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回首1976年以來的發(fā)展歷程，成果豐碩。自中國第一根實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)進取，攻克光通信的一個又一個難關，持續(xù)引領技術(shù)的發(fā)展。
站在2023年又一新起點，展望未來。烽火通信提出光通信面臨的十大挑戰(zhàn)，愿與運營商及行業(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換代，都在遵循傳輸距離相當、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)的長距離傳輸通過高帶寬器件、C+L波段的應用，解決了長距離傳輸和系統(tǒng)容量提升兼顧的難題。未來在滿足長距離傳輸應用場景下，如何進一步提升系統(tǒng)容量將成為業(yè)內(nèi)研究熱點。單波速率向800G及1T以上超高速率演進，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寬至200GHz以上。80波復用需要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復用數(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)演進如何實現(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功率密度的相關性導致光信號頻率和相位隨其功率非線性變化。光脈沖信號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)光纖非線性效應引起非線性相位噪聲(NPN)，對相位調(diào)制的信號影響嚴重，并隨著相位調(diào)制級數(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會導致光信號能量轉(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，是抑制和補償非線性效應的常用策略，但是實際應用過程中，對傳輸性能的提升有限。采用神經(jīng)網(wǎng)絡技術(shù)以及信息論技術(shù)進行光纖非線性補償，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波段擴展趨勢下，寬譜低噪聲摻鉺光纖放大器的挑戰(zhàn)在哪里？
支持長距離傳輸?shù)?00G PM-QPSK信號波特率提升至128GBaud,信道間隔相應擴展到150GHz,80波復用需要采用C6T+L6T光纖頻譜。L6T的光譜拓展，最長波長接近1627nm，此前商用鉺纖可支持的最長波長在1610nm附近，如何將L波段波長向1627nm擴展是寬譜EDFA面臨的主要挑戰(zhàn)。業(yè)界當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，實現(xiàn)傳統(tǒng)EDFA向L6T寬譜的拓展。與此同時，L波段鉺纖總體鉺粒子輻射率比C波段低若干數(shù)量級。在較長的鉺纖中維持反轉(zhuǎn)粒子數(shù)水平,需要多次注入高泵浦功率才能實現(xiàn)大功率的放大信號輸出，并且L波段EDFA的NF比C波段有明顯的增加。為彌補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的餌纖，導致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，在面向400 Gbit/s及以上高速傳輸時優(yōu)勢明顯，已在運營商干線光纜網(wǎng)新建項目中獲得規(guī)模應用。面向未來光網(wǎng)絡發(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現(xiàn)長距離下軸向和徑向的二維均勻性分布并將光纖損耗進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、超低時延、低非線性等優(yōu)勢，目前處于實驗室研究階段?？招竟饫w的長期使用可靠性、衰減穩(wěn)定性，以及衰減進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，未來如何演進與發(fā)展？
當前支持雙向32維度的WSS器件已廣泛應用于ROADM/OXC設備，隨著光網(wǎng)絡骨干節(jié)點交叉容量及調(diào)度能力進一步提升以及單波400 Gbit/s的應用，對WSS器件的端口數(shù)和集成度提升、C+L波段擴展提出了新的挑戰(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；集成度方面，支持雙向應用的Twin WSS已進行廣泛應用，未來進一步向支持四方向的Quad WSS演進；波段擴展方面，支持C6T/L6T擴展的WSS器件已產(chǎn)品化，未來將實現(xiàn)C+L一體化并考慮向S波段等進一步擴展。WSS器件的發(fā)展和演進，當前還存在諸多挑戰(zhàn)需要產(chǎn)業(yè)鏈尋求解決方案，例如更簡潔的光路設計、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（補償算法、控制算法）等。
挑戰(zhàn)六、S、E等波段的進一步擴展是否可行？挑戰(zhàn)在哪里？
擴展C波段之外的L、S、E波段光纖信道頻譜，是實現(xiàn)單纖容量顯著提升的公認手段。從傳統(tǒng)C4T擴展到C6T可實現(xiàn)頻譜帶寬容量50%增長，擴展到C6T+L6T則可大幅實現(xiàn)200%頻譜帶寬容量增長，除此之外還可在S波段甚至是E波段進行頻譜擴展，但區(qū)分于C和L波段通過EDFA進行光放大，S和E波段則需要用到其它元素進行摻雜。由于頻譜擴展會帶來嚴重的SRS效應，造成短波信道性能嚴重劣化。因此，未來超寬譜光傳輸系統(tǒng)的實現(xiàn)及商用，需要產(chǎn)業(yè)鏈從描述SRS效應的EGN理論建模、受激拉曼散射補償技術(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，克服超寬譜擴展下SRS效應對光傳輸系統(tǒng)性能的影響。
挑戰(zhàn)七、節(jié)能減排大勢所趨，雙碳目標要求下設備與機房配套如何演進？
云計算、數(shù)據(jù)中心業(yè)務的增長推動了光網(wǎng)絡節(jié)點傳輸與交換容量快速增長，當前部分核心樞紐節(jié)點ROADM/OXC已提升至32維，單方向已出現(xiàn)80x400 Gbit/s需求。相應站點無論是設備空間占地，還是供電散熱均存在較高挑戰(zhàn)。在部分傳輸網(wǎng)絡與數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡共站節(jié)點采用光電混合交叉OTN+ROADM設備高效滿足業(yè)務調(diào)度需求，與此同時改造傳輸設備的結(jié)構(gòu)、供電、散熱方式，以匹配數(shù)據(jù)中心機房800mm深機架、高壓直流供電、前進風后出風乃至液冷散熱等，將是解決該矛盾的有效方式。
挑戰(zhàn)八、當光網(wǎng)絡與數(shù)字孿生不期而遇，如何有效進行深度融合？
當前，數(shù)字孿生技術(shù)與光網(wǎng)絡深度融合已成為研究熱點，將誕生光通信的chatGPT智能應用。光網(wǎng)絡面向“規(guī)-建-維-優(yōu)”全生命周期運營自動化和智能化發(fā)展，可以有效提升網(wǎng)絡性能和資源利用效率，但落實到實踐應用中還需要滿足多種嚴苛要求。為了構(gòu)建運行機理、行為規(guī)則、健康狀態(tài)與物理光網(wǎng)絡高度一致的數(shù)字孿生網(wǎng)絡，需要解決光網(wǎng)絡靜態(tài)機理建模與動態(tài)多變光因素引發(fā)的孿生網(wǎng)絡與物理實體不一致問題。在面向L4/L5高維度網(wǎng)絡自智的過程中，還需要設計新型泛化機制來應對光網(wǎng)智能模型難以適配多種運維場景的問題，突破面向不同速率、調(diào)制格式、光纖類型等復雜場景智能模型動態(tài)優(yōu)化更新技術(shù)，構(gòu)建起能夠達到人類專家運維能力的自動化智能平臺。另外，面向當前跨域跨廠商光網(wǎng)絡系統(tǒng)，需要制定有效的跨領域協(xié)作機制和標準，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，確保不同領域合作的高效性，支持傳統(tǒng)網(wǎng)絡向智慧光網(wǎng)絡、自智網(wǎng)絡平滑演進。
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)方面的設計和優(yōu)化，有望支持模塊和系統(tǒng)的高帶寬超400G長距離應用；傳統(tǒng)硅光調(diào)制器對驅(qū)動器輸出幅度要求高，理論帶寬極限約為90GHz，在超400G應用中難以實現(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（探測器、VOA、偏振控制等）存在一定挑戰(zhàn)，如將硅光與薄膜材料進行結(jié)合、混合集成，將有望發(fā)揮集成度與高帶寬的競爭優(yōu)勢。
挑戰(zhàn)十、光網(wǎng)絡芯片復雜度日益提升，現(xiàn)有工藝路線走向終結(jié)還是新起點？
光網(wǎng)絡由于超大容量、超長距離、超高速率、超高智能等方面的發(fā)展需求，對芯片的容量、速率、功耗、可靠性均提出了更高的要求，相關芯片需要通過工藝制程的持續(xù)演進來提升集成度并降低功耗。但僅用工藝制程的演進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，日益無法達到預期效果，平衡使用chiplet先進封裝和先進工藝制程，可能是未來光網(wǎng)絡芯片發(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、接收機等共基板合封，可消除關鍵阻抗不連續(xù)點，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鍵。
