光通信作為信息時代的核心技術之一，其對國家經濟發展的重要性不言而喻。

今年3月，在國家《十四五規劃和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建設。在之前的2020年初，歐洲電信標準協會（ETSI）正式定義了固網代際，發布了F5G全光網標準的第一個版本。

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年內難有替代品的美好未來，一代代光通信人在不斷擁抱、挑戰的過程中，讓“光”造福于人們的生活。華為在光通信領域潛心持續耕耘25年以上，基于對光通信業務及技術的理解，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。

挑戰1

互聯網數據業務的爆炸式增長是長途系統發展的主要推動力。在過去的二十年中，數據業務每年的增速超過25%，帶動了長途系統的發展，其特征主要表現在以下幾個方面：

首先是傳輸距離，長途網絡傳輸距離至少在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的倍數關系；

最后是站間跨距，已達80公里左右。

面向未來的發展，可從如下兩方面進行考量。

其一，是400G×80波相干光系統。業界從400G高性能光模塊、C+L更寬的可使用頻譜，如何實現穩態的寬譜光系統以抵消系統非線性效應影響，以及網絡自動化運維等幾個方面，進行了技術創新，旨在挑戰達成400G規模化商用的目標。

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新：頻譜效率SE的挑戰目標，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2

衡量光網絡系統承載能力的關鍵在于光纖的傳輸容量。如何利用現有的光纖傳輸網絡，實現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，基于此，開拓光纖傳輸系統新的可用頻譜，將成為光網絡行業實現傳輸容量擴展的創新方向。

拓展新波段光纖通信系統最關鍵的技術基礎在于開發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3

當前業界用于WDM系統傳輸的光纖主要為G.652、G.655、G.653、G.654等單模光纖。這些光纖產品各有不足，具體體現在：

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）對系統傳輸會產生較大影響，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，并滿足波分產業發展的光摩爾規律，我們認為下一代光纖需具備以下特點：

第一是高性能，本征損耗小（<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4

在WDM傳輸系統中，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自相位調制、ＸＰＳ交叉相位調制、ＦＷＭ四波混頻）等。

目前，光傳輸系統正向單光纖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，除了追求補償的效果之外，在工程實現中，還需考慮算法實現的復雜度問題，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5

隨著光纖寬帶網絡逐步被廣泛應用于家庭接入、企業運營、政務服務、交通管理等各個領域，光網絡節點的數量將呈現爆炸式增長，超大規模光網絡的時代即將到來。

光網絡規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），隨著網絡規模的不斷增大，求取其最優解的難度也會呈指數級上升。新興數據業務應用的不斷增長導致網絡規模不斷增大，使如今網絡的規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，根據不同的故障場景，需規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、網絡擴容拓撲最優化等一系列新的網絡規劃問題。在即將到來的超大規模網絡中，節點數量將達到千級，業務數量將達到萬級，規劃這樣一張超大規模的光網絡，無疑將面臨更加艱巨的挑戰。

挑戰6

數據流量的爆發式增長，對傳輸網絡骨干節點的處理容量及調度能力形成了巨大的挑戰。WSS(Wavelength Select Switch)波長選擇光開關，具有大顆粒業務調度能力及天然超低時延等優勢，不僅是ROADM/OXC的核心功能模塊，也是光網絡未來應對流量洪流與超低時延訴求的理想選擇。

隨著網絡帶寬需求持續增長、網絡時延提出更高要求及網絡業務更加靈活調度等需求的驅動，WSS模塊向更高端口、更快速調度、更高性能技術方向演進的趨勢日趨明顯。

首先是端口數量。網絡的MESH化，要求線路具備更高維度的調度能力，期望通過材料的突破（如大角度偏轉LCoS≧11Deg）來實現下一代的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、超大超快偏轉角度LCOS、超表面材料）及算法（補償算法、控制算法）等。

挑戰7

隨著新業務（AR/VR/全息）和新應用（工業制造、無線承載）場景的興起，除了帶寬的持續演進外（10G->50G->200G）, 也對光網的時延、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能耗及成本要持續降低，至少要實現2倍的優化。

因此，其面臨的挑戰主要表現在以下幾個方面：

其一是，發射機的發送光功率超出了當前的技術能力。基于現網部署的ODN網絡情況（多級分光, 20km），一般要求ODN的功率預算>32dB，要求200G的發射功率為17+13=30dB左右，而目前發射機的發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、高功率的低啁啾發射機；新型調制解調技術。在這方面，顯然還有更多的路徑有待探索。

其二是，現有PON架構無法滿足業務發展的需求。為了滿足網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， 傳統的TDM PON機制由于上行多ONT成幀的需要，使得DBA算法調度時延以及不同ONT幀突發對齊的帶寬開銷(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/器件/光算法、調制解調機制等，以實現協同突破。

挑戰8

網絡聯接是互聯網的通信基礎，衛星互聯網也不例外。由于激光具有發散角小、傳輸容量大、傳輸距離遠、抗干擾/截獲等優點，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，要構建適用于大規模低軌衛星組網的未來商業物聯網衛星星座的星間光通信系統，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工業器件應用，以降低建造成本？ 

其三，衛星互聯網的規模龐大，如何實現光通信載荷的規模化生產以滿足需求？

其四，光通信載荷如何實現低功耗、輕量化演進？ 

其五，如何有效實現千/萬級衛星星座的網絡管控和安全性保障？ 

挑戰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（極少數廠家設計了一個模塊輸出兩個波長的產品，可承載兩路信號），每路波長都需要有獨立的激光器、調制器及控制電路、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，需要額外的槽位以放置合分波板卡，因此，占據的機房空間較大，隨著網絡流量的增加，未來會逐步實現L、S、U等波段的商用，無疑將占據更大的機房空間。

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，在模塊內部實現合分波，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，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、異質集成技術、光電合封技術及散熱技術等。

綜上所述，要實現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的上下游產業鏈協同并進，攜手全球光通信領域的頂尖專家、學者，共同攻克光系統、光器件、光算法、光智能領域的技術難題，在促進光通信行業繁榮發展的同時，讓光普惠千行百業，通過光聯萬物，為人類社會的進步作出應有的貢獻。