盘点：光通信的五个发展趋势

目前，我们整个社会正处于第二次数字革命（数智革命）的起飞阶段。

在消费互联网取得巨大成功的基础上，我们开辟了行业互联网这个新蓝海，并据此提出了数字经济和数字化转型战略。

于是，无数的行业数字化场景（例如智慧工厂、智慧物流、智慧文旅等）涌现出来，加速了海量数据的产生。

根据预测，人类的数据产量，正在以每年50%的速度迅猛增长。

围绕这些体量庞大的数据，我们急需更强悍的算力和通信力，进行应对。这就是ICT技术发展的源动力。

我们具体该如何应对呢？

无线看5G，有线看光纤。

今天这篇文章，小枣君专门讲讲有线，详细分析一下有线通信里最重要的光通信技术，以及围绕光通信技术构建的光传输网络，看看在数智革命的巨大挑战下，光通信究竟是如何应对的。

提到光通信，我们还是要默默感恩高锟博士1966年的创世论文。

正是他的坚持和不放弃，才给我们带来了光纤这么一个几乎完美的通信介质。它具备大带宽、高性能、低成本的特点，为后来人类社会信息化起步，奠定了基础。

我们无法想象，如果没有光纤，我们仅靠金属介质，建立如今覆盖全球的庞大通信网络，到底要消耗掉多少宝贵的资源，会对环境造成怎样的损害。

更不用说，这些成本转嫁到我们普通用户身上，我们将面临怎样高不可攀的通信资费。

光纤

如今，光纤是我们整个数字社会的底座基石。它就像血管，不断输送着数以EB、ZB的数据，连接世界，创造价值。

光通信技术的未来发展趋势，紧密围绕着性能和成本，归纳起来，就是三点：

█ 发展趋势一：全光网的演进

全光网，是我们非常熟悉的名词。

光通信的首要任务，就是传输数据。前面小枣君也提到了，人类社会每天都在面临数据增长。为了避免拥塞，光通信必须紧跟需求发展，持续扩增自己的带宽和容量。

目前，光通信扩增自身传输能力的方法非常明确，就是两条：一，继续提升单波容量，相当于把路修宽。二，升级所有的路由交换节点，实现高速公路的点对点直达（避免换乘）。

单波容量的提升

经过数十年的苦心经营，国内运营商当前骨干网已经达到了单波100Gbps的水平。

下一步的发展目标，是单波400Gbps。而制约这一目标的主要障碍，是成本，尤其是光模块这样的核心器件的成本。

除了400G之外，处于研发和试验阶段的，是800G和1.2T。

想要实现单波速率提升，主要有两个办法：采用更高阶的调制方式、提升波特率。

高阶调制虽然可以成倍提速，但抗噪声能力差。也就是，和无线空口一样，外部环境恶化，或者传输距离远，就不能用高阶调制，只能降阶。

高波特率的话，比高阶调制更有用。它既可以提升速率，也不会影响传输距离。但是，高波特率对光电器件要求很高。说白了，属于工艺问题。

光通信频谱带宽延展

除了提升单波容量之外，想要增加单根光纤的传输速率，就只能让这根光纤传输更多的波。想要更多的波，就只能进一步扩展光通信的频谱带宽。

光通信其实和无线通信一样的，也是依赖频谱资源。

我们在一根光纤中传输不同频段的光，在考虑保护间隔的前提下，可用的频谱带宽越大，能传的光的波数越多，容量也就越大。

一般情况下，波道采用C波段，频谱资源是4THz。扩展为CE波段后，频谱资源增加20%，为4.8THz。如果采用C++波段，是6THz。如果采用C+L波段，是11THz，相比C波段提升了175%。（延伸阅读：链接）

如果按照单波400G的速率，C++波段（80个波），那么，骨干传输容量可以提升到400G×80个波=32Tbps。

为了进一步提升速率，专家们也没有放弃在光纤上做文章。

新型光纤传输技术，比如MCF、FMF和PCF等，现在正在成为行业热点。光纤头部企业，正在加紧进行技术研发。

全光交换

除了提升速率带宽之外，另一个能力提升的手段，就是交换节点的升级扩容，这也是全光网2.0的精髓所在。

光通信的发展目标，是替换所有的电通路。 换句话说，所有的数据传输，全部应该由光通路完成。

光纤不仅要铺到家庭，还要铺到每个房间，每个PC，每台电视，每个冰箱。所有固网接入，全部替换为光，消灭网口。

此外，在设备的内部，也要摈弃光电转化，直接光路到元件、到芯片 。芯片与芯片之间，芯片内部之间，也全部光路。这是光通信的终极发展目标。

对于普通人来说，这个目标是无法想象的，不是吗？

用户侧，目前我们发展到了FTTR（光纤入户）阶段。在骨干侧，随着ROADM和OXC的普及，我们国内已经实现了全光波长交换。

未来，全光波长交换的发展思路就是——向上和向下。一方面，满足小颗粒度的交换和调度（面向行业需求、切片）。另一方面，满足大颗粒的交换和调度（面向骨干网容量扩增）。

想要实现ROADM调度能力的升级，离不开对WSS技术工艺的研究。这也是目前光通信产业链最值得关注的研究方向之一。

█ 发展趋势二：解耦&白盒化

除了通信能力的不断精进之外，光通信发展的第二个关注点，就是成本压缩。

毕竟，企业需要生存，生存离不开利润。想要利润，除了增加收入之外，就只能勒紧裤腰带，减少开支。

作为行业最大的甲方，运营商控制成本最有效的手段，就是扶持产业链。说白了，一项技术越成熟，越开放，做的厂商越多，就越有可能压低价格，最终实现“白菜价”。

而比较悲催的是，在光通信领域，国内三家运营商互不相让，选择了不同的技术体系，让产业链左右为难。

目前，技术标准的争夺日趋激烈，产业链还在观望，举棋不定。

在国企稳增量、杜绝恶意竞争、防止国有资产流失的大背景下，小枣君个人认为，光通信技术路线的妥协归一，是大势所趋。

省下来的钱，都是国家的钱。搞那么多的技术路线，互相内耗，确实没有必要。

在运营商“开源、解耦”的摇旗呐喊下，光通信设备走向灰盒化、白盒化，是必然的。

所有的设备开放解耦，让厂商沦为“低端”制造工厂。这样的话，更多的乙方可以加入，进一步降低设备购买成本，实现运营商自身利益的最大化。接入网那边的Open RAN，其实也是一样的思路。

█ 发展趋势三：网络扁平化

CAPEX（建设成本）看产业链，OPEX（维护成本）呢，只能看企业内功。

运营商的维护成本一直很高，其中最主要的组成部分，是人员工资、设备维护、能耗支出（电费）。

如何降低网络的整体能耗，如何减少网络的运维复杂度，进而降低人力投入，是运营商需要考虑的头等问题。站在光通信的角度，就是考虑单位比特公里传输能耗和单位比特交换能耗的进一步挖潜。

光本来就是节能的技术。传输网中，光域的占比越高，整体的能耗就越低。尤其是WDM向ROADM全光交换演进之后，能耗还能进一步降低。

光通信技术本身的降能耗潜力有限。于是，运营商想到了另一个办法，就是网络至简。

也就是说，尽可能让整个传输网变得简单，减少设备数量 ，提升设备能力，以此来削减运维成本。

网络至简的最重要举措——网络扁平化。

以中国电信为例。当前的中国电信传输网络，从宏观上分为四层，从上到下，分别是国干（一干）、省干（二干）、城域、接入。

电信的想法，是直接把它们干成两层——国干和省干融合，城域和接入融合，变成“骨干+城域”的两层架构。

这样一来，设备数量肯定是减少了，不仅节约了硬件成本，还减少了空间占用和电费开支，以及人力投入。

扁平化后的传输网，将从树型架构变成MESH网状架构。这是一次革命性的创新，也是一次艰巨的挑战。对于网络来说，这相当于是一次脱胎换骨的手术。

█ 发展趋势四：城域网的角色转变

提到了城域网，我觉得有必要专门说一下它。

全光网2.0的发展路线，是先骨干全光，再城域全光。

城域全光的一个特点，就是OTN这种昂贵的设备下沉，从仅用于骨干，变成了城域也有。城域WDM，也将在成本进一步下降后，下沉到城域边缘。

城域全光网，包含了城域核心、汇聚、接入三层。高性能设备的下沉，意味着城域网的定位和服务对象，将会发生明显的变化。

一直以来，运营商们都希望凭借城域接入技术（PON，无源光网络）在C端的成功，将经验复制到B端，打开新的市场。

换句话说，运营商们认为家庭宽带市场已经趋于饱和（现在在推千兆，未来推50G-PON，虽然需求不大），目前希望大力推动针对政企用户的宽带接入市场，满足全业务传输需求。

升级之后，运营商的城域全光网，将实现对移动（基站）、家庭宽带、政企用户、云业务（数据中心）的全面融合承载，也就是“一网通吃”。

政企行业用户的光接入需求中，值得关注的是工业互联网场景。这类场景对传输带宽、确定性时延、安全性、可靠性要求最高，场景复杂，挑战很大。

基于OSU的M-OTN技术体系，就是基于政企用户场景的需求，被提出来的。它可以支持小带宽颗粒多业务承载，满足行业应用的小颗粒低成本传输。

城域全光网和云网融合关系密切。它不仅和数据中心有交集，更是运营商切入政企客户云业务的抓手。例如，运营商可以通过提供光宽带接入，搭配云专线业务，甚至兜售自己的云服务。

█ 发展趋势五：AI智能运维

除了架构变化之外，再想要极简网络，就只能引入先进运维技术的支持。

SDN、SDON这些就不用说了，运营商要求各厂家转发与控制解耦，将所有设备的管理和业务调度能力集中，实现统一管控。厂商肯定不愿意这么做，然后，双方就处于僵持状态。

实现集中管理后，运营商通过引入AI人工智能技术，还有大数据技术，可以实现对整个传输网络的智能运营。这就像是一个全国级的交通调度中心，而且，这个中心还是基于人工智能算法的，潜力极大。

小枣君相信，围绕“AI+SDN”，实现网络流量预测、性能劣化预测、故障根因分析和光纤态势感知，都将变得可行。通信工程师的饭碗，有可能被AI砸得稀碎。

借助AI，网络本身将具备极强的网络自愈能力。出现问题时，AI可以进行快速响应和链路调度，减少业务的中断时长，甚至让客户根本感知不到故障曾经发生过。

除了降成本之外，引入智能运维还有一个好处，就是绿色节能。

通信网络的绿色节能，不再是一句公益口号。它牵扯到运营商重要的政治任务——那就是服务于国家的“双碳”战略。从某种意义上来说，它的重要性，甚至高于省钱。

█ 结语

好啦，以上就是小枣君对光通信未来发展方向的一些思考。

光通信是一个庞大的体系，限于篇幅，还有一些技术动向我没有介绍，例如DCI、WSON、ZR等。将来有机会，我再通过专题，进行详细说明。

我还是那句老话，光传输网络是整个数字社会的基座，重要性极高，比5G高得多。光通信技术，是目前少数值得深入研究的通信领域。

希望广大有志青年能够加入到光通信的研究之中，参与建设更强大更智能的全光3.0甚至4.0，为数字智能革命夯实基础。

谢谢大家的耐心阅读，我们下期再见！

骨干网光通信的最新趋势

今天这篇，小枣君和大家聊聊骨干网光通信的一些最新技术动向。

█ 400G，真的来了

大家也许都有所耳闻，从去年开始，国内运营商骨干网已经全面拉开了400G商用的帷幕。

先是2023年大量的商用验证，然后是集采的全面启动。2024年，是规模商用的正式落地。

不久前，2024年3月，中国移动开通了全球首条400G全光省际（北京-内蒙古）干线，被视为一个重要的标志事件。

骨干网升级400G的原因，是显而易见的。

一方面，居民数字生活（高清视频、远程会议、在线直播、在线游戏等）所带来的消费互联网流量增长，仍在持续。

另一方面，全行业都在推动数字化转型，来自行业数字化系统的流量激增，加剧了骨干网的压力。

骨干网压力陡增，还有一个关键的原因——AI大爆发。

AIGC大模型崛起之后，引发了一股AI浪潮。为了满足AI业务的需求，需要建设大量的智算中心。模型从千亿参数向万亿参数发展，GPU算力集群也从千卡集群走向万卡集群甚至十万卡集群。

小枣君在以前的文章中介绍过，GPU算力集群其实就是海量的GPU卡（GPU服务器）通过高性能网络（例如InfiniBand、RoCEv2）连接在一起的一个阵列。它对网络性能和可靠性的要求极高，直接影响到训练效率和成本。

仅从GPU服务器的网络端口速率来说，就已经从单口400G起步，甚至要用到800G或更高。

GPU服务器的网络端口

以前，GPU算力集群属于DCN（数据中心内部网络）的范畴。现在，随着集群规模不断扩大，已经开始考虑将分布式智算中心应用于模型训练。

也就是说，将异地的几个智算中心，一起用来进行训练。

这就对DCI（数据中心互联网络）提出了更高要求，光通信骨干网必须在技术性能上能够满足这一需求。

我们国家在算力上的战略，还是秉承了“全国统筹、整体布局”的思路。从2022年2月开始，我国启动了东数西算工程，打造全国一体化算力体系。

简单来说，一方面，我们要建设大量的数据中心（相当于电厂），另一方面，也要建设粗壮的骨干传输网络（相当于输电网），把这些算力给“流通”起来，满足各行各业的需求。

█ 400G，是如何做到的？

当前的光通信骨干网，作为整个数字社会底座的光通信网络，必须具备超大带宽（400G，将来800G甚至1.6T）、超低时延（多级时延圈）、超大规模组网（服务于分布式计算，以及刚才说的AI集群）、超高稳定性、超高可靠性、超高安全性、超灵活部署、智能运维管控等多方面特性。

今天，主要说说最重要的速率带宽。

光通信技术发展到现在，想要实现速率的提升，无非就是在以下几个方面做文章：

首先，是波特率。

传输速率，是比特率，是单位时间传送的比特个数，单位是bit/s。

比特率=波特率×单个调制状态对应的二进制位数。

波特率是单位时间内传送的码元符号（Symbol）的个数。波特率越高，每秒传输的符号越多，当然信息量就越大，速率就上来了。

波特率由光器件的能力决定。器件芯片制程越先进，波特率越高，速率（比特率）就越高。

目前，CMOS工艺从16nm提高到7nm和5nm，波特率也逐渐从30+Gbaud提高到64+Gbaud、90+Gbaud、128+Gbaud。

现在的400G能够商用，就是得益于波特率能够达到128Gbaud。

再看看调制方式。

刚才那个公式，里面的“单个调制状态对应的二进制位数”，就是调制方式决定的。

400G技术的调制方案，目前主要有16QAM、16QAM-PCS（PCS是概率整形技术，下次专门介绍）和QPSK三种，适用于不同的应用场景。

光通信和无线通信不太一样，不会一味追求高阶调制。

调制阶数越低，对线路的要求越低，建网成本也越低。所以，长途骨干网早期设计阶段的时候，基本上聚焦于16QAM和QPSK。后来有了16QAM-PCS，也加入了竞争。

以前没提“东数西算”、运营商们都认为400G不会需要太长距离的传输，所以，采用技术更成熟、价格更低的低波特率器件，配合调制阶数较高的16QAM，是行业的主流意见。

后来，一方面因为传输距离的要求增加，从1000多km变成几千km，再一个，128GBaud波特率器件迅速成熟（在DCN场景，800G迅速崛起，对产业链产生刺激和推动），为QPSK脱颖而出创造了条件。

QPSK对非线性的耐受能力更高，相比16QAM-PCS可以适当提高入纤功率。其次，QPSK的背靠背OSNR门限相比16QAM-PCS有优化。再有，设置QPSK的通道间隔为150GHz，使得在传输过程中几乎没有滤波代价。

这些优势，都使得QPSK逐渐成为行业在骨干网和DCI的一致首选。

三种方案的大概对比

现在，前两种方案，被考虑的应用场景更多是城域或省干。

第三，是扩展波段。

波特率和调制主要影响的是单波速率。一根光纤，是可以有多个波的，只要频谱范围足够大，就可以了。

单波带宽×单纤波数=单纤带宽。

前面表格写了，QPSK 400G的通道间隔达到150GHz。传统的C波段和扩展C波段都不足以满足频谱带宽的需求。

于是，现在逐渐采用了C6T+L6T的方式，一共是12THz的频谱带宽。计算一下，80个波，单波400G，一起就是单纤32T容量。如果牺牲一点距离，用在省干的话，部署QPSK或16QAM-PCS，容量还能再大些，达到48T。

关于波段的详细介绍，可以看这里：光通信到底有哪些波段？

扩展波段的最大问题，在于器件是否能够支持，且成本是否可控。这里所说的器件，包括ITLA、CDM、ICR、EDFA及WSS等，涉及到光的收发和光路交换、放大等。

波段扩展的话，还涉及到一个问题，那就是整合。

现在的波段扩展，其实更像是两套系统（C和L）的简单绑定。两套系统独立运作，通过合波的方式，进行传输，然后到了对端，再进行分波，各自继续处理。

两套系统的话，体积会更大，功耗会更高，设计也更复杂。所以，行业需要研究，怎么进行器件整合，真正让一套系统，同时支持不同的扩展波段。也就是实现真正的一体化。

光纤通信，除了光模块和光设备，还需要关注光纤。

现在的主流光纤是G.652D光纤。400G QPSK，在G.652D上，借助EDFA放大，也能传输1500km。

行业经过多年的验证，已经认定，G.654E光纤是新的继任者。如果用性能更好的G.654E，同等条件下，400G QPSK的传输距离，可以增加30%以上。

G.654E光纤已经具备规模化生产的能力，将在长途干线上进行大规模部署。G.654系列的一些低损耗光纤，也成为海缆系统跨洋超长距离传输的首选。

除了传统光纤之外。行业还认为，多芯光纤和空心光纤拥有广阔的应用前景。

多芯光纤是一种空分复用，在一个光纤里，塞入更多的纤芯，采用少模，可以大幅提升光纤的容量。

空心光纤就更牛逼了，直接把光纤做成空心，用空气取代玻璃纤芯。

空心光纤被证明可以带来更大的容量、更低的时延，更小的传输损耗，以及超低非线性，被行业一致认为是光通信里最具潜力的技术之一。

█ 400G的下一步，800G or 1.6T？

400G正式规模商用之后，整个行业的目光将会放在400G以上（beyond 400G）的技术标准体系上。

对于接下来是搞800G、1.2T还是1.6T，行业还在加紧论证。

如果想要实现更高的速率，就必须在“调制方式+波特率”上继续做文章。130GBd，或者更高的260GBd，是必然方向。更高波特率，意味着相关器件必须跟上，形成成熟的产业链。

超过400G，不能再指望QPSK了。16QAM调制，是行业目前普遍认可的选项。

波段也需要进一步扩展。在扩展C和L的基础上，考虑往S波段、U波段、E波段等进行扩展。如果是C+L+S，那就是12T+5T，达到17THz的频宽。

多方面因素相叠加，单根光纤单个方向传输速率超过100Tbps，指日可待。

在数据中心内部，800G（基于100GBd以上波特率，单通道100G）已经商用了。单通道200G、400G、800G，只是时间有早有晚。在这方面，国外的进度更快一些。

随着容量的不断提升，带来的技术挑战也不断增加。光通信的发展，说白了，依赖于器件、芯片、制程、材料。

想要满足前面提到的功耗、安全、运维等方面的要求，还依赖于工艺、架构、封装、人工智能、数字孪生等一系列的创新。产业链上下游需要做的工作，还有很多。未来的路，还很长。

█ 最后的话

光通信是整个社会的数字动脉。这些年，人们对很多技术（包括5G）都提出过质疑，但没有人会对光通信提出质疑，因为它是社会发展的刚需。

人类数据流量不断增加的趋势，在未来几十年都是不会变的。人工智能技术的高速崛起，会将这个趋势进一步放大。

光通信目前的发展，是无法满足需求的。这意味着，企业会有更大的动力，投入资源进行研发，以获得利润。

希望光通信产业能进一步爆发，为数智社会发展铺平道路。

参考文献：

1、《AI时代高速光传输关键技术、应用进展及未来展望》，信通院技术与标准研究所，张海懿；

2、《算力网络开启400G全光新时代》，中国移动研究院，段晓东；

3、《AI时代的400G全光算力互联网》，中国联通研究院，唐雄燕。

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