寬器件、C+L波段的應(yīng)用，解決了長(zhǎng)距離傳輸和系統(tǒng)容量提升兼顧的難題。未來在滿足長(zhǎng)距離傳輸應(yīng)用場(chǎng)景下，如何進(jìn)一步提升系統(tǒng)容量將成為業(yè)內(nèi)研究熱點(diǎn)。單波速率向800G及1T以上超高速率演進(jìn)，一方面需要200GBaud以上更高帶寬器件，另一方面信道間隔需要擴(kuò)寬至200GHz以上。80波復(fù)用需要C+L波段之外更寬頻譜資源，如何打破“提速不增容”的怪圈是一大難題。單波速率維持在400 Gbit/s，通過拓寬頻譜增加波長(zhǎng)復(fù)用數(shù)量，則需要解決激光器光源、光放大、系統(tǒng)非線性管理乃至光纖介質(zhì)等一系列難題。
挑戰(zhàn)二、單模光纖傳輸系統(tǒng)的香農(nóng)極限在哪里？技術(shù)演進(jìn)如何實(shí)現(xiàn)超越？
受單模光纖鏈路非線性損傷的制約，100 Tbit/s被業(yè)界普遍認(rèn)為是單模光纖傳輸系統(tǒng)的容量極限。根據(jù)香農(nóng)容量定理，光纖傳輸系統(tǒng)的傳輸容量受限于構(gòu)成光傳輸鏈路的光電器件帶寬資源和傳輸損傷等物理特性，光纖折射率與光信號(hào)功率密度的相關(guān)性導(dǎo)致光信號(hào)頻率和相位隨其功率非線性變化。光脈沖信號(hào)沿光纖通道傳播過程中因CD、PMD以及與ASE相互作用引起脈沖形狀發(fā)生改變，經(jīng)光纖非線性效應(yīng)引起非線性相位噪聲(NPN)，對(duì)相位調(diào)制的信號(hào)影響嚴(yán)重，并隨著相位調(diào)制級(jí)數(shù)增加而惡化。此外，受激拉曼散射SRS以及受激布里淵散射SBS會(huì)導(dǎo)致光信號(hào)能量轉(zhuǎn)移而弱化并產(chǎn)生噪聲干擾。限制傳輸光功率、破壞相位匹配條件、電域均衡算法，是抑制和補(bǔ)償非線性效應(yīng)的常用策略，但是實(shí)際應(yīng)用過程中，對(duì)傳輸性能的提升有限。采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及信息論技術(shù)進(jìn)行光纖非線性補(bǔ)償，或是石英單模光纖超高速光傳輸系統(tǒng)逼近非線性香農(nóng)極限的有效手段。
挑戰(zhàn)三、C+L波段擴(kuò)展趨勢(shì)下，寬譜低噪聲摻鉺光纖放大器的挑戰(zhàn)在哪里？
支持長(zhǎng)距離傳輸?shù)?00G PM-QPSK信號(hào)波特率提升至128GBaud,信道間隔相應(yīng)擴(kuò)展到150GHz,80波復(fù)用需要采用C6T+L6T光纖頻譜。L6T的光譜拓展，最長(zhǎng)波長(zhǎng)接近1627nm，此前商用鉺纖可支持的最長(zhǎng)波長(zhǎng)在1610nm附近，如何將L波段波長(zhǎng)向1627nm擴(kuò)展是寬譜EDFA面臨的主要挑戰(zhàn)。業(yè)界當(dāng)前主要通過提高鉺粒子摻雜濃度和鈰、磷等多元素共摻等特殊工藝，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)EDFA向L6T寬譜的拓展。與此同時(shí)，L波段鉺纖總體鉺粒子輻射率比C波段低若干數(shù)量級(jí)。在較長(zhǎng)的鉺纖中維持反轉(zhuǎn)粒子數(shù)水平,需要多次注入高泵浦功率才能實(shí)現(xiàn)大功率的放大信號(hào)輸出，并且L波段EDFA的NF比C波段有明顯的增加。為彌補(bǔ)L波段鉺纖增益效率的下降，需要使用更大的泵浦功率和更長(zhǎng)的餌纖，導(dǎo)致EDFA體積與成本增加。
挑戰(zhàn)四、G.654.E光纖之后，下一代干線光纖技術(shù)誰(shuí)將脫穎而出？
G.654.E光纖憑借超低損耗、超大有效面積雙重優(yōu)勢(shì)，在面向400 Gbit/s及以上高速傳輸時(shí)優(yōu)勢(shì)明顯，已在運(yùn)營(yíng)商干線光纜網(wǎng)新建項(xiàng)目中獲得規(guī)模應(yīng)用。面向未來光網(wǎng)絡(luò)發(fā)展，光纖光纜有三條發(fā)展路線：路線一，在單模光纖前提下繼續(xù)降低光纖損耗并增大有效面積，但如何在有效面積和彎曲損耗之間取得平衡，從而使有效面積增大后的光纖更具備實(shí)用性是一大難題；路線二，基于多芯少模光纖發(fā)展SDM技術(shù)，多芯少模光纖如何實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離下軸向和徑向的二維均勻性分布并將光纖損耗進(jìn)一步降低以及多芯增益光纖技術(shù)，將是后續(xù)走向規(guī)模商用需突破的挑戰(zhàn)；路線三，空芯光纖與現(xiàn)有光纖在材料工藝上不同，具備超低損耗、超低時(shí)延、低非線性等優(yōu)勢(shì)，目前處于實(shí)驗(yàn)室研究階段。空芯光纖的長(zhǎng)期使用可靠性、衰減穩(wěn)定性，以及衰減進(jìn)一步下降要求下制造工藝魯棒性冗余度提高，將是空芯光纖實(shí)用化部署的重大挑戰(zhàn)。
挑戰(zhàn)五、WSS作為OXC的核心器件，未來如何演進(jìn)與發(fā)展？
當(dāng)前支持雙向32維度的WSS器件已廣泛應(yīng)用于ROADM/OXC設(shè)備，隨著光網(wǎng)絡(luò)骨干節(jié)點(diǎn)交叉容量及調(diào)度能力進(jìn)一步提升以及單波400 Gbit/s的應(yīng)用，對(duì)WSS器件的端口數(shù)和集成度提升、C+L波段擴(kuò)展提出了新的挑戰(zhàn)。端口數(shù)方面，雙向48維度的WSS已基本成熟，未來繼續(xù)向64維演進(jìn)；集成度方面，支持雙向應(yīng)用的Twin WSS已進(jìn)行廣泛應(yīng)用，未來進(jìn)一步向支持四方向的Quad WSS演進(jìn)；波段擴(kuò)展方面，支持C6T/L6T擴(kuò)展的WSS器件已產(chǎn)品化，未來將實(shí)現(xiàn)C+L一體化并考慮向S波段等進(jìn)一步擴(kuò)展。WSS器件的發(fā)展和演進(jìn)，當(dāng)前還存在諸多挑戰(zhàn)需要產(chǎn)業(yè)鏈尋求解決方案，例如更簡(jiǎn)潔的光路設(shè)計(jì)、高集成度方式下可靠性的保障、材料突破（如超低損透鏡、光柵、超大超快偏轉(zhuǎn)角度LCOS、超表面材料）及算法（補(bǔ)償算法、控制算法）等。
挑戰(zhàn)六、S、E等波段的進(jìn)一步擴(kuò)展是否可行？挑戰(zhàn)在哪里？
擴(kuò)展C波段之外的L、S、E波段光纖信道頻譜，是實(shí)現(xiàn)單纖容量顯著提升的公認(rèn)手段。從傳統(tǒng)C4T擴(kuò)展到C6T可實(shí)現(xiàn)頻譜帶寬容量50%增長(zhǎng)，擴(kuò)展到C6T+L6T則可大幅實(shí)現(xiàn)200%頻譜帶寬容量增長(zhǎng)，除此之外還可在S波段甚至是E波段進(jìn)行頻譜擴(kuò)展，但區(qū)分于C和L波段通過EDFA進(jìn)行光放大，S和E波段則需要用到其它元素進(jìn)行摻雜。由于頻譜擴(kuò)展會(huì)帶來嚴(yán)重的SRS效應(yīng)，造成短波信道性能嚴(yán)重劣化。因此，未來超寬譜光傳輸系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)及商用，需要產(chǎn)業(yè)鏈從描述SRS效應(yīng)的EGN理論建模、受激拉曼散射補(bǔ)償技術(shù)、靈活頻譜效率技術(shù)及新型光纖鏈路等方面開展研究創(chuàng)新，克服超寬譜擴(kuò)展下SRS效應(yīng)對(duì)光傳輸系統(tǒng)性能的影響。
挑戰(zhàn)七、節(jié)能減排大勢(shì)所趨，雙碳目標(biāo)要求下設(shè)備與機(jī)房配套如何演進(jìn)？
云計(jì)算、數(shù)據(jù)中心業(yè)務(wù)的增長(zhǎng)推動(dòng)了光網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)傳輸與交換容量快速增長(zhǎng)，當(dāng)前部分核心樞紐節(jié)點(diǎn)ROADM/OXC已提升至32維，單方向已出現(xiàn)80x400 Gbit/s需求。相應(yīng)站點(diǎn)無(wú)論是設(shè)備空間占地，還是供電散熱均存在較高挑戰(zhàn)。在部分傳輸網(wǎng)絡(luò)與數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)共站節(jié)點(diǎn)采用光電混合交叉OTN+ROADM設(shè)備高效滿足業(yè)務(wù)調(diào)度需求，與此同時(shí)改造傳輸設(shè)備的結(jié)構(gòu)、供電、散熱方式，以匹配數(shù)據(jù)中心機(jī)房800mm深機(jī)架、高壓直流供電、前進(jìn)風(fēng)后出風(fēng)乃至液冷散熱等，將是解決該矛盾的有效方式。
挑戰(zhàn)八、當(dāng)光網(wǎng)絡(luò)與數(shù)字孿生不期而遇，如何有效進(jìn)行深度融合？
當(dāng)前，數(shù)字孿生技術(shù)與光網(wǎng)絡(luò)深度融合已成為研究熱點(diǎn)，將誕生光通信的chatGPT智能應(yīng)用。光網(wǎng)絡(luò)面向“規(guī)-建-維-優(yōu)”全生命周期運(yùn)營(yíng)自動(dòng)化和智能化發(fā)展，可以有效提升網(wǎng)絡(luò)性能和資源利用效率，但落實(shí)到實(shí)踐應(yīng)用中還需要滿足多種嚴(yán)苛要求。為了構(gòu)建運(yùn)行機(jī)理、行為規(guī)則、健康狀態(tài)與物理光網(wǎng)絡(luò)高度一致的數(shù)字孿生網(wǎng)絡(luò)，需要解決光網(wǎng)絡(luò)靜態(tài)機(jī)理建模與動(dòng)態(tài)多變光因素引發(fā)的孿生網(wǎng)絡(luò)與物理實(shí)體不一致問題。在面向L4/L5高維度網(wǎng)絡(luò)自智的過程中，還需要設(shè)計(jì)新型泛化機(jī)制來應(yīng)對(duì)光網(wǎng)智能模型難以適配多種運(yùn)維場(chǎng)景的問題，突破面向不同速率、調(diào)制格式、光纖類型等復(fù)雜場(chǎng)景智能模型動(dòng)態(tài)優(yōu)化更新技術(shù)，構(gòu)建起能夠達(dá)到人類專家運(yùn)維能力的自動(dòng)化智能平臺(tái)。另外，面向當(dāng)前跨域跨廠商光網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，需要制定有效的跨領(lǐng)域協(xié)作機(jī)制和標(biāo)準(zhǔn)，解決軟硬件的統(tǒng)一、協(xié)議的一致性和數(shù)據(jù)的互通等問題，確保不同領(lǐng)域合作的高效性，支持傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)向智慧光網(wǎng)絡(luò)、自智網(wǎng)絡(luò)平滑演進(jìn)。
挑戰(zhàn)九、高速光電器件作為光通信系統(tǒng)皇冠上的明珠，如何進(jìn)一步突破帶寬限制？
400 Gbit/s以上更高速率以及130GHz+ 高帶寬光電器件，對(duì)于光通信的跨越式發(fā)展必不可少。以高速調(diào)制器為例，目前產(chǎn)業(yè)界聚焦在以硅光集成、InP為代表的III/V光子集成，以及薄膜材料體系（鈮酸鋰薄膜等）三種材料的技術(shù)路線。InP的特征頻率約為160GHz，配合工藝和結(jié)構(gòu)方面的設(shè)計(jì)和優(yōu)化，有望支持模塊和系統(tǒng)的高帶寬超400G長(zhǎng)距離應(yīng)用；傳統(tǒng)硅光調(diào)制器對(duì)驅(qū)動(dòng)器輸出幅度要求高，理論帶寬極限約為90GHz，在超400G應(yīng)用中難以實(shí)現(xiàn)；薄膜材料體系（鈮酸鋰薄膜等）具有超高的理論帶寬（>200GHz）和較低的損耗特性，但是在功能集成方面（探測(cè)器、VOA、偏振控制等）存在一定挑戰(zhàn)，如將硅光與薄膜材料進(jìn)行結(jié)合、混合集成，將有望發(fā)揮集成度與高帶寬的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。
挑戰(zhàn)十、光網(wǎng)絡(luò)芯片復(fù)雜度日益提升，現(xiàn)有工藝路線走向終結(jié)還是新起點(diǎn)？
光網(wǎng)絡(luò)由于超大容量、超長(zhǎng)距離、超高速率、超高智能等方面的發(fā)展需求，對(duì)芯片的容量、速率、功耗、可靠性均提出了更高的要求，相關(guān)芯片需要通過工藝制程的持續(xù)演進(jìn)來提升集成度并降低功耗。但僅用工藝制程的演進(jìn)來增大單位面積晶體管數(shù)量、降低功耗并提升邏輯速度和性能的方式，日益無(wú)法達(dá)到預(yù)期效果，平衡使用chiplet先進(jìn)封裝和先進(jìn)工藝制程，可能是未來光網(wǎng)絡(luò)芯片發(fā)展的有效途徑。在傳統(tǒng)電芯片面臨摩爾定律演進(jìn)窘境情況下，光模塊通過采用光電合封，將DSP、調(diào)制器、驅(qū)動(dòng)、接收機(jī)等共基板合封，可消除關(guān)鍵阻抗不連續(xù)點(diǎn)，大幅降低反射、提升帶寬，光電合封是未來高波特率高帶寬光電器件突破的關(guān)鍵。
