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！

中国电信韦乐平：光通信发展的新趋势思考

近日，在“中国电信战新共链行动大会暨第三届科技节”之“面向云网融合的下一代光网络新技术论坛”上，中国电信集团科技委主任韦乐平发表主题演讲。

围绕T比特时代正在开启，IP层和光层融合技术的发展趋势，下一代新型光纤的发展与思考，光接入和驻地网技术的最新发展趋势，光器件的创新是关键，ChatGPT开创人工智能新时代，系统阐述了光通信发展的新趋势思考。

T比特时代正在开启

韦乐平表示，T比特DSP的商用实现了群体性突破，T比特光模块商用化可期，T比特级传输系统现场实验逐步开展，标志着T比特时代正在到来。

DSP方面，Acacia、NEL、Nokia、Infinera、Marvell的1.2Tbps DSP，预计2023年-2024年均可商用，Ciena的1.6Tbps DSP预计2024年可商用。光模块方面，Terabit BiDi MSA联盟同时发布基于100G通道和OM4多模光纤的800G和1.6T的数通产品，Coherent、旭创等发布了相关产品。传输网方面，国内外均有运营商开展了现网试验。

相干光通信的在网位置和适用速率一路下沉，占据80公里/100G速率以上的所有应用场景；主导40公里/400G速率，10公里/800G速率，2公里/1.6T速率场景；低功率相干光已迈向10公里/100G速率和40公里/100G速率场景。

相干光通信的技术进展包括DSP突破，集成化进展，低成本措施，新材料出现（如薄膜铌酸锂），封装架构创新（如光电共封）等。

目前，相干光通信已经成功应用于海缆、长途网、城域网、DCI，正渗透网络边缘、汇聚、5G回传、企事业网，试图突破5G前传、DCN、VHSP。

对于干线400G的主流方案，传输距离比容量更重要，因此QPSK（C6T）、QPSK（C6T+L6T）更适用干线网，对于16QAM-PS（C6T+L6T）更适用于区域网。

对于基于QPSK的80波400G干线系统的技术进展，400G相干光模块方面，分立C6T和L6T激光器可用；低噪声光纤放大器，分立C6T和L6T可用，长波长NF需改进；波长交换WSS，分立C6T和L6T均可用，C6T+L6T集成2024年可用；光系统，解决SRS，维系波道功率动态均衡，基本可行。

商用进展方面，韦乐平介绍，中国电信目前干线最大链路截面容量121T，用400G扩容可以节约15%—20%的宝贵光纤资源和大量转发器，100G资源2026年起逐步达到使用寿命。目前来看，2024年将实现试商用和商用，2025年实现规模商用，2026年大规模商用。

IP层和光层物理融合突破障碍

韦乐平介绍，IP层和光层融合的好处在于，消除了大量背靠背灰光和独立转发器，降低了功耗、尺寸、成本。统一了IP层和光层的管控和监视，实现了光层开放。具备了跨层全局视野，可望更有效地利用两层资源，规避无效恢复和冲突。简化了网络架构，易于维护，更快适应外部变化。

IP层和光层物理融合的障碍在于，目前路由器和光线路系统的对接靠后者的大量独立光转发器实现，随着速率的持续提高，这种分离方式的成本也越来越高。十几年前的集成努力由于DSP和光模块尺寸太大，导致牺牲路由器面板的端口容量，得不偿失，运营商不得不继续沿用分离的老办法。

随着硅、硅光和DSP技术的进展，目前能将DSP和硅光模块嵌入路由器标准端口（OSFP-DD），形成适用路由器和光线路系统的400G通用DCO光模块，实现尺寸、功耗、性能、成本和互操作突破。适用于多种网络边缘接入技术（企业应用、5G回传和中传、OLT、CMTS等）的低成本100ZR通用光模块（QSFP28）也即将推出。

韦乐平表示，目前IP层和光层融合技术主要应用于城域网，干线场景还有待突破。目前的主要挑战是多厂家环境跨层控制的标准化、互操作、利益格局的影响。另外，运营商面临自主开发私有管控规范的自研能力、时效、运维的挑战。

G.654E将是未来干线主用光纤

韦乐平表示，G.654E光纤将成为未来干线网的主用光纤。测试数据表明，对于速率将升级为400G的干线，G.654光纤可望提升距离60%—80%。

对于单纤空分复用，多芯光纤在兼容现有125μm包层前提下，仅能容纳3-4芯，扩容3-4倍，但包括制造工艺、检测、维护等产业链几乎需要重新设计和产业化。少模光纤靠大芯径容纳3—5个低阶模，制造容易，但面临高阶模高衰减、长距离传输模式耦合干扰以及复用/去复用器挑战。

另外，高密度大芯数光缆（多轨系统，一缆多纤）最简单易行，扩容潜力最大，但需要集成化系统的配合。

值得一提的是，韦乐平还看好空心光纤（HCF）。空芯光纤HCF）绝大部分信号功率走空气通道，时延低33%；非线性至少低3-4倍，入纤功率高，传输距离长，容量大，可望突破非线性香农容量极限。

同时，空心光纤潜在光纤损耗可望低于0.1dB/km、谱宽大（约40THz窗口，远大于常规光纤）、模场直径大（约20μm，高达40μm时仍无明显弯曲损耗增加）。

不过空芯光纤也面临着多项成本、多项标准化、仍涉及产业链重新设计和产业化等挑战。

对于空心光纤的应用场景，韦乐平介绍在特定低时延应用（超算、DCI、海缆等场景），以及非通信应用（传感、高功率传递、特殊光源）等都有广阔的应用空间。

FTTR-H目标1亿中高端家庭

光接入和驻地网的新发展趋势方面，接入带宽持续提升，目前全国宽带端口11.18亿，光宽占96.3%，千兆端口数达2144万，下一步50G PON，短期用于政企客户2B应用，长远冲击100G/200G PON。

在政策支持，竞争驱动，以及技术和生态基本成熟的驱动下，FTTR发展迅猛。韦乐平表示，初期将聚焦FTTR-H，也就是家庭场景，预计今年FTTR-H的用户超过1000万，长远目标是1亿中高端家庭，约500亿元市场规模。

目前FTTR还存在一些挑战，FTTR-H方面主从设备希望解耦，新业务应用不足；FTTR-B还有待培育。

网络的未来寄希望于光芯片创新

目前，全球运营商都面临着量收剪刀差的局面。韦乐平指出，降低量收剪刀差的关键是大幅降低网络成本，光通信成为降价最慢的领域，其中光器件是瓶颈的瓶颈，光芯片更是瓶颈的立方。原因在于，摩尔定律不适用以手工为主的光通信技术。

传输系统方面，一个80波400G QPSK码型的C6T+L6T波段的光传输系统，光器件成本大约占81%（含oDSP），800G和1.6T只会更高。

核心路由器方面，400G核心路由器，光器件成本占15%，随着容量提升，背板芯片互连、板卡互连都将光化，光域分量将继续增加。

光接入方面，随着技术进步和大规模集采，10G PON光模块成本占比下降至35%。未来50G PON、WDM-PON光模块成本占比会更高。

交换机方面，数据中心交换机的光模块成本增速很快，在400Gb/s速率，交换机的光模块成本已经超过交换机本身，高达50%。

光系统对于光器件的总体要求是：高速率、高集成、低功耗、低成本。韦乐平认为，光子集成（PIC）是主要突破方向，其中磷化铟（InP）是唯一的大规模单片集成技术，硅光（SiP）是最具潜力的突破方向，可以将电域的CMOS的投资、设施、经验和技术用在光域。

另外，基于硅光的光电共封（CPO）是进一步降低功耗、提升能效、提高速率，适应AI大模型算力基础设施发展的关键器件之一。

韦乐平总结道，网络的未来寄希望于光器件，特别是光芯片的技术创新。

ChatGPT近中期主要影响DCN

今年人工智能领域最火热的话题就是ChatGPT。这一类AIGC大模型训练可能需要在DC内为每个训练POD单独构建高速数据交换网平面。

目前来看主要的技术要求包括高带宽和低延迟/零丢包。高带宽方面，服务器内GPU间总线带宽达T比特级，服务器对外仅能提供200G×8的接入能力，是AI集群性能的瓶颈；服务器间组网，国外多采用IB，性能好，但技术封闭，国内倾向用无损以太网RoCE。

低延迟/零丢包方面，IB时延仅1us，而无损以太网RoCE在5到10us水平，尚需努力。此外，丢包对传输效率影响很大，需要近零丢包性能。

韦乐平表示，随着多模态视频到来，带宽将有数量级增长，届时对DCN和DCI的影响需重估，甚至跨群跨云的并行训练必将到来。

在韦乐平看来，近中期ChatGPT主要影响DCN，对DCI和电信网的影响不大，中长期光交换将是解决集群和跨群跨云训练性能和功耗的归宿。

另外在数据中心领域有两个讨论比较多创新技术，包括光电共封装CPO和线性直驱LPO，目前的争论也很多。

CPO技术的驱动力是随着传输速率提升，信号在铜箔电路板的传输损耗快速增加，唯有去掉铜线，才能维系速率的持续提升和功耗的大幅降低。不过，目前技术尚不成熟，良率不高，维护不方便，标准滞后，实际将复杂性转移至交换芯片，但其潜力大，最适合200Gb/s SerDes速率以上应用场景，是实现未来高速、高密度、低功耗光互连场景的中长期解决方案。

LPO的驱动力在于去掉光模块DSP芯片（大约占400G光模块的一半）可大幅降低功耗，将DSP功能集成到电交换芯片中，依然保持可热插拔模块的形态。可以在继续利用成熟光模块供应链前提下实现低功耗、低时延目的，但面临更高速率、更长距离传输的巨大挑战，当前的100Gb/s SerDes速率应用是近中期方案。

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