一文看懂光通信的發(fā)展趨勢

最近這幾年，光通信在AI浪潮的帶動下，獲得了爆炸式的發(fā)展。

以CPO/NPO/LPO為代表的新型光互連架構(gòu)，以及以空芯光纖、多芯光纖為代表的新型光纖介質(zhì)，都是行業(yè)關(guān)注的焦點。

光通信的新興概念術(shù)語很多，很多讀者都覺得云里霧里。今天這篇文章，小棗君就站在技術(shù)演進的底層邏輯，幫大家理清脈絡(luò)、抓住主線。

█光通信發(fā)展的核心目標

光通信本質(zhì)是通信技術(shù)，目的是傳輸數(shù)據(jù)。

所以，光通信的主要發(fā)展目標，是提升傳輸容量、降低傳輸時延、延長傳輸距離。與此同時，要盡可能降低功耗和成本，這樣才能加速商業(yè)化。

更簡單來說，就是：速度要越來越快，同時要盡可能省電。

█提升傳輸容量

先看最最主要的目標，提升傳輸容量。

大家都知道，光纖的本質(zhì)就是一根玻璃絲。發(fā)送端，有一個光模塊，通過激光器發(fā)出光，然后通過調(diào)制器，讓光承載海量的數(shù)據(jù)信息，最后送到光纖里。

光到達對端，也有一個光模塊，通過光探測器，解讀光里面的信息，然后做一些信號處理修復，送往下一段。

想要提升光纖通信的傳輸容量，大概就兩個方向：

方向一、提升單個通道的傳輸能力。

方向二、提升通道的數(shù)量。

這個通道，就是光波通道，也就是波道。

方向一，又分為兩個子方向：

1、提升信號的波特率，即提升單位時間內(nèi)傳送的碼元符號的個數(shù)。

每秒傳輸?shù)姆栐蕉啵斎恍畔⒘烤驮酱蟆?/p>

我們可以通俗理解為增加光信號“眨眼”的頻率——每秒能閃多少次，每次閃爍代表一個符號。提高波特率，相當于讓光信號“眨得更快”，從而在單位時間內(nèi)塞進更多數(shù)據(jù)。

目前，行業(yè)光學器件的波特率已經(jīng)達到120+ Gbaud。再想提升，難度極大。這主要受限于激光器線寬、調(diào)制器帶寬、模數(shù)轉(zhuǎn)換精度以及光纖非線性效應(yīng)等物理瓶頸。

2、增加單波長承載的比特數(shù)，即提升調(diào)制階數(shù)。

讓每個符號表達的信息量增加。例如從QPSK升級到16QAM、64QAM，甚至更高階格式。在相同波特率下，可以成倍提升頻譜效率。

但調(diào)制階數(shù)越高，對信噪比（SNR）要求越苛刻，傳輸距離會顯著縮短。同時，高階調(diào)制對激光器線寬、偏振態(tài)穩(wěn)定性和數(shù)字信號處理（DSP）算法的精度也提出極大挑戰(zhàn)。

這相當于遠距離看數(shù)字0和1，或者看數(shù)字0/1/2/3。雖然單個符號所攜帶的信息量越大，但對空氣能見度要求更高，或者對視力的要求更高。

現(xiàn)在行業(yè)也有提出PAM6和PAM8，也是高階調(diào)制，難度大，成本高。

上面介紹的單通道提速方法，類似于汽車運輸場景中，增加發(fā)車頻次、讓每輛車裝載更多貨物。

這個方向的背后，其實就是光器件的技術(shù)和工藝不斷升級，但已經(jīng)逼近極限了，難度也越來越高，成本與功耗的邊際效益急劇下降。

方向二，增加通道數(shù)量。也可以分為兩個子方向。

首先，是物理上，要么搞多根光纖綁在一起（不太合適，太粗了，工程上也別扭），要么在一根光纖里搞多根纖芯（多芯光纖）。這個類似于修路。一條路不夠，就多修幾條（空分復用）。

其次，是在同一個纖芯里，塞入多個光波。背后，就是波分復用技術(shù)，還有多模技術(shù)（多模光纖、少模單芯光纖）。這個類似于在一條路基上，劃分多個車道。

波分復用的話，就要看可以用的頻段大不大。換言之，這些光波不能用一個頻率，不然就互相干擾了。所以，就需要拓展可用的光譜帶寬，即向更寬波段演進。

這個很好理解，就像增加高速公路的車道數(shù)。道路（頻率寬度）越寬，可以劃分的車道（波道）就越多，傳輸容量就增加了。

這些年，行業(yè)里經(jīng)常說的C++波段、C+L波段、C+L+S波段，就是這個意思。即在傳統(tǒng)C波段基礎(chǔ)上，向長波方向拓展至L波段，甚至進一步探索S波段與U波段，以最大化利用光纖的低損耗窗口。（

值得注意的是，波段拓展并不是想象中那么簡單。不同波段的放大器增益譜不一致，需協(xié)同優(yōu)化摻鉺光纖放大器（EDFA）與拉曼放大技術(shù)。尤其在跨段長距離系統(tǒng)中，還需解決色散斜率差異、偏振模色散累積及非線性串擾加劇等新問題。

█降低傳輸時延

這個目標，其實不是那么特別關(guān)鍵。因為光通信，速度就是光傳播的速率，已經(jīng)非常快了，比電信號要快得多。要比光更快，幾乎不可能——真空光速是宇宙速度上限。

但是，光在不同介質(zhì)中的傳輸速率，是不一樣的。所以，現(xiàn)在有了空芯光纖，讓光在空氣或真空中傳輸，可以獲得更低的時延，主要用于金融證券等領(lǐng)域。

想要再打時延的主意，就只能從系統(tǒng)架構(gòu)層面入手。例如，降低設(shè)備處理時延，還有盡量減少光信號在設(shè)備內(nèi)部的轉(zhuǎn)發(fā)跳數(shù)，再就有盡量減少光信號的光電轉(zhuǎn)換次數(shù)。一旦有處理，就會額外增加時延。

業(yè)界推出的全光交叉（OXC）技術(shù)，還有OCS，OIO什么的，也是這么個邏輯。待會還會再提到。

█延長傳輸距離

理論上，光通信的傳輸距離是無限的。至少覆蓋地球是沒有任何問題。

現(xiàn)在海洋里有很多的長途光纜，幾千上萬公里，都工作得好好的。

光纖有正常的衰減、色散累積與非線性效應(yīng)，但通過現(xiàn)有技術(shù)（低損耗光纖等）都比較容易克服。

現(xiàn)在強調(diào)的長距離，是建立在高速率的前提下。就是如何保證高速率下的長距離，且最好是無中繼。換言之，拋開速率談距離，就是耍流氓。

例如，400G\800G\1.6T高速光通信，此前是用在機柜內(nèi)通信。然后要擴展到機柜間，現(xiàn)在要進一步擴展到數(shù)據(jù)中心與數(shù)據(jù)中心之間。國家骨干網(wǎng)，未來也要用上。這個，就對光通信技術(shù)提出了更嚴苛的挑戰(zhàn)。

前面提到的提速方法，例如高階調(diào)制，就需要考慮其在長距離傳輸中的功率效率與信噪比容限。像64QAM這種，雖提升頻譜效率，但其對信噪比要求極高，長距離傳輸時需配合更強的前向糾錯（FEC）與更優(yōu)的光放大策略。

所以，提升傳輸距離這個目標，本質(zhì)上還是提升傳輸容量問題。尋找容量和距離之間的平衡。

相干光通信（，就是一個典型案例。通過調(diào)制解調(diào)方式的創(chuàng)新，實現(xiàn)更長距離的傳輸。

█降低功耗和成本

這是一個邏輯，我就放在一起說了吧。

光通信屬于傳輸技術(shù)。對于傳輸這個大領(lǐng)域來說，最大的功耗，來自電通信。所以，想辦法讓光通信替代電通信，就是降功耗最有力的手段。

現(xiàn)在，端到端的通信鏈條中，絕大部分已經(jīng)實現(xiàn)了光信號。但是，光模塊和交換芯片之間，仍然是電信號。這是CPO/NPO/LPO/XPO技術(shù)的發(fā)展背景。

這些xPO技術(shù)，核心目的就一個，降低光電器件間的電互連距離，從而減少信號驅(qū)動功耗、提升能效比。

簡單來說，最終目標，是芯片也變成光計算芯片，徹底無電。但這個目標太難，所以，退而求其次，讓電計算芯片，直接自帶光接口，實現(xiàn)光電共封裝（CPO）。現(xiàn)在業(yè)界常說的OIO，也就是Optical I/O，就是這個邏輯。

這些xPO技術(shù)，是因為傳統(tǒng)的光電互聯(lián)結(jié)構(gòu)中，電這一部分，嚴重阻礙了速率提升（會帶來極大的功耗，也會進而帶來極大的成本）。所以，要發(fā)展硅光和光電共封裝，以突破電信號的物理瓶頸。

CPO和NPO，可以看這里：

LPO和XPO，都是過渡技術(shù)。小棗君之前都詳細介紹過。

LPO可以看這里：

XPO，可以看這里：

簡單來說，LPO的目的，是希望保留可插拔的光模塊。CPO如果壞了，整個板子要換。LPO，可以單獨更換光模塊，降低運維成本與備件復雜度。XPO也是過渡，犧牲了功耗，但可以勉強實現(xiàn)暫時的“大容量+可插拔”。

█結(jié)語

以上，就是光通信技術(shù)的整體發(fā)展思路。

AI對通信技術(shù)的“壓榨”，主要就體現(xiàn)在光通信上。只有光，才能夠滿足AI不斷膨脹的速率容量以及時延需求。

整個光通信產(chǎn)業(yè)，已經(jīng)快被逼瘋了。幾乎所有的器件和工藝，都在逼近物理極限。這意味著，越來越接近性能和成本的邊際效應(yīng)。

但是沒辦法，有需求，就意味著有money。有錢能使鬼推磨，現(xiàn)在我們看到整個光通信產(chǎn)業(yè)都非常繁榮，股價大漲，融資踴躍，人才搶手，產(chǎn)線滿負荷運轉(zhuǎn)。這也許就是一種“痛，并快樂著”。移動通信想沾這個邊，都沾不上，只能眼紅。

在最終的未來，要么就是光計算成熟，徹底取代電計算，然后實現(xiàn)端到端的全光。要么，就是出現(xiàn)新的技術(shù)，取代光。反正在可預見的未來十年內(nèi)，光通信仍然將以本文所說的方式持續(xù)演進。

這個產(chǎn)業(yè)到底還能繁榮多久，物理極限是否會被打破，讓我們拭目以待吧。

文章轉(zhuǎn)載自“鮮棗課堂”公眾號