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回首1976年以来的发展历程，成果丰硕。自中国第一根实用化光纤在武汉邮科院诞生，几十年来烽火通信始终砥砺前行、奋发进取，攻克光通信的一个又一个难关，持续引领技术的发展。
站在2023年又一新起点，展望未来。烽火通信提出光通信面临的十大挑战，愿与运营商及行业客户、产业链合作伙伴携手创新，继续勇攀光通信发展高峰！
挑战一：光通信的“摩尔定律”能否延续？未来如何发展？
自WDM系统走向商用以来，干线光传输每次速率升级换代，都在遵循传输距离相当、系统容量随速率提升而线性翻倍的规律，并成为业内约定俗成的光通信摩尔定律。400G WDM系统的长距离传输通过高带宽器件、C+L波段的应用，解决了长距离传输和系统容量提升兼顾的难题。未来在满足长距离传输应用场景下，如何进一步提升系统容量将成为业内研究热点。单波速率向800G及1T以上超高速率演进，一方面需要200GBaud以上更高带宽器件，另一方面信道间隔需要扩宽至200GHz以上。80波复用需要C+L波段之外更宽频谱资源，如何打破“提速不增容”的怪圈是一大难题。单波速率维持在400 Gbit/s，通过拓宽频谱增加波长复用数量，则需要解决激光器光源、光放大、系统非线性管理乃至光纤介质等一系列难题。
挑战二：单模光纤传输系统的香农极限在哪里？技术演进如何实现超越？
受单模光纤链路非线性损伤的制约，100 Tbit/s被业界普遍认为是单模光纤传输系统的容量极限。根据香农容量定理，光纤传输系统的传输容量受限于构成光传输链路的光电器件带宽资源和传输损伤等物理特性，光纤折射率与光信号功率密度的相关性导致光信号频率和相位随其功率非线性变化。光脉冲信号沿光纤通道传播过程中因CD、PMD以及与ASE相互作用引起脉冲形状发生改变，经光纤非线性效应引起非线性相位噪声(NPN)，对相位调制的信号影响严重，并随着相位调制级数增加而恶化。此外，受激拉曼散射SRS以及受激布里渊散射SBS会导致光信号能量转移而弱化并产生噪声干扰。限制传输光功率、破坏相位匹配条件、电域均衡算法，是抑制和补偿非线性效应的常用策略，但是实际应用过程中，对传输性能的提升有限。采用神经网络技术以及信息论技术进行光纤非线性补偿，或是石英单模光纤超高速光传输系统逼近非线性香农极限的有效手段。
挑战三：C+L波段扩展趋势下，宽谱低噪声掺铒光纤放大器的挑战在哪里？
支持长距离传输的400G PM-QPSK信号波特率提升至128GBaud,信道间隔相应扩展到150GHz,80波复用需要采用C6T+L6T光纤频谱。L6T的光谱拓展，最长波长接近1627nm，此前商用铒纤可支持的最长波长在1610nm附近，如何将L波段波长向1627nm扩展是宽谱EDFA面临的主要挑战。业界当前主要通过提高铒粒子掺杂浓度和铈、磷等多元素共掺等特殊工艺，实现传统EDFA向L6T宽谱的拓展。与此同时，L波段铒纤总体铒粒子辐射率比C波段低若干数量级。在较长的铒纤中维持反转粒子数水平,需要多次注入高泵浦功率才能实现大功率的放大信号输出，并且L波段EDFA的NF比C波段有明显的增加。为弥补L波段铒纤增益效率的下降，需要使用更大的泵浦功率和更长的饵纤，导致EDFA体积与成本增加。
挑战四：G.654.E光纤之后，下一代干线光纤技术谁将脱颖而出？
G.654.E光纤凭借超低损耗、超大有效面积双重优势，在面向400 Gbit/s及以上高速传输时优势明显，已在运营商干线光缆网新建项目中获得规模应用。面向未来光网络发展，光纤光缆有三条发展路线：路线一，在单模光纤前提下继续降低光纤损耗并增大有效面积，但如何在有效面积和弯曲损耗之间取得平衡，从而使有效面积增大后的光纤更具备实用性是一大难题；路线二，基于多芯少模光纤发展SDM技术，多芯少模光纤如何实现长距离下轴向和径向的二维均匀性分布并将光纤损耗进一步降低以及多芯增益光纤技术，将是后续走向规模商用需突破的挑战；路线三，空芯光纤与现有光纤在材料工艺上不同，具备超低损耗、超低时延、低非线性等优势，目前处于实验室研究阶段。空芯光纤的长期使用可靠性、衰减稳定性，以及衰减进一步下降要求下制造工艺鲁棒性冗余度提高，将是空芯光纤实用化部署的重大挑战。
挑战五：WSS作为OXC的核心器件，未来如何演进与发展？
当前支持双向32维度的WSS器件已广泛应用于ROADM/OXC设备，随着光网络骨干节点交叉容量及调度能力进一步提升以及单波400 Gbit/s的应用，对WSS器件的端口数和集成度提升、C+L波段扩展提出了新的挑战。端口数方面，双向48维度的WSS已基本成熟，未来继续向64维演进；集成度方面，支持双向应用的Twin WSS已进行广泛应用，未来进一步向支持四方向的Quad WSS演进；波段扩展方面，支持C6T/L6T扩展的WSS器件已产品化，未来将实现C+L一体化并考虑向S波段等进一步扩展。WSS器件的发展和演进，当前还存在诸多挑战需要产业链寻求解决方案，例如更简洁的光路设计、高集成度方式下可靠性的保障、材料突破（如超低损透镜、光栅、超大超快偏转角度LCOS、超表面材料）及算法（补偿算法、控制算法）等。
挑战六：S、E等波段的进一步扩展是否可行？挑战在哪里？
扩展C波段之外的L、S、E波段光纤信道频谱，是实现单纤容量显著提升的公认手段。从传统C4T扩展到C6T可实现频谱带宽容量50%增长，扩展到C6T+L6T则可大幅实现200%频谱带宽容量增长，除此之外还可在S波段甚至是E波段进行频谱扩展，但区分于C和L波段通过EDFA进行光放大，S和E波段则需要用到其它元素进行掺杂。由于频谱扩展会带来严重的SRS效应，造成短波信道性能严重劣化。因此，未来超宽谱光传输系统的实现及商用，需要产业链从描述SRS效应的EGN理论建模、受激拉曼散射补偿技术、灵活频谱效率技术及新型光纤链路等方面开展研究创新，克服超宽谱扩展下SRS效应对光传输系统性能的影响。
挑战七：节能减排大势所趋，双碳目标要求下设备与机房配套如何演进？
云计算、数据中心业务的增长推动了光网络节点传输与交换容量快速增长，当前部分核心枢纽节点ROADM/OXC已提升至32维，单方向已出现80x400 Gbit/s需求。相应站点无论是设备空间占地，还是供电散热均存在较高挑战。在部分传输网络与数据中心网络共站节点采用光电混合交叉OTN+ROADM设备高效满足业务调度需求，与此同时改造传输设备的结构、供电、散热方式，以匹配数据中心机房800mm深机架、高压直流供电、前进风后出风乃至液冷散热等，将是解决该矛盾的有效方式。
挑战八：当光网络与数字孪生不期而遇，如何有效进行深度融合？
当前，数字孪生技术与光网络深度融合已成为研究热点，将诞生光通信的chatGPT智能应用。光网络面向“规-建-维-优”全生命周期运营自动化和智能化发展，可以有效提升网络性能和资源利用效率，但落实到实践应用中还需要满足多种严苛要求。为了构建运行机理、行为规则、健康状态与物理光网络高度一致的数字孪生网络，需要解决光网络静态机理建模与动态多变光因素引发的孪生网络与物理实体不一致问题。在面向L4/L5高维度网络自智的过程中，还需要设计新型泛化机制来应对光网智能模型难以适配多种运维场景的问题，突破面向不同速率、调制格式、光纤类型等复杂场景智能模型动态优化更新技术，构建起能够达到人类专家运维能力的自动化智能平台。另外，面向当前跨域跨厂商光网络系统，需要制定有效的跨领域协作机制和标准，解决软硬件的统一、协议的一致性和数据的互通等问题，确保不同领域合作的高效性，支持传统网络向智慧光网络、自智网络平滑演进。
挑战九：高速光电器件作为光通信系统皇冠上的明珠，如何进一步突破带宽限制？
400 Gbit/s以上更高速率以及130GHz+ 高带宽光电器件，对于光通信的跨越式发展必不可少。以高速调制器为例，目前产业界聚焦在以硅光集成、InP为代表的III/V光子集成，以及薄膜材料体系（铌酸锂薄膜等）三种材料的技术路线。InP的特征频率约为160GHz，配合工艺和结构方面的设计和优化，有望支持模块和系统的高带宽超400G长距离应用；传统硅光调制器对驱动器输出幅度要求高，理论带宽极限约为90GHz，在超400G应用中难以实现；薄膜材料体系（铌酸锂薄膜等）具有超高的理论带宽（>200GHz）和较低的损耗特性，但是在功能集成方面（探测器、VOA、偏振控制等）存在一定挑战，如将硅光与薄膜材料进行结合、混合集成，将有望发挥集成度与高带宽的竞争优势。
挑战十：光网络芯片复杂度日益提升，现有工艺路线走向终结还是新起点？
光网络由于超大容量、超长距离、超高速率、超高智能等方面的发展需求，对芯片的容量、速率、功耗、可靠性均提出了更高的要求，相关芯片需要通过工艺制程的持续演进来提升集成度并降低功耗。但仅用工艺制程的演进来增大单位面积晶体管数量、降低功耗并提升逻辑速度和性能的方式，日益无法达到预期效果，平衡使用chiplet先进封装和先进工艺制程，可能是未来光网络芯片发展的有效途径。在传统电芯片面临摩尔定律演进窘境情况下，光模块通过采用光电合封，将DSP、调制器、驱动、接收机等共基板合封，可消除关键阻抗不连续点，大幅降低反射、提升带宽，光电合封是未来高波特率高带宽光电器件突破的关键。
本文来源：烽火通信
