一根光纤激活科技创新“一池春水”

编者按

为充分宣传展示中央企业深入学习贯彻习近平总书记关于国有经济的重要论述，牢牢把握新使命新任务，在全面建设社会主义现代化国家新征程中展现的新担当新作为，国务院国资委宣传局、人民网·中国共产党新闻网组织开展“沿着总书记的足迹 阔步迈向高质量发展”大型融媒体宣传报道活动。围绕制造强国、科技强国、人才强国、交通强国、能源强国和美丽中国等主题，深入基层一线开展专题采访调研，推出一批生动鲜活的央企故事，立体展现中央企业在建设现代化产业体系、实现高质量发展中的重要作用。

这里，诞生了我国第一根石英光纤，自此改写中国光通信史。

这里，曾经的武汉邮电科学研究院，如今是由烽火科技集团、大唐电信集团重组成立的中国信息通信科技集团（以下简称“中国信科”）。

1976年春天，在武汉邮电科学研究院的一个简陋实验室里，一根长17米的“玻璃细丝”从科研人员赵梓森手中缓缓流过。

时光一路不停。一根头发丝粗细的光纤从实验室产品，到能实现1128亿人次同时通话，中国信科循着光纤研究之路，逐步成长为光通信领域的“领航者”。

2018年4月26日，习近平总书记来到烽火科技集团考察。听到介绍烽火科技在“超大容量、超长距离、超高速率”光通信领域的研发和生产处于世界领先地位，一根光纤上可实现67.5亿对人同时通话，总书记点头表示赞许。

“核心技术、关键技术、国之重器必须立足于自身，总书记的话极大地激励了我们。”中国信科旗下烽火通信公司网络产出线研发部总经理魏学勤说，“我们也可以自豪地向总书记报告，6年前总书记看过的光通信产品还是单波长100Gbit/s，我们现在已经实现400Gbit/s、800Gbit/s商用，1.6Tbit/s正在研发中。相对于100Gbit/s分别有4、8、16倍的单波长速率提升。”

这些年，牢记总书记的嘱托，中国信科加快突破关键核心技术，致力于“三超”光传输科研攻关，不断提升超宽单纤带宽、超高单波速率、超大单节点容量、超长传输距离、超强智能管控，传输容量跃升至P比特级，居于世界领先。

“关键核心技术必须掌握在自己手中，虽然攻关之路困难重重，但我们规划清晰、提前布局、重点投入，不攻克不掌握不罢休。”魏学勤说，经过不懈努力，中国信科已经实现在光通信产业从跟跑到并跑，再到部分领跑，目前已主导制定80余项ITU、IEC国际标准，逐步成为“世界通信标准制定者”。

高速光模块自动化生产现场。中国信科供图

习近平总书记强调，具有自主知识产权的核心技术，是企业的“命门”所在。企业必须在核心技术上不断实现突破，掌握更多具有自主知识产权的关键技术，掌控产业发展主导权。

国之所需，科研所向。中国信科肩负重要使命，坚持自主研发，不断突破“卡脖子”难题。为解决“西电东送”战略中的通讯传输技术瓶颈，中国信科主动揭榜，从零开始进行长距离光通信传输的项目攻坚。

中国信科光电子专家徐健带领团队独立开发模块，独立撰写算法，耗费近十年时间不断探索优化，研究并设计出全球最长的2.5G、10G、50G、100G、400G 、500G和800G超长单跨距光传输系统，实现了点对点无电中继单跨距传输713km世界纪录，打破了国外公司620km单跨传输世界纪录。

这项世界纪录的打破，解决了400km超长跨距传输的“卡脖子”技术难题，也为国家节省了大量经济投入。“传统单跨距传输距离通常为100多公里，如果传输3000公里，沿途需要铺设30个中继站，但应用超长跨距传输技术后，中间只需要不超过5个中继站，可以减少2.5亿元的建造成本。”徐健这样解释道。目前，这套自主研发的系统已在国家电网、南方电网等大规模应用，并出口澳大利亚、印度等国家。

烽火通信“丰华21号”执行海上施工任务。中国信科供图

“你们所从事的光通信行业很重要，要建设网络强国，需要你们加快脚步，更快地占领一些制高点。”沿着总书记指引的方向，中国信科将目光瞄向了另一片蓝海——海底光缆产业。

发展海底光缆产业，实现产业链核心产品、关键技术的自主可控，对我国至关重要。

“我们在海洋通信领域起步较晚，很多高端技术掌握在欧美企业的手里，必须加快研发进度。”中国信科旗下烽火通信公司海洋网络技术专家何茂友介绍，为了打破国外技术垄断，我们加快自主创新步伐，尝试将“三超”即超高速率、超大容量、超长距离的光纤通信技术应用到海缆通信系统里面，在通信速率和距离上实现了行业领先。此外，我们采用了大量国产化的自主产品，带动了整个产业链的快速发展。

自主研发二代海底中继器，解决了核心器件国产化替代的“卡脖子“问题；发布业界容量最大传输最远的48纤对遥泵产品，业界全球领先；在观测网应用上，推出故障隔离型分支器……如今，中国信科在海洋通信领域拥有全产业链和自主知识产权，成为全球范围内唯一能够“一站式”提供海底光缆建设项目EPC解决方案“全套服务”的中国企业。

创新驱动，大潮奔涌。从落后到并跑，从追赶到领先，中国信科用科技自立自强锻造出属于自己的世界名片。

眺望前路，笃行不怠。中国信科底气十足：坚持自立自强，把科技创新关键变量转化为高质量发展最大增量。

(责编：宋美琪、秦华)

「光电科普知识」海底“漫游”：光学Wi-Fi实现超快水下通信

内容来自《Light: Advanced Manufacturing》新媒体团队

近年来，人们对海洋资源的探测、开发和利用投入了前所未有的热情与关注。随着人类活动向海洋领域的逐渐深入，各种水下探测及开采设备、潜艇以及无人航行器等被大量部署。

而水下通信 便是这些项目中极为重要的一环，水下通信是指水下双方的通信或者水下与水上的通信， 目前水下通信技术主要包括两大类：水下有线通信技术 和水下无线通信技术 。

图源： Veer

水下有线通信技术通过铺设海底光缆，利用光纤进行传输，具有传输速率高、容量大、抗干扰性好等优点，但成本较高且易遭受海水及海底生物的破坏，不适合水下通信的广泛应用。

水下无线通信技术 主要包括：水下无线电磁波通信 、 水下声通信 和 水下光通信 。

其中在 水下无线电磁波通信 中， 电磁波在水中衰减严重，仅可用于近距离的通信传输；

在 水下声通信 中， 声波衰减较小，可以实现数千米的通信传输，但传播延迟长、信号衰减大、多径效应严重、通信带宽有限等特性也导致水声通信技术面临着巨大挑战；

水下光通信 是一项将激光作为载波传递信息的技术，与传统的水下电磁波通信与水声通信相比，其主要优势在于：具有超高的带宽，并随着水下探测技术与水下感知组网技术的发展，这一优势也就使其成一种业界极具吸引力的替代方案。

为水下无线光通信系统主要由： 发送端 、 接收端 以及 水下信道 三部分构成（如图1）。

其中发送端 主要由 信号处理电路 、 驱动电路 和 激光器 等组成，主要功能是 对发送数据进行数字信号处理，如调制、信道编码等，再由驱动电路驱动激光器进行电光转换，使信号以光波的形式在信道中传输；

接收端 包括 光电探测器（APD） 和 信号处理电路等部分 ， 主要功能是由光探测器进行光电转换，再传递给信号处理电路进行同步、解调以及译码等信号处理，最后得到接收数据。

图1 水下无线光通信系统示意图

图源： 撰稿人自制

且水下光通信除了具有超高带宽的优势外，还具有其他的优势，比如：

（1） 传输速率高，相比前两种通信方式，水下光通信的器件与信道能达到上百MHz甚至1GHz的带宽，再辅以调制技术，能大大提高水下无线通信的传输速率；

（2） 衰减相对电磁波小，相比高频部分无法在水下通信的电磁波，水下光通信能够在450~550nm的低损耗窗进行传输；

（3） 时延短，与水声通信1500m/s的传播速度相比，光的传播速度快，因而在实际通信时，水下光通信几乎能够达到低时延甚至无时延传输；

（4） 收发设备体积小，携带该设备的潜水装置更加灵活；

（5） 相干性、方向性好，发射端与接收端之间只存在一条通路，这就使得信号的实际窃取十分困难，虽然目前已经有相应的信号窃取理论研究，但是与另外两种相比，要安全的多。

但是，水下光通信也存在一定的缺点和难题：

（1） 传输距离有限，理论是百米级别；

（2） 由于水下溶解物、浮游生物和悬浮颗粒物的存在，光受水的散射和吸收影响严重；

（3） 技术尚未成熟，相关的理论与器件还不够完善，目前真正投入使用的样机也很少。

针对以上缺点及难题 ，各个国家的研究人员都对其进行了一系列的研究工作，Hydromea公司 便是在该领域的翘楚之一，其相关研究人员通过一系列的解决方案不仅对水下光通信技术进行了实时的测试研究，而且已经将水下无线光通信技术推向了商业化。

如图2所示，为 Hydromea 公司设计研发了称为 LUMA 的微型光学WI-Fi（调制解调器）系统 ，可实现50m~100m距离的快速水下无线通信，该系统通过调制器将信号转换为蓝光脉冲，并通过探测器、解调器将接收到的光脉冲转换成目标信号，从而完成一个通信循环。

图2 光学WIFI （LUMA）在水下工作

图源： EPFL

针对水下无线光通信的几个难点及问题， Hydromea也为此提出了一系列的解决方案：

（1）发射端光源

大多数的光波都会被水吸收，其中红色波段和黄色波段的光波仅在几米的范围内就会被完全吸收，且对红外波段的吸收更为敏感，但对于蓝光和绿光来说，其吸收率则大幅度降低，因此为了实现水下长距离的发送和接收数据，Hydromea选择了蓝光作为发射端的光源。

（2）光电探测器

虽然蓝绿光在水中的吸收率较低，但仍会在水中迅速扩散，因此水下无线光通信的另一个难点就是如何确保系统可以在足够长距离内传输数据，为了解决这一问题，Hydromea通过长年的研究开发出一种超灵敏的光电探测器，可以在50~100m的距离内捕获极其微小的光脉冲。

（3）系统可靠性

由于水下条件较为恶劣，因此需要水下无线光通信系统在正常通信的同时还要适应各种恶劣环境，即需要超高的系统可靠性，Hydromea采用双层保护的机制以使LUMA达到所需可靠性，其具体措施为： 首先利用特殊的塑料外壳或钛合金对LUMA器件进行封装，然后利用将器件放到一个完全透明的塑料保护罩中，使其免受水压的影响。并且通过实验证明该器件可以在4280米深的水域中正常工作（设计可承受深度值：6000米）。

图3 水下无线通信LUMA系统实物图

图源： EPFL

除此之外，为了将LUMA更好的推向市场和商业应用， Hydromea与众多部门合作对其系统进行实地的测试与考察， 例如与LéXPLORE共同开发机器人-通信系统，并通过LéXPLORE提供的数据来进一步提高LUMA的性能；与APHYS合作，展示了LUMA从水下数据记录器下载数据的功能。

视频1 LUMA水下工作测试视频

视频源： Hydromea

截止目前来看，随着探索海洋、开发利用海洋的脚步不断加快，各国对水下高速数据传输的需求愈发紧迫，而作为水下通信网络宽带提升及近距离通信的有效手段，基于蓝绿激光的高速水下无线通信将继续成为现在及未来的研究热点。

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