為什么要研究“三超”？

　　互聯(lián)網(wǎng)已有5.75億臺主機，超過20億用戶。美國國會圖書館2012年1月披露Web歸檔數(shù)據(jù)量已經(jīng)達到了285TB（引自LoC）。全世界每天創(chuàng)造2.5 EB字節(jié)數(shù)據(jù)，相當(dāng)于過去兩年就生成了全球90%的數(shù)據(jù)（引自IBM）（1 EB=10^18 Bytes，1百萬TB）。Twitter每天產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量是7 TB；YouTube每天產(chǎn)生7萬小時視頻；Facebook每天上傳3億張照片，每天超過500TB數(shù)據(jù)增長。2016年全球IP流量將達每月110 EB字節(jié),全球移動數(shù)據(jù)流量將達每月10.8EB字節(jié)，2016年每3分鐘傳送360萬小時視頻，相當(dāng)于全球已生產(chǎn)的全部電影。據(jù)思科估計，2009年全球互聯(lián)網(wǎng)每月生成161EB的新數(shù)據(jù)（大小相當(dāng)于時長約5萬年的DVD質(zhì)量的視頻），2012年這一數(shù)據(jù)達到528EB，并逐年遞增。全球90%以上的信息傳輸（互聯(lián)網(wǎng)和無線移動通信網(wǎng)等）主要依靠光纖通信完成，隨著互聯(lián)網(wǎng)和電話用戶數(shù)不斷增長，光纖干線網(wǎng)傳輸帶寬需求不斷增大，采用新的超高速、超大容量、超長距離（即“三超”）光纖傳輸技術(shù)不斷進行干線擴容已是必然。

　　什么是“三超”？

　　“超高速”是指在光纖線路不變的情況下光纖內(nèi)單通道（單個波長）傳輸速率需超越1Gbps、2.5Gbps、10Gbps等現(xiàn)有技術(shù)，提升到40Gbps、100Gbps、400Gbps、1Tbps或更高速率，“超大容量”指光纖線路內(nèi)單通道（單波長）數(shù)目需超越目前的16、32、48、96等，擴大到160、320、640或更多，“超長距離”是指光纖線路無電中繼傳輸距離超越目前的500公里、1000公里，延長到2000公里、4000公里或更遠。截至2014年6月底，我國光纜線路長度達1883.8萬公里，其中長途干線光纜線路長度92萬公里，支撐全國12.63億移動電話用戶，1.88億互聯(lián)網(wǎng)寬帶接入用戶，8.72億移動互聯(lián)網(wǎng)用戶等各類應(yīng)用。

　　為什么是“光纖”？

　　與傳統(tǒng)電纜通信比較，光纖通信具有如下特點：（1）頻帶寬、容量大；（2）傳輸距離長；（3）體積小、重量輕；（4）抗電磁干擾；（5）泄漏小、保密性好；（6）原材料極大豐富；一千克超純玻璃可制單模光纖幾萬公里，而一百公里3600路中同軸電纜，約需銅12噸。

　　自1960年第一臺紅寶石激光器問世后，人們便與光纖通信結(jié)下了不解之緣。而后1966年，英籍華人高錕博士（獲2009年諾貝爾物理學(xué)獎）提出利用光纖實現(xiàn)長距離傳輸?shù)脑O(shè)想，認(rèn)為可以生產(chǎn)出一種有實用意義的低損耗光纖，在世界各國掀起了一個研究光纖通信的熱潮。1976年，美國在亞特蘭大進行了世界上第一個實用光纖通信系統(tǒng)的現(xiàn)場試驗，系統(tǒng)采用GaAlAs激光器作光源，多模光纖作傳輸介質(zhì)，速率為44.7Mb/s，傳輸距離為10km。武漢郵科院趙梓森（院士）團隊1979年研制完成了中國第一根符合國際標(biāo)準(zhǔn)的實用化光纖，1981年研制完成中國第一套光纖傳輸系統(tǒng)（8M/s，連接武漢三鎮(zhèn)），此后的光纖通信在全球和我國飛速發(fā)展。

　　光纖傳輸一般指光纖發(fā)送方和接收方之間以光信號形態(tài)進行的通信。三十多年前出現(xiàn)的光纖通信給世界通信發(fā)展帶來了革命性的巨大變化，它利用光纖傳輸攜帶信息的光波以達到通信目的，也就是通過調(diào)制，使光波成為攜帶信息的載體，在接收端再把信息從光波中檢測出來。目前光纖通信在互聯(lián)網(wǎng)、數(shù)據(jù)中心和無線移動通信中得到廣泛普及和應(yīng)用，以廣東省20萬個無線通信基站為例，手機信息進入附近基站后，從基站到各級核心交換機的傳輸全部由光纖通信完成，地域上有光纖接入網(wǎng)、城域網(wǎng)、省內(nèi)干線網(wǎng)和國家干線網(wǎng)之分。因互聯(lián)網(wǎng)和無線移動通信用戶數(shù)和流量飛速增長，光纖通信按每十年提升一千倍的速度擴容仍不能滿足需求。

　　“三超”難在何處？

　　分析表明，網(wǎng)絡(luò)擴容已經(jīng)迫在眉睫。由于光纖傳輸受非線性、譜效率、色散等科學(xué)問題和光芯片、光器件、電器件、工藝水平等限制，大容量、高速度、長距離的光傳輸研究一直是信息科學(xué)研究的重點和難點。為了解決這一難題，武漢郵電科學(xué)研究院2010年聯(lián)合國內(nèi)四所著名高校（復(fù)旦大學(xué)、華中科技大學(xué)、北京郵電大學(xué)和西安電子科技大學(xué)）取得國家973項目“超高速超大容量超長距離光傳輸基礎(chǔ)研究”。項目立足于開拓光纖通信發(fā)展的新思路，系統(tǒng)科學(xué)地研究超高速光傳輸基礎(chǔ)理論，探索超高速光傳輸系統(tǒng)特有的內(nèi)在基本規(guī)律，以實現(xiàn)光譜利用高效化、傳輸距離超長化、網(wǎng)絡(luò)干線高速化、信號管理動態(tài)化為目標(biāo)，創(chuàng)建160×100Gb/s 2000公里超長距離光傳輸?shù)睦碚�、方法和技術(shù)體系，搭建這套系統(tǒng)是最大難點。

　　有何進展或突破？

　　五年間項目組建立了以百T級、超大容量、超高速2000km光傳輸為代表的多套系統(tǒng)平臺和超高速調(diào)制解調(diào)算法體系，完成了多個國際領(lǐng)先或國際先進的系統(tǒng)實驗，主要包括：

　　——4Gbps 400公里（標(biāo)準(zhǔn)單模光纖）無中繼超長跨距實時光傳輸系統(tǒng)，相當(dāng)于5萬對人同時在一對光纖上通話；

　　——240Gbps實時相干光、正交頻分復(fù)用48公里（標(biāo)準(zhǔn)單模光纖）光傳輸系統(tǒng)，相當(dāng)于300萬對人同時在一對光纖上通話；

　　——單光源1Tbps相干光、正交頻分復(fù)用1040公里傳輸技術(shù)與系統(tǒng)，相當(dāng)于1250萬對人同時在一對光纖上通話。這是2010年已報道的全球最高水平；

　　——1.03Tbps 12160公里（標(biāo)準(zhǔn)單模光纖）光傳輸系統(tǒng)實驗，這是T級傳輸全球最遠距離，相當(dāng)于1280萬對人同時在一對光纖上通話；

　　——單光源3.2Tbps 2087公里（標(biāo)準(zhǔn)單模光纖）實時光傳輸系統(tǒng)實驗，相當(dāng)于在一對光纖上4000萬對人同時通話；

　　——168×100Gbps正交頻分復(fù)用2240公里（標(biāo)準(zhǔn)單模光纖）光傳輸系統(tǒng)實驗，相當(dāng)于2.1億對人同時在一對光纖上通話；

　　——30.7Tbps超大容量80公里（標(biāo)準(zhǔn)單模光纖）光傳輸系統(tǒng)實驗，相當(dāng)于3.8億對人同時在一對光纖上通話；

　　——67.44Tbps 超大容量160公里（標(biāo)準(zhǔn)單模光纖）光傳輸系統(tǒng)實驗，相當(dāng)于8.4億對人同時在一對光纖上通話；

　　——100Tbps超大容量80公里（標(biāo)準(zhǔn)單模光纖）光傳輸系統(tǒng)實驗，相當(dāng)于12.1億對人同時在一對光纖上通話，使我國步入具有百T級實驗?zāi)芰Φ膰�家行列�?

　　項目提出了多種新型高譜效率多維多階調(diào)制格式，采用CAP（無載波幅度和相位）調(diào)制方式實現(xiàn)了10Gbps、40Gbps、60Gbps和5x110Gbps傳輸實驗，發(fā)表了有國際重要影響（ESI相關(guān)領(lǐng)域排名位于世界前0.1%—1%）的學(xué)術(shù)論文。提出了新型多模環(huán)形盲均衡處理算法和多模矩形盲均衡處理算法，高階調(diào)制信號頻譜效率突破4bit/s/Hz，發(fā)表了有國際重要影響（ESI相關(guān)領(lǐng)域排名位于世界前0.1%—1%）的學(xué)術(shù)論文。項目在高譜效率單載波奈奎斯特調(diào)制、正交頻分復(fù)用調(diào)制、多元低密度校驗編碼、全光傅里葉變換非線性噪聲抑制、T比特級光分插復(fù)用等方面取得顯著成果，在國內(nèi)外學(xué)術(shù)期刊上共發(fā)表學(xué)術(shù)論文345篇，其中SCI論文202篇；申請發(fā)明專利93項，授權(quán)6項。共培養(yǎng)博士生51名，碩士生134名。

　　（作者系973項目首席，武漢郵電科學(xué)研究院教授級高工）
來源：科技日報