光通信作為信息時(shí)代的核心技術(shù)之一，其對(duì)國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要性不言而喻。

今年3月，在國(guó)家《十四五規(guī)劃和2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要》以及2021年《政府工作報(bào)告》中均明確提出要加快千兆光網(wǎng)建設(shè)。在之前的2020年初，歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)（ETSI）正式定義了固網(wǎng)代際，發(fā)布了F5G全光網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的第一個(gè)版本。

事實(shí)上，從1966年諾貝爾獎(jiǎng)得主高錕先生把光纖帶到世界的那天起，光纖便被賦予了1000年內(nèi)難有替代品的美好未來，一代代光通信人在不斷擁抱、挑戰(zhàn)的過程中，讓“光”造福于人們的生活。華為在光通信領(lǐng)域潛心持續(xù)耕耘25年以上，基于對(duì)光通信業(yè)務(wù)及技術(shù)的理解，提出了未來十年光通信領(lǐng)域可能遇到的九大關(guān)鍵技術(shù)挑戰(zhàn)。

挑戰(zhàn)1

互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的爆炸式增長(zhǎng)是長(zhǎng)途系統(tǒng)發(fā)展的主要推動(dòng)力。在過去的二十年中，數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)每年的增速超過25%，帶動(dòng)了長(zhǎng)途系統(tǒng)的發(fā)展，其特征主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

首先是傳輸距離，長(zhǎng)途網(wǎng)絡(luò)傳輸距離至少在1200公里以上；

其次是頻譜容量，主要使用C波段頻譜，波長(zhǎng)通道間隔為50GHz或25GHz的倍數(shù)關(guān)系；

最后是站間跨距，已達(dá)80公里左右。

面向未來的發(fā)展，可從如下兩方面進(jìn)行考量。

其一，是400G×80波相干光系統(tǒng)。業(yè)界從400G高性能光模塊、C+L更寬的可使用頻譜，如何實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)的寬譜光系統(tǒng)以抵消系統(tǒng)非線性效應(yīng)影響，以及網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)化運(yùn)維等幾個(gè)方面，進(jìn)行了技術(shù)創(chuàng)新，旨在挑戰(zhàn)達(dá)成400G規(guī)模化商用的目標(biāo)。

其二，是單纖100T容量(1.2T×80波)?；谝唁佋O(shè)的G.65x光纖信道，需從以下三方面進(jìn)行研究創(chuàng)新：頻譜效率SE的挑戰(zhàn)目標(biāo)，從SE=2.67（對(duì)應(yīng)400G@125GHz）提升到SE=4（對(duì)應(yīng)1.2T@300GHz）左右；可利用頻譜的挑戰(zhàn)目標(biāo)，拓寬150%，從Super C+L（10THz寬度），擴(kuò)展到C+L+S+U/E波段（總寬度>24T）；提高信噪比。

挑戰(zhàn)2

衡量光網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)承載能力的關(guān)鍵在于光纖的傳輸容量。如何利用現(xiàn)有的光纖傳輸網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)單光纖傳輸速率的提升，已成為光纖通信領(lǐng)域研究的重要技術(shù)課題。

傳輸算法的發(fā)展使得工程能力越來越接近于理論極限，與此同時(shí)，新型高頻器件制造工藝的難度也越來越大，這些因素均表明，單波提速技術(shù)將面臨巨大挑戰(zhàn)，基于此，開拓光纖傳輸系統(tǒng)新的可用頻譜，將成為光網(wǎng)絡(luò)行業(yè)實(shí)現(xiàn)傳輸容量擴(kuò)展的創(chuàng)新方向。

拓展新波段光纖通信系統(tǒng)最關(guān)鍵的技術(shù)基礎(chǔ)在于開發(fā)能夠滿足新光譜應(yīng)用的光纖放大器。目前，基于C和L波段的光放大技術(shù)研究已經(jīng)有了長(zhǎng)足的進(jìn)展，但基于S波段(1460～1530nm)的光放大技術(shù)還處于探索階段，如稀土元素(銩、鉍)摻雜的增益光纖，以及半導(dǎo)體激光器(SOA)等關(guān)鍵技術(shù)均對(duì)S波段光信號(hào)的放大和傳輸具有重要意義。

挑戰(zhàn)3

當(dāng)前業(yè)界用于WDM系統(tǒng)傳輸?shù)墓饫w主要為G.652、G.655、G.653、G.654等單模光纖。這些光纖產(chǎn)品各有不足，具體體現(xiàn)在：

G.652光纖，損耗及非線性是相干傳輸重要的制約因素；G.655光纖，相干時(shí)代由于光纖小色散及小有效截面積導(dǎo)致的非線性效應(yīng)強(qiáng)，導(dǎo)致其傳輸距離僅為G.652的60% ；G.653光纖，四波混頻造成DWDM系統(tǒng)波道間的非線性干擾十分嚴(yán)重，導(dǎo)致入纖功率低，不利于2.5G以上多信道WDM的傳輸；G.654光纖，高階模的多光路干擾（MPI）對(duì)系統(tǒng)傳輸會(huì)產(chǎn)生較大影響，同時(shí)其也無法滿足未來傳輸向S、E、O波段擴(kuò)展的要求。

為了匹配距離不變、容量不斷翻倍的要求，并滿足波分產(chǎn)業(yè)發(fā)展的光摩爾規(guī)律，我們認(rèn)為下一代光纖需具備以下特點(diǎn)：

第一是高性能，本征損耗?。?lt;0.14 dB/km），抗非線性效應(yīng)能力強(qiáng)；第二是大容量，覆蓋全量或更寬的可用頻譜（如C/L/S/E/O等波段）；第三是低成本，可工程化，包括：易制造，成本應(yīng)與G.652光纖相當(dāng)或接近，易部署及易維護(hù)（布纖、熔接）。

未來的技術(shù)研究方向應(yīng)包括但不限于空芯光纖、SDM光纖等。

挑戰(zhàn)4

在WDM傳輸系統(tǒng)中，由于光纖的有效面積<80μm２，因此即使較小的入射光信號(hào)功率也會(huì)在光纖中產(chǎn)生光信號(hào)與物理信道之間，以及不同信號(hào)通道之間的失真等非線性效應(yīng)。從原理上主要分為：受激散射效應(yīng)（ＳＢＳ受激布里淵散射、ＳＲＳ受激拉曼散射），及光學(xué)克爾效應(yīng)（ＳＰＳ自相位調(diào)制、ＸＰＳ交叉相位調(diào)制、ＦＷＭ四波混頻）等。

目前，光傳輸系統(tǒng)正向單光纖400G×80波以及更高容量演進(jìn)。一方面，隨著傳輸速率及器件帶寬的提升，信號(hào)對(duì)非線性失真更加敏感；另一方面，光系統(tǒng)正在占用更寬的頻譜（如，C+L），其意味著入纖總光功率相較C波段光系統(tǒng)更大，由此帶來的信號(hào)非線性失真效應(yīng)也將更強(qiáng)。因此，非線性信道的補(bǔ)償算法，將是影響下一代光傳輸系統(tǒng)容量進(jìn)一步提升的關(guān)鍵因素。

非線性信道補(bǔ)償算法的研究方向，除了追求補(bǔ)償?shù)男Ч猓诠こ虒?shí)現(xiàn)中，還需考慮算法實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度問題，以便以較小的芯片資源/功耗代價(jià)達(dá)成目標(biāo)。

目前，克服光信道非線性信號(hào)失真的方法，主要包括接近實(shí)際信道的非線性理論模型，及準(zhǔn)確且簡(jiǎn)潔的非線性補(bǔ)償算法，其也是未來進(jìn)一步提升光纖容量需重點(diǎn)研究的技術(shù)方向。

挑戰(zhàn)5

隨著光纖寬帶網(wǎng)絡(luò)逐步被廣泛應(yīng)用于家庭接入、企業(yè)運(yùn)營(yíng)、政務(wù)服務(wù)、交通管理等各個(gè)領(lǐng)域，光網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的數(shù)量將呈現(xiàn)爆炸式增長(zhǎng)，超大規(guī)模光網(wǎng)絡(luò)的時(shí)代即將到來。

光網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃的典型問題被稱為路由與波長(zhǎng)分配(RWA)問題，其中，RWA問題已被證明是NP難問題（其子問題WA可等價(jià)為圖染色問題），隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的不斷增大，求取其最優(yōu)解的難度也會(huì)呈指數(shù)級(jí)上升。新興數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)應(yīng)用的不斷增長(zhǎng)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)規(guī)模不斷增大，使如今網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃問題早已脫離了原始的RWA問題，變得更加復(fù)雜化與多元化，如，根據(jù)不同的故障場(chǎng)景，需規(guī)劃一條或多條保護(hù)路由，考慮不同層次大小管道之間的映射關(guān)系、中繼最小化、網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)容拓?fù)渥顑?yōu)化等一系列新的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃問題。在即將到來的超大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)數(shù)量將達(dá)到千級(jí)，業(yè)務(wù)數(shù)量將達(dá)到萬級(jí)，規(guī)劃這樣一張超大規(guī)模的光網(wǎng)絡(luò)，無疑將面臨更加艱巨的挑戰(zhàn)。

挑戰(zhàn)6

數(shù)據(jù)流量的爆發(fā)式增長(zhǎng)，對(duì)傳輸網(wǎng)絡(luò)骨干節(jié)點(diǎn)的處理容量及調(diào)度能力形成了巨大的挑戰(zhàn)。WSS(Wavelength Select Switch)波長(zhǎng)選擇光開關(guān)，具有大顆粒業(yè)務(wù)調(diào)度能力及天然超低時(shí)延等優(yōu)勢(shì)，不僅是ROADM/OXC的核心功能模塊，也是光網(wǎng)絡(luò)未來應(yīng)對(duì)流量洪流與超低時(shí)延訴求的理想選擇。

隨著網(wǎng)絡(luò)帶寬需求持續(xù)增長(zhǎng)、網(wǎng)絡(luò)時(shí)延提出更高要求及網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)更加靈活調(diào)度等需求的驅(qū)動(dòng)，WSS模塊向更高端口、更快速調(diào)度、更高性能技術(shù)方向演進(jìn)的趨勢(shì)日趨明顯。

首先是端口數(shù)量。網(wǎng)絡(luò)的MESH化，要求線路具備更高維度的調(diào)度能力，期望通過材料的突破（如大角度偏轉(zhuǎn)LCoS≧11Deg）來實(shí)現(xiàn)下一代的128D+WSS。

其次是超高光學(xué)性能。希望通過設(shè)計(jì)、材料技術(shù)的突破來實(shí)現(xiàn)面向未來的高性能WSS解決方案（光學(xué)性能IL≦3dB，隔離度≧35dB，頻偏+/0.5GHz，PDL≦0.3dB, 更寬頻譜支持）。

最后是超低時(shí)延。期望可以通過設(shè)計(jì)、材料及算法的突破來實(shí)現(xiàn)us級(jí)WSS切換速率。

如何獲得滿足下一代傳的輸高性能、高維度、高可靠WSS解決方案？我們認(rèn)為，研究方向應(yīng)包括但不限于以下幾個(gè)方面：更簡(jiǎn)潔的光路設(shè)計(jì)、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)7

隨著新業(yè)務(wù)（AR/VR/全息）和新應(yīng)用（工業(yè)制造、無線承載）場(chǎng)景的興起，除了帶寬的持續(xù)演進(jìn)外（10G->50G->200G）, 也對(duì)光網(wǎng)的時(shí)延、抖動(dòng)、安全隔離等提出了更高的要求。

其中， PON技術(shù)的演進(jìn)要同時(shí)考慮兩個(gè)約束：基于已部署的ODN演進(jìn)；代際技術(shù)的單bit能耗及成本要持續(xù)降低，至少要實(shí)現(xiàn)2倍的優(yōu)化。

因此，其面臨的挑戰(zhàn)主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

其一是，發(fā)射機(jī)的發(fā)送光功率超出了當(dāng)前的技術(shù)能力?；诂F(xiàn)網(wǎng)部署的ODN網(wǎng)絡(luò)情況（多級(jí)分光, 20km），一般要求ODN的功率預(yù)算>32dB，要求200G的發(fā)射功率為17+13=30dB左右，而目前發(fā)射機(jī)的發(fā)送光功率要求已超出了當(dāng)前的技術(shù)能力（見圖1）。

當(dāng)前可考慮的兩條突破路徑為：高帶寬、高功率的低啁啾發(fā)射機(jī)；新型調(diào)制解調(diào)技術(shù)。在這方面，顯然還有更多的路徑有待探索。

其二是，現(xiàn)有PON架構(gòu)無法滿足業(yè)務(wù)發(fā)展的需求。為了滿足網(wǎng)絡(luò)的超低確定性時(shí)延、抖動(dòng)、硬隔離等要求，在前述的目標(biāo)場(chǎng)景下， 傳統(tǒng)的TDM PON機(jī)制由于上行多ONT成幀的需要，使得DBA算法調(diào)度時(shí)延以及不同ONT幀突發(fā)對(duì)齊的帶寬開銷(時(shí)延/抖動(dòng)越低，帶寬開銷越大。鑒于此，新架構(gòu)需要配套新的光系統(tǒng)/器件/光算法、調(diào)制解調(diào)機(jī)制等，以實(shí)現(xiàn)協(xié)同突破。

挑戰(zhàn)8

網(wǎng)絡(luò)聯(lián)接是互聯(lián)網(wǎng)的通信基礎(chǔ)，衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)也不例外。由于激光具有發(fā)散角小、傳輸容量大、傳輸距離遠(yuǎn)、抗干擾/截獲等優(yōu)點(diǎn)，因此，星間鏈路的主流技術(shù)方案也采用了激光作為通信載體。然而，要構(gòu)建適用于大規(guī)模低軌衛(wèi)星組網(wǎng)的未來商業(yè)物聯(lián)網(wǎng)衛(wèi)星星座的星間光通信系統(tǒng)，還需突破諸多技術(shù)難題。

其一，星間光通信的速率能否突破100Gbps，甚至達(dá)到400Gbps？ 

其二，光通信載荷如何實(shí)現(xiàn)工業(yè)器件應(yīng)用，以降低建造成本？ 

其三，衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的規(guī)模龐大，如何實(shí)現(xiàn)光通信載荷的規(guī)模化生產(chǎn)以滿足需求？

其四，光通信載荷如何實(shí)現(xiàn)低功耗、輕量化演進(jìn)？ 

其五，如何有效實(shí)現(xiàn)千/萬級(jí)衛(wèi)星星座的網(wǎng)絡(luò)管控和安全性保障？ 

挑戰(zhàn)9

目前的DWDM光模塊絕大部分為一個(gè)模塊輸出一個(gè)波長(zhǎng)，承載一路信號(hào)（極少數(shù)廠家設(shè)計(jì)了一個(gè)模塊輸出兩個(gè)波長(zhǎng)的產(chǎn)品，可承載兩路信號(hào)），每路波長(zhǎng)都需要有獨(dú)立的激光器、調(diào)制器及控制電路、DSP，以及光模塊的時(shí)鐘、電源、中控等。由于多波長(zhǎng)的合波在模塊外實(shí)現(xiàn)，需要額外的槽位以放置合分波板卡，因此，占據(jù)的機(jī)房空間較大，隨著網(wǎng)絡(luò)流量的增加，未來會(huì)逐步實(shí)現(xiàn)L、S、U等波段的商用，無疑將占據(jù)更大的機(jī)房空間。

鑒于此，我們認(rèn)為，未來的光模塊需能做到單個(gè)光模塊即可實(shí)現(xiàn)多波長(zhǎng)的輸出，甚至可將C+L+S+U+…全波段的上百路波長(zhǎng)集成到同一個(gè)光模塊，在模塊內(nèi)部實(shí)現(xiàn)合分波，及一纖一模塊，一槽位一模塊。這樣的組件模式必然會(huì)帶來巨大的技術(shù)挑戰(zhàn)，我們認(rèn)為，要解決上述問題，有幾個(gè)需要重點(diǎn)研究的技術(shù)方向：光頻梳技術(shù)、異質(zhì)集成技術(shù)、光電合封技術(shù)及散熱技術(shù)等。

綜上所述，要實(shí)現(xiàn)光通信關(guān)鍵技術(shù)的突破，我們不僅要深入思考，更需付諸行動(dòng)，希望我們能夠與光通信行業(yè)的上下游產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同并進(jìn)，攜手全球光通信領(lǐng)域的頂尖專家、學(xué)者，共同攻克光系統(tǒng)、光器件、光算法、光智能領(lǐng)域的技術(shù)難題，在促進(jìn)光通信行業(yè)繁榮發(fā)展的同時(shí)，讓光普惠千行百業(yè)，通過光聯(lián)萬物，為人類社會(huì)的進(jìn)步作出應(yīng)有的貢獻(xiàn)。