光通信作為信息時代的核心技術之一，其對國家經(jīng)濟發(fā)展的重要性不言而喻。

今年3月，在國家《十四五規(guī)劃和2035年遠景目標綱要》以及2021年《政府工作報告》中均明確提出要加快千兆光網(wǎng)建設。在之前的2020年初，歐洲電信標準協(xié)會（ETSI）正式定義了固網(wǎng)代際，發(fā)布了F5G全光網(wǎng)標準的第一個版本。

事實上，從1966年諾貝爾獎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。華為在光通信領域潛心持續(xù)耕耘25年以上，基于對光通信業(yè)務及技術的理解，提出了未來十年光通信領域可能遇到的九大關鍵技術挑戰(zhàn)。

挑戰(zhàn)1

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

首先是傳輸距離，長途網(wǎng)絡傳輸距離至少在1200公里以上；

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

最后是站間跨距，已達80公里左右。

面向未來的發(fā)展，可從如下兩方面進行考量。

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，如何實現(xiàn)穩(wěn)態(tài)的寬譜光系統(tǒng)以抵消系統(tǒng)非線性效應影響，以及網(wǎng)絡自動化運維等幾個方面，進行了技術創(chuàng)新，旨在挑戰(zhàn)達成400G規(guī)?；逃玫哪繕恕?/p>

其二，是單纖100T容量(1.2T×80波)。基于已鋪設的G.65x光纖信道，需從以下三方面進行研究創(chuàng)新：頻譜效率SE的挑戰(zhàn)目標，從SE=2.67（對應400G@125GHz）提升到SE=4（對應1.2T@300GHz）左右；可利用頻譜的挑戰(zhàn)目標，拓寬150%，從Super C+L（10THz寬度），擴展到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)絡系統(tǒng)承載能力的關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，實現(xiàn)單光纖傳輸速率的提升，已成為光纖通信領域研究的重要技術課題。

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，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)絡行業(yè)實現(xiàn)傳輸容量擴展的創(chuàng)新方向。

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

挑戰(zhàn)3

當前業(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，相干時代由于光纖小色散及小有效截面積導致的非線性效應強，導致其傳輸距離僅為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重，導致入纖功率低，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）對系統(tǒng)傳輸會產(chǎn)生較大影響，同時其也無法滿足未來傳輸向S、E、O波段擴展的要求。

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，我們認為下一代光纖需具備以下特點：

第一是高性能，本征損耗?。?lt;0.14 dB/km），抗非線性效應能力強；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，成本應與G.652光纖相當或接近，易部署及易維護（布纖、熔接）。

未來的技術研究方向應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功率也會在光纖中產(chǎn)生光信號與物理信道之間，以及不同信號通道之間的失真等非線性效應。從原理上主要分為：受激散射效應（ＳＢＳ受激布里淵散射、ＳＲＳ受激拉曼散射），及光學克爾效應（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。一方面，隨著傳輸速率及器件帶寬的提升，信號對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，由此帶來的信號非線性失真效應也將更強。因此，非線性信道的補償算法，將是影響下一代光傳輸系統(tǒng)容量進一步提升的關鍵因素。

非線性信道補償算法的研究方向，除了追求補償?shù)男Ч?，在工程實現(xiàn)中，還需考慮算法實現(xiàn)的復雜度問題，以便以較小的芯片資源/功耗代價達成目標。

目前，克服光信道非線性信號失真的方法，主要包括接近實際信道的非線性理論模型，及準確且簡潔的非線性補償算法，其也是未來進一步提升光纖容量需重點研究的技術方向。

挑戰(zhàn)5

隨著光纖寬帶網(wǎng)絡逐步被廣泛應用于家庭接入、企業(yè)運營、政務服務、交通管理等各個領域，光網(wǎng)絡節(jié)點的數(shù)量將呈現(xiàn)爆炸式增長，超大規(guī)模光網(wǎng)絡的時代即將到來。

光網(wǎng)絡規(guī)劃的典型問題被稱為路由與波長分配(RWA)問題，其中，RWA問題已被證明是NP難問題（其子問題WA可等價為圖染色問題），隨著網(wǎng)絡規(guī)模的不斷增大，求取其最優(yōu)解的難度也會呈指數(shù)級上升。新興數(shù)據(jù)業(yè)務應用的不斷增長導致網(wǎng)絡規(guī)模不斷增大，使如今網(wǎng)絡的規(guī)劃問題早已脫離了原始的RWA問題，變得更加復雜化與多元化，如，根據(jù)不同的故障場景，需規(guī)劃一條或多條保護路由，考慮不同層次大小管道之間的映射關系、中繼最小化、網(wǎng)絡擴容拓撲最優(yōu)化等一系列新的網(wǎng)絡規(guī)劃問題。在即將到來的超大規(guī)模網(wǎng)絡中，節(jié)點數(shù)量將達到千級，業(yè)務數(shù)量將達到萬級，規(guī)劃這樣一張超大規(guī)模的光網(wǎng)絡，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，對傳輸網(wǎng)絡骨干節(jié)點的處理容量及調(diào)度能力形成了巨大的挑戰(zhàn)。WSS(Wavelength Select Switch)波長選擇光開關，具有大顆粒業(yè)務調(diào)度能力及天然超低時延等優(yōu)勢，不僅是ROADM/OXC的核心功能模塊，也是光網(wǎng)絡未來應對流量洪流與超低時延訴求的理想選擇。

隨著網(wǎng)絡帶寬需求持續(xù)增長、網(wǎng)絡時延提出更高要求及網(wǎng)絡業(yè)務更加靈活調(diào)度等需求的驅(qū)動，WSS模塊向更高端口、更快速調(diào)度、更高性能技術方向演進的趨勢日趨明顯。

首先是端口數(shù)量。網(wǎng)絡的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）來實現(xiàn)下一代的128D+WSS。

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

最后是超低時延。期望可以通過設計、材料及算法的突破來實現(xiàn)us級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？我們認為，研究方向應包括但不限于以下幾個方面：更簡潔的光路設計、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)7

隨著新業(yè)務（AR/VR/全息）和新應用（工業(yè)制造、無線承載）場景的興起，除了帶寬的持續(xù)演進外（10G->50G->200G）, 也對光網(wǎng)的時延、抖動、安全隔離等提出了更高的要求。

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

因此，其面臨的挑戰(zhàn)主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

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

當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；新型調(diào)制解調(diào)技術。在這方面，顯然還有更多的路徑有待探索。

其二是，現(xiàn)有PON架構無法滿足業(yè)務發(fā)展的需求。為了滿足網(wǎng)絡的超低確定性時延、抖動、硬隔離等要求，在前述的目標場景下， 傳統(tǒng)的TDM PON機制由于上行多ONT成幀的需要，使得DBA算法調(diào)度時延以及不同ONT幀突發(fā)對齊的帶寬開銷(時延/抖動越低，帶寬開銷越大。鑒于此，新架構需要配套新的光系統(tǒng)/器件/光算法、調(diào)制解調(diào)機制等，以實現(xiàn)協(xié)同突破。

挑戰(zhàn)8

網(wǎng)絡聯(lián)接是互聯(lián)網(wǎng)的通信基礎，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、抗干擾/截獲等優(yōu)點，因此，星間鏈路的主流技術方案也采用了激光作為通信載體。然而，要構建適用于大規(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)，還需突破諸多技術難題。

其一，星間光通信的速率能否突破100Gbps，甚至達到400Gbps？ 

其二，光通信載荷如何實現(xiàn)工業(yè)器件應用，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，光通信載荷如何實現(xiàn)低功耗、輕量化演進？ 

其五，如何有效實現(xiàn)千/萬級衛(wèi)星星座的網(wǎng)絡管控和安全性保障？ 

挑戰(zhàn)9

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

鑒于此，我們認為，未來的光模塊需能做到單個光模塊即可實現(xiàn)多波長的輸出，甚至可將C+L+S+U+…全波段的上百路波長集成到同一個光模塊，在模塊內(nèi)部實現(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帶來巨大的技術挑戰(zhàn)，我們認為，要解決上述問題，有幾個需要重點研究的技術方向：光頻梳技術、異質(zhì)集成技術、光電合封技術及散熱技術等。

綜上所述，要實現(xiàn)光通信關鍵技術的突破，我們不僅要深入思考，更需付諸行動，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，攜手全球光通信領域的頂尖專家、學者，共同攻克光系統(tǒng)、光器件、光算法、光智能領域的技術難題，在促進光通信行業(yè)繁榮發(fā)展的同時，讓光普惠千行百業(yè)，通過光聯(lián)萬物，為人類社會的進步作出應有的貢獻。