光纤通信技术发展综述
余少华1,2,3*，何炜1,2,3
（1. 中国信息通信科技集团有限公司
2. 光纤通信技术和网络国家重点实验室
3. 国家信息光电子创新中心 (NOEIC)）
摘要：光纤通信作为二战以来最有意义的四大发明之一，奠定了网络信息传输的基石，承载了全球90%以上数据流量，但预计其未来20年将遭遇 “传输容量危机”。本文围绕超高速率、超大容量、超长距离、超宽灵活、超强智能 (ultra-high speed, ultra-large capacity, ultra-long distance, ultra-wideband flexibility, and ultra-powerful intelligence, 5U) 这5个光纤通信的发展维度开展研究，在回顾了其50多年发展历程的基础上，对近10年来所取得的一系列最新进展进行了全面综述，并就未来10年甚至20年的演进趋势做出展望。
关键词：光纤通信，光传输，光网络。
2020年是《中国科学》创刊70周年，同时也是光纤通信自1966年提出以来飞速发展半个多世纪的重要节点之年，有必要回顾过往光纤通信技术发展的一些重要节点，深入分析国内外技术动态及现状，并展望光纤通信未来10年甚至20年的技术需求和发展趋势。
在过去的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，骨干网光纤的传输带宽每9到12个月翻一番，连接带宽呈现出Gbps→Tbps→Pbps→Ebps→Zbps指数型增长趋势。作为网络信息传输基石的光纤通信网络，承载了全球90%以上数据传输。其传输容量从8 Mb/s到96×100 Gb/s，提升120万倍；传输距离从10公里到3000公里，扩展300倍；电交叉容量从64 M-bit到64 T-bit，提高100万倍；器件成本1550 nm光模块从2万元到100元，降低200倍[1]. . . . . . 难怪Scientific American杂志曾评价：“光纤通信是二战以来最有意义的四大发明之一，如果没有光纤通信，就不会有今天的互联网和通信网络。”
当今世界正处于 “网络信息世界与自然世界和人类社会” 深度融合的数字化、网络化、智能化进程中，百年一遇。未来20年，网络通信技术的发展方向是人 – 网 – 物三元万物互联及其与各行业各区域的系统性融合，网络连接数量从几十亿到百亿级，再发展到千亿级与万亿级，从人 – 网二元互联发展到人 – 网 – 物三元和多元互联，从地面的平面互联发展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级递增[1]，视频、游戏和多媒体将占据全部流量的85%以上。面对网络流量的激增，近10年来光纤通信的容量年增速已经从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提升遭遇香农 (Shannon) 极限、光纤非线性、光纤可用带宽资源、光电器件指标等限制，预计未来20年前后将出现网络信息传输 “容量危机”，光纤通信急需突破性的理论和颠覆性的技术[2]。
光纤通信涵盖非常广阔的研究领域，光纤光缆、光电器件和光网络系统3个层面相辅相成，合力推动光纤通信不断向超高速率、超大容量、超长距离、超宽灵活、超强智能 (ultra-high speed, ultra-largecapacity, ultra-long distance, ultra-wideband flexibility, and ultra-powerful intelligence, 5U) 5个维度升级演进[3]。本文首先简要回顾了光纤通信的4个主要发展时期，然后在详细介绍了当前热点技术及研究进展的基础上，最终推断预测光纤通信未来的技术走向和研究难题。
从1960年，美国科学家希奥多 · 哈罗德 · 梅曼 (Theodore Harold Maiman) 发明第1个红宝石激光器解决了光源问题开始，人类逐步揭开了光纤通信的神秘面纱；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20dB/km的低损耗石英光纤；与此同时，美国贝尔实验室 (Alcatel-Lucent Bell Labs) 成功研制了室温下连续工作的双异质结半导体激光器。光纤和激光器的结合促使光纤通信技术从实验室研究步入到实用化工程应用，标志着人类通信史开启新篇章。此后50年中，新技术的不断引入推动着光纤通信传输速率、容量、距离的持续提升，传输容量呈现每10年1000倍的爆炸式增长，发展速度前所未有，其历程可大致分为4个主要时代。第1个是逐段光电再生系统 (1977∼1995)：早期跨段式光电再生传输系统的容量取决于收发器的接口速率，无论是在商用系统还是实验研究中，接口速率的增长都非常缓慢。图1[4]显示了商用系统中的接口速率大约每年提升20%，而实验研究中的接口速率增长更慢，每年约为14%。其间主要采用时分复用TDM技术推动传输容量的提升，从多模光纤到单模光纤，再到同步数字体系 SDH, 系统容量约以每年0.5 dB的速率增长。第2个是放大的色散管理系统 (1995∼2008): 实用型光放大器EDFA的发明堪称光纤通信史上的一个里程碑，它使得直接进行光中继的长距离高速传输成为可能，并促成高成本效益的WDM系统的诞生。20世纪90年代初期，几项与EDFA提供带宽中光纤非线性管理相关的核心发明，使得商用WDM系统容量从20世纪90年代中期到21世纪初以每年100%的速度 (3 dB/年) 显著增长，同样,实验研究的增长速度比商用系统慢，为每年78%, 如图 1所示。WDM结合EDFA技术开启了光纤通信的新纪元，通过增加传输的信道数，传输容量呈现爆炸性增长。第3个是放大的数字相干系统 (2008 ∼ 至今)：数字相干接收技术的引入，使得基本被占满的频谱资源得以更好的利用，系统谱效率 (spectral efficiency, SE) 进一步提升，WDM的传输容量持续突破,单信道Tb/s级传输系统陆续出现，WDM传输系统容量持续增长至单纤100 Tb/s左右。但非线性效应越发明显，引起系统信噪比急剧恶化，非线性香农极限限制了传输容量的进一步增长。基于众多的研究结果，2010年Nature杂志发表文章指出100 Tb/s是商用标准单模光纤传输系统容量的一个关键台阶[5]。目前最高水平的研究成果也验证了这点 (单模单纤的最高传输容量为102.3 Tb/s，谱效率为9.1 bit/s/Hz)，如图 2所示。
图 1 (网络版彩图) 单载波接口速率和WDM容量方面的产品及实验记录[4]Figure 1 (Color online) Products and research records of single carrier interface rates and WDM capacities
图 2 (网络版彩图) 关键技术推动传输容量与距离的持续提升Figure 2 (Color online) Key technologies promote continuous improvement of transmission capacity and distance第4个是空分复用系统 (202x∼未来)：2012年后，单模单纤WDM光传输系统容量提升对于现有技术来讲比较受限，传统技术路径都遭遇性能瓶颈，引入空间这一还没有被利用的维度参数被认为是当前和今后一段时间内超大容量光传输的主要发展方向之一。模式复用和多芯复用等空分复用技术的相继出现，使得光纤通信系统容量达到Pbit量级或更高。未来，空分复用还可将系统传输容量提升多个数量级 (也存在一些缺点，例如空分复用无法有效降低数据流量的比特成本、无法与现有技术和存量网络后向兼容及平滑演进、缺乏技术成熟度和生产制备可靠性、标准化滞后等，也有一些专家认为这不是光纤通信的主流方向)，再次给光纤通信带来容量大幅提升的机遇。
图 3 (网络版彩图) 光纤通信的五个维度发展方向Figure 3 (Color online) Five development directions of optical fiber communication光纤通信的发展状况可以从5个维度进行解析，如图3所示。网络带宽需求的 “恒不足”，使得超高速率、超大容量、超长距离传输成为光纤通信矢志不渝的追求；多业务分组化综合承载对光网络的光层加电层弹性灵活组网提出迫切要求，软件定义网络及人工智能技术的引入使得构建超强智能的光网络成为可能。
3.1 超高速率超大容量超长距离传输
近10年来，互联网流量增速已大大超越光传输的容量增速，提高光纤的信道速率、系统容量和传输距离的需求日益迫切。早期光纤通信曾经聚焦于相干光接收，但光源性能、光锁相环难以实现等制约了其应用。在1993年，业界提出了基于DSP的相干光接收技术，但当时的CMOS水平并不能体现出相干光接收相对于直接探测的优势。经过多年的发展，CMOS技术水平得到了极大提高，可以支撑高速光纤通信的演进需求。在2.5 Gb/s, 10 Gb/s, 40 Gb/s直调直检系统中，色散等光纤信道的损伤是演进中主要考虑的因素，谱效率则无需关注。但在40 Gb/s向100 Gb/s演进的过程中，信道损伤和谱效率都是必须考虑的重要因素。100 Gb/s开启了光纤通信的数字相干系统时代，相干光接收的 PDM-QPSK成为其解决方案。相干光接收不仅是实现高阶调制和偏振复用的基本要求，而且能够在电数字域对光纤传输中的信道损伤进行补偿。在100 Gb/s向400 Gb/s。1 Tb/s演进的过程中，超100 Gb/s技术必然还是以相干光接收为基础，信道损伤不再是焦点，主要的注意力集中到如何提升系统谱效率。
... ...
作者简介
Shaohua YU was born in 1962. He received his Ph.D. degree in space physics and electronic information from Wuhan University, Wuhan, China, in 1992. Currently, he is a member of the Chinese Academy of Engineering (CAE), an information and communication network technology expert. His research interests include optical fiber communication and network technology. Dr. Yu is the chief engineer of the China Information and Communication Technologies Group Co., Ltd., the director of the State Key Laboratory of Optical Communication Technologies and Network, the vice president of the China Institute of Communications, a member of the National 863 Program Network and Communication Subject Expert Group, a member of the Cyber Power Strategy Research Advisory Group, and a National Integrated Circuit Industry Development Advisory Committee member.编辑：王茹茹
为满足更多科研工作者的需求，蔻享平台开通了各科研领域的微信交流群。进群请添加微信18019902656（备注您的科研方向）小编拉您入群哟！
蔻享网站www.koushare.com已开通自主上传功能，期待您的分享！
欢迎大家提供各类学术会议或学术报告信息，以便广大科研人员参与交流学习。