毛謙詳解超低損、硅光子、多芯等趨勢(shì)技術(shù)革新為行業(yè)發(fā)展提供強(qiáng)勁動(dòng)力

本刊記者|舒文瓊 刁興玲

展望2019年，無(wú)論移動(dòng)通信、寬帶還是互聯(lián)網(wǎng)都將繼續(xù)快速增長(zhǎng)，這將為光通信發(fā)展提供強(qiáng)勁動(dòng)力。

在通信這一技術(shù)密集型行業(yè)，技術(shù)的創(chuàng)新和應(yīng)用對(duì)于帶動(dòng)行業(yè)發(fā)展具有至關(guān)重要的作用，特別是在光通信行業(yè)更是如此。近年來(lái)，包括超長(zhǎng)距離傳輸、超低損耗光纖、硅光子和多模單芯等技術(shù)的出現(xiàn)，帶動(dòng)光通信行業(yè)不斷發(fā)展。

時(shí)光荏苒，2018年匆匆而過(guò)，新的一年已經(jīng)到來(lái)。展望2019年，光通信熱點(diǎn)技術(shù)將呈現(xiàn)出怎樣的發(fā)展趨勢(shì)？近日，工信部通信科技委專職常委、武漢郵科院原副院長(zhǎng)兼總工毛謙在“新一代光傳送網(wǎng)發(fā)展論壇成立一周年大會(huì)”上展望了光通信關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。

我國(guó)敷設(shè)光纖總量超過(guò)18億芯公里

毛謙表示，2018年全球光纖用量約為5億芯公里，光纖累計(jì)用量已超過(guò)40億芯公里。就我國(guó)而言，2018年光纖用量約為2.5億芯公里，占全球光纖用量的一半，我國(guó)已敷設(shè)光纜約4300萬(wàn)公里。截至目前，我國(guó)已敷設(shè)光纖累計(jì)總量超過(guò)18億芯公里。

包括移動(dòng)、互聯(lián)網(wǎng)和寬帶在內(nèi)的各種業(yè)務(wù)的發(fā)展都對(duì)光纖光纜提出了需求。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，2018年全球互聯(lián)網(wǎng)用戶數(shù)達(dá)39億，其中固定寬帶用戶突破了11億戶；2018年9月底我國(guó)固定寬帶家庭用戶數(shù)達(dá)4.3億，其中光纖寬帶用戶約3.59億戶，光纖接入覆蓋用戶達(dá)11.7億戶。

在移動(dòng)業(yè)務(wù)方面，全球移動(dòng)用戶已超過(guò)65億戶，移動(dòng)寬帶用戶達(dá)53億戶；而我國(guó)移動(dòng)用戶則高達(dá)15.5億戶，移動(dòng)寬帶用戶約13億戶。

“無(wú)論互聯(lián)網(wǎng)、固定寬帶還是移動(dòng)通信、移動(dòng)寬帶都離不開(kāi)光通信技術(shù)，光通信是上述業(yè)務(wù)發(fā)展的基礎(chǔ)?！泵t認(rèn)為。

而展望2019年，無(wú)論移動(dòng)通信、寬帶還是互聯(lián)網(wǎng)都將繼續(xù)快速增長(zhǎng)，這將為光通信發(fā)展提供強(qiáng)勁動(dòng)力。

超長(zhǎng)距離和超大跨距：通往低成本、高速率的捷徑

由于光通信系統(tǒng)存在信號(hào)衰減和干擾問(wèn)題，因此信號(hào)的最大傳輸距離存在一定極限，到達(dá)一定距離后需要中繼器對(duì)光信號(hào)進(jìn)行放大。但在地廣人稀、地形平坦的邊疆地區(qū)，運(yùn)營(yíng)商希望一根光纜能夠覆蓋上百公里，中間無(wú)需中繼設(shè)備；在地形復(fù)雜、施工困難的沿海地區(qū)，針對(duì)島嶼與島嶼之間的通信場(chǎng)景，運(yùn)營(yíng)商也希望實(shí)現(xiàn)超大跨距通信。由此，超長(zhǎng)距離和超大跨距傳輸應(yīng)運(yùn)而生。

毛謙表示，我國(guó)主要的光通信廠商從光纖、系統(tǒng)技術(shù)（編碼和調(diào)制、FEC、DSP、解調(diào)等）和器件技術(shù)等多個(gè)角度全方位提高，不斷刷新超長(zhǎng)距離和超長(zhǎng)跨距光傳輸?shù)募o(jì)錄。

例如，單芯光纖的最大傳輸距離已經(jīng)突破1萬(wàn)公里，達(dá)到1.0608萬(wàn)公里，最高速度為10.7Tbit/s；單載波430Gbit/s無(wú)電再生傳輸距離超過(guò)了1.32萬(wàn)公里，跨洋傳輸不需要用電；有些單載波或者雙載波的光傳輸距離超過(guò)了1萬(wàn)公里；24.6Tbit/s光傳輸超過(guò)了1.0285萬(wàn)公里。

光迅科技曾經(jīng)聯(lián)合x(chóng)tera和康寧在ACP會(huì)議上進(jìn)行100Gbit/s無(wú)中繼傳輸627公里的試驗(yàn)，采用的關(guān)鍵技術(shù)是EDFA和拉曼放大器的集成應(yīng)用以及超低損耗光纖。該試驗(yàn)在世界最大的電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商國(guó)家電網(wǎng)信息通信有限公司的實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，持續(xù)兩個(gè)月無(wú)差錯(cuò)穩(wěn)定性測(cè)試結(jié)果說(shuō)明，100G無(wú)中繼傳輸試驗(yàn)技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟。

超長(zhǎng)距離和超大跨距傳輸為網(wǎng)絡(luò)升級(jí)和成本降低提供了保障?！坝捎诤５坠庵欣^器成本高昂，而光纖成本相對(duì)較低，是否可以考慮用N對(duì)光纖的相對(duì)低速系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)原單對(duì)光纖的高速系統(tǒng)？”毛謙提出。例如，用4對(duì)100Gbit/s光纖來(lái)實(shí)現(xiàn)單根光纖400Gbit/s的速度。

但是這種方法也存在一定極限。“當(dāng)N不大時(shí)，上述模式?jīng)]有問(wèn)題；但是當(dāng)N大到一定程度時(shí)，光收發(fā)器、EDSA、拉曼放大、泵浦激光器等的成本也會(huì)相應(yīng)增高，從而提升整體成本。因此采取何種方案還需要詳細(xì)比較后再確定?！泵t認(rèn)為。

硅光子：眼前困難不改長(zhǎng)期發(fā)展趨勢(shì)

當(dāng)前光通信系統(tǒng)大量應(yīng)用的光器件材料都是基于Ⅲ-V族元素（如GaAs、InP），工藝難度大、成本比較高；而微電子技術(shù)采用硅為材料，成本低、工藝成熟，可以大規(guī)模集成和量產(chǎn)，能有效解決上述問(wèn)題，因此業(yè)界提出了用微電子技術(shù)做光器件，硅光子技術(shù)由此誕生。借助微電子的成熟技術(shù)，以硅為材料制造光器件，是硅光子的初衷。

硅光子并非一項(xiàng)新技術(shù)，經(jīng)過(guò)數(shù)年發(fā)展，硅光子技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到相當(dāng)高的水平，可實(shí)現(xiàn)4mm的ASIC。其中的里程碑事件，包括2018年8月下旬，由國(guó)家信息光電子創(chuàng)新中心、光迅科技、光纖通信技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、中國(guó)信息通信科技集團(tuán)聯(lián)合研制成功的“100G硅光收發(fā)芯片”正式投產(chǎn)使用，可實(shí)現(xiàn)100G/200G全集成硅基相干光收發(fā)集成芯片和器件的量產(chǎn)，并通過(guò)了用戶現(xiàn)網(wǎng)測(cè)試、性能穩(wěn)定可靠，為80公里以上跨距的100G/200G相干光通信設(shè)備提供小型、高性能、通用的解決方案。

展望硅光子的發(fā)展前景，毛謙認(rèn)為，硅光子的研究進(jìn)展和應(yīng)用推進(jìn)速度非?？?，但是要大規(guī)模商用和普及尚有相當(dāng)一段距離。

毛謙認(rèn)為，硅光子的最大缺陷是純硅發(fā)光技術(shù)尚未從根本上解決，只能用混合集成或異質(zhì)生長(zhǎng)/鍵合的方式來(lái)解決光源的問(wèn)題，使得單一硅芯片的大規(guī)模集成尚有困難，要想徹底解決就需要在材料物理上有所突破。此外，硅的信號(hào)傳輸速率也受到限制，硅光子能夠做到多大速率也是要考慮的問(wèn)題。

從生產(chǎn)環(huán)節(jié)看，由于光芯片的批量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于微電子ASIC的批量，因此工藝線不愿意改造工藝做光電子，使得成本節(jié)約有限，良品率也低于微電子，從而影響到市場(chǎng)價(jià)格，而價(jià)格是決定硅光子能否廣泛使用的重要因素，未來(lái)硅光子要廣泛使用離不開(kāi)專用于光電子工藝線的建立。

但是，暫時(shí)的困難不能改變技術(shù)的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展趨勢(shì)，毛謙認(rèn)為從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，硅光子具有較好的發(fā)展前景。同時(shí)，包括InP在內(nèi)的Ⅲ-V族技術(shù)也很成熟，一直在發(fā)展光電集成技術(shù)，集成前景看好，因此未來(lái)硅光子和InP相互競(jìng)爭(zhēng)，也可以互補(bǔ)和借鑒。

G.654E光纖取得重要突破G.652D光纖仍會(huì)大量使用

超低損耗光纖也是一個(gè)老生常談的話題。據(jù)悉，從20世紀(jì)80年代開(kāi)始業(yè)界就著手準(zhǔn)備超低損耗光纖，目前該技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到較高水平，幾乎接近理論極限。根據(jù)OFC在2017年的統(tǒng)計(jì)，光纖最低損耗降低到了0.1419db/km。聚焦到我國(guó)，光通信廠商也做了大量努力，長(zhǎng)飛的超低衰減大有效面積光纖2016年最低損耗達(dá)到0.160db/km。此外，烽火、亨通、富通、中天也有相關(guān)技術(shù)和產(chǎn)品。

例如，在ULL技術(shù)基礎(chǔ)上，烽火于2017年利用VAD+PCVD+OVD三步法開(kāi)發(fā)出超低損耗大有效面積光纖U3LA，光纖衰減小于0.170dB/m，典型值為0.165dB/km。目前烽火通信已能批量提供1550nm衰減達(dá)到0.160-0.170dB/km以內(nèi)的超低損耗光纖。而且這一光纖還具有可達(dá)到G.657A2的抗彎曲能力，從而大幅提高了超低損耗光纖的應(yīng)用范圍。

展望未來(lái)，毛謙認(rèn)為，ITU已正式通過(guò)G.654E，對(duì)骨干網(wǎng)、超高速系統(tǒng)、長(zhǎng)距離有著重要意義。但是對(duì)于G.654E的應(yīng)用前景也不易盲目樂(lè)觀，因?yàn)镚.654E工藝難度大，成品率比標(biāo)準(zhǔn)單模光纖要低，使得價(jià)格居高不下，影響了大規(guī)模推廣應(yīng)用。另外，G.652D光纖的衰減系數(shù)也在不斷降低，目前已經(jīng)降低到0.17dB/km以下，接近超低損耗光纖的水平，可以和G.657A光纖兼容，應(yīng)用范圍廣；而相對(duì)于G.654E，G.652D和G.657A的抗彎性能更好。

G.654E與G.652D、G.657A相比，使用的場(chǎng)景有所差別，前者適合長(zhǎng)途骨干網(wǎng)，而后者大部分應(yīng)用在城域網(wǎng)和接入網(wǎng)。截至2018年9月底，我國(guó)光纜線路總長(zhǎng)度4130公里，其中骨干網(wǎng)線路僅占2.6%，97.4%的光纜線路都在城域網(wǎng)和接入網(wǎng)。因此，實(shí)際網(wǎng)絡(luò)中，大量使用的仍然是G.652D光纖，G.654E光纖只應(yīng)用在必要場(chǎng)景，不會(huì)全面替代G.652D光纖。毛謙建議，在發(fā)展G.654E的同時(shí)，要繼續(xù)加強(qiáng)對(duì)G.652D光纖的硏究、改進(jìn)和提高，并繼續(xù)降低生產(chǎn)成本，以方便絕大多數(shù)應(yīng)用場(chǎng)景。

SDM和多芯光纖：增大系統(tǒng)容量的有效方法

多芯光纖是在一個(gè)共同的包層區(qū)中存在多個(gè)纖芯，是SDM（空分復(fù)用）的實(shí)現(xiàn)方式，而SDM是增大系統(tǒng)容量的有效方法。

目前多芯光纖的最大容量可達(dá)到2.15Pbit/s。這一速率是由日本信息通信研究機(jī)構(gòu)、住友電器工業(yè)和美國(guó)RAMPhotomics公司聯(lián)合完成的，本次傳輸實(shí)驗(yàn)采用上述公司共同開(kāi)發(fā)的22纖芯光纖，以及一次生成數(shù)百個(gè)載波的光源。

在國(guó)內(nèi)，S D M的最大容量為1.06Pbit/s。由烽火科技基于烽火通信自研的19芯MCF光纖所實(shí)現(xiàn)，是國(guó)內(nèi)首次完成P比特級(jí)光傳輸系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)。

多芯光纖技術(shù)一直在不斷進(jìn)步，但是幾個(gè)難點(diǎn)也困擾著該技術(shù)的發(fā)展：芯間串音的減小、多芯MIMO EDFA光纖放大器、多芯MIMO ROA光纖放大器、多芯熔接、多芯耦合、多芯連接器、多芯分支器、多芯光纖的參數(shù)和測(cè)試方法。此外，多芯光纖結(jié)構(gòu)五花八門，而標(biāo)準(zhǔn)化遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后。

展望SDM技術(shù)發(fā)展前景，毛謙認(rèn)為，實(shí)驗(yàn)室對(duì)SDM的研究依然熱衷，但要突破2.15Pbit/s的紀(jì)錄難度很大；實(shí)際工程的許多技術(shù)問(wèn)題還沒(méi)有根本解決，如多芯光纖的標(biāo)準(zhǔn)化、多芯自動(dòng)連接、簡(jiǎn)易的MIMO、多芯放大、相關(guān)測(cè)試儀表，因此商用為期尚遠(yuǎn)，而商用的緊迫性也并不強(qiáng)烈。

從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，SDM技術(shù)還會(huì)不斷進(jìn)步，上述問(wèn)題有望逐一被突破，SDM的商用化前景值得期待。