光纤通讯作为二战以来最有含义的四大创造之一, 奠定了网络信息传输的柱石, 承载了全球90%以上数据流量, 但估量其未来20年将遭受 “传输容量危机”. 近期, 我国工程院院士、光纤传输体系专家”, 环绕超高速率、超大容量、超长间隔、超宽灵敏、超强智能 (ultra-high speed, ultra-large capacity, ultra-long distance, ultra-wideband flexibility, and ultra-powerful intelligence, 5U) 这5个光纤通讯的展开维度展开研讨, 在回忆了其50多年展开进程的根底上, 对近10年来所取得的一系列最新展开进行了全面总述, 并就未来10年乃至20年的演进趋势做出展望.

　　2020年是《我国科学》创刊70周年, 一起也是光纤通讯自1966年提出以来飞速展开半个多世纪的重要节点之年, 有必要回忆过往光纤通讯技能展开的一些重要节点, 深入分析国内外技能动态及现状, 并展望光纤通讯未来10年乃至20年的技能需求和展开趋势.

　　在曩昔的30年, 无线频谱中传送的信息量每两年半翻一番, 互联网上每秒比特的传送量每16个月翻一番, 主干网光纤的传输带宽每9到12个月翻一番, 衔接带宽呈现出 GbpsTbpsPbpsEbpsZbps 指数型增加趋势. 作为网络信息传输柱石的光纤通讯网络, 承载了全球90%以上数据传输. 其传输容量从8 Mb/s到96×

　　当今国际正处于“网络信息国际与天然国际和人类社会深度交融的数字化、网络化、智能化进程中, 百年一遇. 未来20年, 网络通讯技能的展开方向是人–网–物三元万物互联及其与各行业各区域的体系性交融, 网络衔接数量从几十亿到百亿级, 再展开到千亿级与万亿级, 从人–网二元互联展开到人–网–物三元和多元互联, 从地上的平面互联展开到空间三维互联及外太空和星际互联, 网络数据总量将从TB和PB级快速向EB, ZB, YB乃至BB级递加[1], 视频、游戏和多媒体将占有悉数流量的85%以上. 面临网络流量的激增, 近10年来光纤通讯的容量年增速现已从20世纪的78%降至现在的20%, 远落后于全球网络流量45%左右的年增速需求, 且其传输容量的进一步进步遭受香农(Shannon)极限、光纤非线性、光纤可用带宽资源、光电器材目标等约束, 估量未来20年前后将呈现网络信息传输“容量危机”, 光纤通讯急需打破性的理论和颠覆性的技能[2].

　　从1960年, 美国科学家希奥多⋅哈罗德⋅梅曼(Theodore Harold Maiman)创造第1个红宝石激光器处理了光源问题开端, 人类逐渐揭开了光纤通讯的奥秘面纱; 到1966年, 华裔科学家高锟提出光导纤维作为信息传输介质的可行性; 再到1970年, 美国康宁公司(Corning Incorporated)拉出了第1根衰减为20 dB/km的低损耗石英光纤; 与此一起, 美国贝尔试验室(Alcatel-Lucent Bell Labs)成功研发了室温下接连作业的双异质结半导体激光器. 光纤和激光器的结合促进光纤通讯技能从试验室研讨步入到实用化工程运用, 标志着人类通讯史敞开新篇章. 尔后50年中, 新技能的不断引进推进着光纤通讯传输速率、容量、间隔的继续进步, 传输容量呈现每10年1000倍的爆破式增加, 展开速度史无前例, 其进程可大致分为4个首要年代.

　　1995): 前期跨段式光电再生传输体系的容量取决于收发器的接口速率, 不管是在商用体系仍是试验研讨中, 接口速率的增加都十分缓慢. 图1[4]显现了商用体系中的接口速率大约每年进步20%, 而试验研讨中的接口速率增加更慢, 每年约为14%. 其间首要选用时分复用TDM技能推进传输容量的进步, 从多模光纤到单模光纤, 再到同步数字体系SDH, 体系容量约以每年0.5 dB的速率增加.

　　2008): 实用型光扩大器EDFA的创造可谓光纤通讯史上的一个里程碑, 它使得直接进行光中继的长间隔高速传输成为或许, 并促进高本钱效益的WDM体系的诞生. 20世纪90年代初期, 几项与EDFA供给带宽中光纤非线性办理相关的中心创造, 使得商用WDM体系容量从20世纪90年代中期到21世纪初以每年100%的速度(3 dB/年)显着增加, 相同, 试验研讨的增加速度比商用体系慢, 为每年78%, 如图1所示. WDM结合EDFA技能敞开了光纤通讯的新纪元, 经过增加传输的信道数, 传输容量呈现爆破性增加.

　　第3个是扩大的数字相干体系(2008~至今): 数字相干接纳技能的引进, 使得根本被占满的频谱资源得以更好的运用, 体系谱功率(spectral efficiency, SE)进一步进步, WDM的传输容量继续打破, 单信道Tb/s级传输体系连续呈现, WDM传输体系容量继续增加至单纤100 Tb/s左右. 但非线性效应越创造显, 引起体系信噪比急剧恶化, 非线性香农极限约束了传输容量的进一步增加. 依据很多的研讨结果, 2010年Nature杂志发表文章指出100 Tb/s是商用规范单模光纤传输体系容量的一个要害台阶[5]. 现在最高水平的研讨成果也验证了这点(单模单纤的最高传输容量为102.3 Tb/s, 谱功率为9.1 bit/s/Hz), 如图2所示.

　　第4个是空分复用体系(202x~未来):2012年后, 单模单纤WDM光传输体系容量进步关于现有技能来讲比较受限, 传统技能途径都遭受功用瓶颈, 引进空间这一还没有被运用的维度参数被以为是其时和往后一段时刻内超大容量光传输的首要展开方向之一. 形式复用和多芯复用等空分复用技能的相继呈现, 使得光纤通讯体系容量到达Pbit量级或更高. 未来, 空分复用还可将体系传输容量进步多个数量级(也存在一些缺点, 例如空分复用无法有用下降数据流量的比特本钱、无法与现有技能和存量网络后向兼容及滑润演进、缺少技能成熟度和出产制备可靠性、规范化滞后等, 也有一些专家以为这不是光纤通讯的干流方向), 再次给光纤通讯带来容量大幅进步的机会.

　　光纤通讯的展开情况能够从5个维度进行解析, 如图3所示. 网络带宽需求的“恒缺乏”, 使得超高速率、超大容量、超长间隔传输成为光纤通讯矢志不渝的寻求; 多事务分组化归纳承载对光网络的光层加电层弹性灵敏组网提出火急要求, 软件界说网络及人工智能技能的引进使得构建超强智能的光网络成为或许.

　　近10年来, 互联网流量增速已大大超越光传输的容量增速, 进步光纤的信道速率、体系容量和传输间隔的需求日益火急. 前期光纤通讯从前聚集于相干光接纳, 但光源功用、光锁相环难以完结等约束了其运用. 在1993年, 业界提出了依据DSP的相干光接纳技能, 但其时的CMOS水平并不能体现出相干光接纳相关于直接勘探的优势. 经过多年的展开, CMOS技能水平得到了极大进步, 能够支撑高速光纤通讯的演进需求. 在2.5 Gb/s, 10 Gb/s, 40 Gb/s直调直检体系中, 色散等光纤信道的损害是演进中首要考虑的要素, 谱功率则无需重视. 但在40 Gb/s向100 Gb/s演进的过程中, 信道损害和谱功率都是有必要考虑的重要要素. 100 Gb/s敞开了光纤通讯的数字相干体系年代, 相干光接纳的PDM-QPSK成为其处理方案. 相干光接纳不只是完结高阶调制和偏振复用的根本要求, 而且能够在电数字域对光纤传输中的信道损害进行补偿. 在100 Gb/s向400 Gb/s, 1 Tb/s演进的过程中, 超100 Gb/s技能必定仍是以相干光接纳为根底, 信道损害不再是焦点, 首要的注意力会集到怎么进步体系谱功率.

　　)和谱功率(SE)之积(C=M×B×SE)可知, 在光通讯带宽资源有限的情况下, 完结超高速率超大容量超长间隔光传输体系的本质便是不断进步空间并行度和体系谱功率, 其技能途径首要聚集于3种完结方法.M

　　一是高阶调制技能, 经过进步码元速率及码元调制阶数, 尽或许获取单位光带宽下的信号传输速率. 但是因为中心器材如数模转化芯片(digital-to-analog converter, DAC)、模数转化芯片(analog-to-digital converter, ADC)的约束, 码元速率进步有限, 且跟着调制阶数的上升, 调制信号对激光器线宽及安稳性要求增高, 对接纳端ADC的采样速率及采样精度要求增高, 引进的体系非线性效应也越发显着, 对体系各种损害也愈加灵敏, 怎么完结高谱功率和抗损害的高阶调制是高速大容量相干光传输的要害.

　　二是频谱超级信道技能, 经过减小信号频带间的维护间隔获取更多的有用传输信道, 首要选用超奈奎斯特(Nyquist) WDM和OFDM两种方法. 超奈奎斯特本质上是以献身数字信号处理(digital signal processing, DSP)技能的资源运算反抗引进的码间搅扰, 然后取得体系谱功率的进步, 其受限于硬件条件; 而OFDM尽管其固有的正交性使得体系不受信道间串扰影响, 但是其反抗色散及信道估量引进的额定开支、多载波固有的顶峰均比引起的非线性效应等问题约束了体系谱功率的进一步进步.

　　三是空分复用技能, 首要选用形式复用及多芯复用. 增加新的参数维度可扩展信号的加载规划, 而新维度的引进存在形式串扰及形式色散等杂乱的信道环境问题, 需求很多数字信号处理运算和开支做信道均衡, 削减信道间搅扰及下降体系冗余信息, 这些问题的存在又约束了体系谱功率的进步.

　　因而, 研讨高速光通讯体系中的先进调制技能和高阶调制格局、完善数字信号处理算法、 探究新的复用维度光传输体系架构等要害技能, 在有限的带宽资源下进步空间并行度和体系谱功率, 关于完结超高速率超大容量超长间隔光传输体系显得特别必要. 图4[6]显现了可用于光纤通讯中调制和多路复用的5个物理维度.

　　其时, 光传输体系的研讨正在阅历一个新概念、新技能层出不穷的极度活泼的展开时期. 光的起伏、时刻/频率、正交相位和偏振4个物理维度已经过高阶调制格局、数字相干接纳、偏振复用、频分复用等光传输技能被运用到挨近极限, 多模多芯等空间维度也被相继开发, 促进了体系容量的不断进步. 光纤通讯向单信道速率1 Tb/s演进, 单纤容量向100 Tb/s展开, 已挨近一般商用单模光纤传输体系的香农极限. 未来, 光纤通讯将由Tbit级向Pbit级, 乃至Ebps, Zbps级演进, 将首要依赖于空分复用技能. 各类光纤的超高速率超大容量超长间隔光传输体系的业界最高水平不断被改写, 详细如表1~5[7-43]所示.

　　武汉邮电科学研讨院近年来在超高速率超大容量超长间隔光传输试验方面取得一系列展开[44-49]. 超高速率方面, 2010年运用低密度奇偶校验编码(low density parity check code, LDPC)和高阶调制技能相结合的方法, 在确保高谱功率的一起完结了单信道1 Tb/s 1040 km规范单模光纤无误码传输. 超大容量方面, 相继在2012及2013年运用PDM-OFDM-16QAM调制技能别离完结了C波段30.7 Tb/s 80 km和C+L波段 67.44 Tb/s 160 km规范单模光纤传输体系试验; 2014年选用离散傅里叶(Fourier)改换扩展正交频分复用(DFT-S OFDM) 128QAM调制方法完结了C+L波段100.3 Tb/s 80 km规范单模光纤传输体系试验, 并成功当选当年两院院士评选的“我国十大科技展开新闻”; 2015年完结3形式200 Tb/s超大容量模分复用及波分复用光传输体系试验; 2016年完结7芯单模光纤560 Tb/s超大容量空分复用及波分复用光传输体系试验; 2018年依据自主研发的具有自主知识产权的中心光电器材和单模19芯光纤, 完结了1.06 Pb/s超大容量空分复用及波分复用光传输体系试验. 超长间隔方面, 2012年别离完结了单信道1.031 Tb/s 12160 km和多信道168

　　光纤通讯不只在“三超”传输方面取得长足进步, 而且在超宽灵敏超强智能组网方面取得的技能展开也相同引人瞩目. 所谓超宽灵敏, 即超级带宽下具有灵敏的事务上下和组网才干. 尽管早在2000年前后可重构网络的概念就被引进到光网络体系中, 但直到2010年, 跟着全光交流技能的广泛商用以及相干传输体系的引进, 光网络才开端选用网状组网, 并具有更高维度的交流, 灵敏的波长上/下, 以及供给长途装备、维护和康复等功用. 尽管, 组网功用的扩展或许被视为与相干收发器的引进之间没有必定联系, 但相干体系确实为灵敏组网供给了一些要害优势, 例如它消除了在分插复用节点进行色散补偿的需求, 答应传输格局和速率习惯于链路间隔和可用信道带宽, 而且经过接纳器处的数字处理供给峻峭的接纳滤波等.

　　归纳承载事务的IP分组化趋势, 推进光网络完结光层加电层的弹性灵敏组网, 灵敏光网络技能应运而生. 它经过硬件的灵敏可编程装备, 完结传送平面资源可按需软件动态调整, 进步光网络全体功用和资源运用率. 灵敏光网络架构及组成如图5[50]所示, 其首要包括弹性线路侧接口和可重构光分插复用器两大部分. 其间, 弹性线路侧接口支撑灵敏可变栅格(flex grid)、灵敏调制收发(flex TRx)和灵敏电层封装(flex OTN) 3大中心技能; 可重构光分插复用器具有方向无关(directionless)、波长无关(colorless)、抵触无关(contentionless)和栅格无关(gridless/flexible grid) 4大要害特性.

　　2, 1×4展开到1×8, 1×9, 再到1×16和1×20, 现在商用WSS的较大标准约束在1×32. 别的, 为了完结“四无” ROADM节点的抵触无关特性, 未来关于WSS器材的端口需求将是M×N型. 2015年5月, 武汉邮电科学研讨院自主研发了具有1×9端口切换功用的可变带宽波长挑选开关样机, 其作业波长规划掩盖C波段, 插入损耗低于6 dB, 带宽可调规划10 GHz∼5 THz, 步长小于7 GHz. 依据该WSS规划, 研发了具有“四无”特性的新式ROADM全光交流节点样机, 完结最大8维度, 每维度支撑80波, 支撑10 Gbps, 100 Gbps, 400 Gbps和1 Tbps 4种速率灵敏切换的可变带宽全光交流, 到达其时国际上运用LCoS器材同类产品的先进水平.

　　在传统的电信中心网络范畴, L3/L2层IP/MPLS数据网络和L1/L0层TDM/WDM传送网络有着不同的体系结构、交流技能、操控和 办理机制. 此外, 在数据网中操控平面和转发平面是紧耦合的, 而传送网则坚持数据平面和操控平面的别离. 面临如此差异, 将两个分层阻隔的网络一致成“一张网”是极具挑战性的. 所幸具有转控别离、逻辑会集操控和敞开API 3大特性的软件界说网络SDN技能的引进, 为完结“IP +光”跨层协同交融的超强智能光网络供给了有用途径, 其演进过程如图6所示. 第1阶段是IP与光层独立静态协同; 第2阶段经过通用多协议标签交流(generalized multiprotocol label switching, GMPLS)中的途径核算单元(path computation element, PCE)完结IP与光层动态协同; 第3阶段提取并整合多层操控平面以满意多层多域全网会集一致管控; 第4阶段是IP与光层协同交融构建一张超强智能的全事务一致承载网. 其时, SDN技能正逐渐引进现网商用, 光传送网络尚处于第3阶段前期.

　　能够预见, 未来全球网络流量还将继续以45%左右的指数增加, 而接口速率和光纤容量仅以每年约20%的速度递加, 两者之间显现出日益严重的间隔, “容量危机”愈演愈烈. 这种增加率的差异从根本上源于遵从摩尔定律(Moores Law)的数字集成电路技能(推进用于生成、处理和存储信息的设备展开)和模仿高速光电技能(推进用于传输信息的设备展开)之间的固有标准差异.

　　因为光的起伏、时刻/频率、正交相位和偏振4个物理维度都已被充分运用到极致, 且单纤容量正在敏捷迫临其根本的香农极限, 因而依据等式C=M×B×SE可知, 唯有经过进一步扩展更宽的频带(B)和更多的空间并行度(M

　　)才干大幅进步光纤通讯的体系容量. 未来, 超高速率超大容量超长间隔光传输技能首要环绕这两个可伸缩性选项展开研讨.

　　扩展频带的超宽带体系包括两个独立且平等重要的方面: 跨宽带窗口的低损耗光纤, 以及能够掩盖整个体系带宽无缝运转的光学子体系(如光扩大器、激光器和滤波器). 这两个方面临于运用已有光纤线路(主干和城域传输网络)和新建布置光纤线路(海底光缆和数据中心互联场景)有着不同的影响. 关于现有的绝大多数商用已布置光纤而言, 将仅运用的C波段(约1530

　　~1565 nm, 即4.4 THz)扩展到O~L全波段(约1260~1625 nm, 即53.5 THz), 理论上可取得约12倍的带宽增益, 但因为水峰等物理约束, 实践仅能取得约5倍的容量系数. 关于多种更宽频带、更低损耗的新式光纤, 例如光子晶体空心光纤和嵌套抗共振无节空心光纤, 尽办理论上取得较为达观的猜测, 但在实践中却难以完结. 而且在大多数工程范畴, 包括微波和光学范畴, 组件和子体系的杂乱度跟着其相对带宽的增加而进步, 每比特本钱增加敏捷. 因而, 相关于未来网络带宽成百上千倍的增加需求而言, 在频率域中进行扩展无法有用低本钱地处理长时间容量瓶颈问题, 但仍是扩展光纤通讯容量的一个选项.∼

　　从长远来看, 空间并行性是未来显着扩展体系容量仅有切实可行的挑选. 空分复用(space division multiplexing, SDM)运用多个并行的空间途径倍增单通道的波长容量, WDM×SDM矩阵如图7左边所示. WDM×SDM矩阵的每一行表明一个空间途径内的波长复用, 每一列表明相同载波频率下的多个并行空间途径, 每个最小单元表明运用单个光调制器调制到单个光载波上并运用单个光接纳器检测的光信号. 一个逻辑通道能够由同一空间途径下的不同波长构成(频谱超级信道), 也能够由同一波长跨过多条并行途径构成(空间超级信道), 更有甚者能够是两者的组合(混合超级信道). 曩昔几年SDM的研讨首要会集在多芯和少模两类新式光纤上, 未来不管哪种空分复用技能或许超级信道结构被终究运用于商业化, 光学元件的规划集成都将是必不可少的, 它能够有用地下降每比特的本钱及能耗. 规划集成的难点首要包括3个方面: 一是光电阵列集成; 二是光电混合或单片集成, 即光电阵列与CMOS ASIC的严密集成; 三是全体DSP光电集成, 即对光+电+ DSP三者进行协同规划, 以补偿因为高集成密度而带来的功用缺点, 详细见图7[51]右侧.

　　除了上面评论的空分复用及光电集成技能外, 频谱挑选与空间超级信道的交流关于未来光网络组网而言也有着重要影响. 怎么将已有的适用于WDM网络的ROADM架构扩展到WDM×SDM的情况下? 研讨具有低堵塞率的WDM×SDM网络交流架构不只意味着更大的体系容量, 而且还能简化超级信道的分配算法. 未来或许的适用于 WDM×SDM网络的空间交流节点架构如图8[52]所示, 其彻底依据光子穿插衔接(photonic cross connect, PXC)技能. 输入和输出的每个空间链路都需求经过光扩大和动态增益均衡(dynamic gain equalizer, DGE), 而中心巨大的空间交流架构选用严厉的三级无堵塞Clos网络, 其间第1级和第3级与节点维度相关, 中心级供给各维度的并行穿插衔接. 信号上/下功用运用额定的空间维度, 而且能够保存波长交流以供给灵敏的子载波复用.

　　另一方面, 人们还期望进步光网络组网的主动化及智能化水平, 终究完结网络“即插即用”功用, 而无需任何人工干预和规划, 最大极限地下降网络运营本钱. 在物理层, 这将导致人类“零触摸”网络, 并经过人工智能和机器学习完结“零考虑”的网络布置, 即网络的各种组件将由机器人依据需求主动增加/删去, 并为任何服务主动供给所需的带宽衔接及办理. 为了完结彻底“零触摸”网络主动化, 该自治网络需求包括3个根本功用要素: 传感器、履行器和操控器, 三者有必要一起效果, 才干完结所需的网络智能. 在数字相干体系中, 传感器既能够作为相干光收发器的嵌入功用, 经过其自习惯算法主动获取网络运转的物理参数, 也能够选用独立布置的传感元件完结. 从光物理层的视点来看, 履行器是灵敏的线路卡以及动态的光交流, 动态调整链路速率和信道分配以习惯不同的传输需求. 最终, 为了树立“网络大脑”, 需求敞开接口的通用笼统, 以答应SDN将跨网络仓库和跨各种功用的网络元素整合在一起[53].

　　未来20年, 网络通讯的人工智能化将集云网、感知、大数据和算法于一体[54], 自感知、自习惯、自学习、自履行、自演进、 以网络为根底的群智运用(网络+ AI)将成为重要趋势. 关于光网络而言, 在通往“零触摸”和“零考虑”网络的道路上, 以全体和跨层的思想方法处理网络灵敏性和自治性方面的问题, 将是未来的研讨方向.

　　在《我国科学》创刊70周年之际, 本文回忆了光纤通讯自诞生以来半个多世纪的飞速展开, 并依据当下最新的研讨现状揣度其在未来中长时间的技能演进趋势(信息光电子、网络与通讯、6G移动通讯 等展开趋势已在文献[55-58]中胪陈, 本文不再赘述). 光纤通讯先后阅历了逐段光电再生体系年代和扩大色散办理体系年代, 当下正处于数字相干体系年代, 空分复用体系将有用场. 超高速率、超大容量、超长间隔传输是光纤通讯永恒不变的展开主题, 超宽灵敏、超强智能组网是其不容忽视的演进维度. 未来10年乃至20年, 光纤通讯不管是在光传输仍是在光交流方面, 运用和整合并行空间途径支撑网络大幅容量进步也是一条有用途径; 而在光网络智能化方面, 软件界说光网络将进一步向人工智能光网络演化.