为什么要研究“三超”？

    互联网已有5.75亿台主机，超过20亿用户。美国国会图书馆2012年1月披露Web归档数据量已经达到了285TB（引自LoC）。全世界每天创造2.5 EB字节数据，相当于过去两年就生成了全球90%的数据（引自IBM）（1 EB=10^18 Bytes，1百万TB）。Twitter每天产生的数据量是7 TB；YouTube每天产生7万小时视频；Facebook每天上传3亿张照片，每天超过500TB数据增长。2016年全球IP流量将达每月110 EB字节,全球移动数据流量将达每月10.8EB字节，2016年每3分钟传送360万小时视频，相当于全球已生产的全部电影。据思科估计，2009年全球互联网每月生成161EB的新数据（大小相当于时长约5万年的DVD质量的视频），2012年这一数据达到528EB，并逐年递增。全球90%以上的信息传输（互联网和无线移动通信网等）主要依靠光纤通信完成，随着互联网和电话用户数不断增长，光纤干线网传输带宽需求不断增大，采用新的超高速、超大容量、超长距离（即“三超”）光纤传输技术不断进行干线扩容已是必然。

    什么是“三超”？

    “超高速”是指在光纤线路不变的情况下光纤内单通道（单个波长）传输速率需超越1Gbps、2.5Gbps、10Gbps等现有技术，提升到40Gbps、100Gbps、400Gbps、1Tbps或更高速率，“超大容量”指光纤线路内单通道（单波长）数目需超越目前的16、32、48、96等，扩大到160、320、640或更多，“超长距离”是指光纤线路无电中继传输距离超越目前的500公里、1000公里，延长到2000公里、4000公里或更远。截至2014年6月底，我国光缆线路长度达1883.8万公里，其中长途干线光缆线路长度92万公里，支撑全国12.63亿移动电话用户，1.88亿互联网宽带接入用户，8.72亿移动互联网用户等各类应用。

    为什么是“光纤”？

    与传统电缆通信比较，光纤通信具有如下特点：（1）频带宽、容量大；（2）传输距离长；（3）体积小、重量轻；（4）抗电磁干扰；（5）泄漏小、保密性好；（6）原材料极大丰富；一千克超纯玻璃可制单模光纤几万公里，而一百公里3600路中同轴电缆，约需铜12吨。

    自1960年第一台红宝石激光器问世后，人们便与光纤通信结下了不解之缘。而后1966年，英籍华人高锟博士（获2009年诺贝尔物理学奖）提出利用光纤实现长距离传输的设想，认为可以生产出一种有实用意义的低损耗光纤，在世界各国掀起了一个研究光纤通信的热潮。1976年，美国在亚特兰大进行了世界上第一个实用光纤通信系统的现场试验，系统采用GaAlAs激光器作光源，多模光纤作传输介质，速率为44.7Mb/s，传输距离为10km。武汉邮科院赵梓森（院士）团队1979年研制完成了中国第一根符合国际标准的实用化光纤，1981年研制完成中国第一套光纤传输系统（8M/s，连接武汉三镇），此后的光纤通信在全球和我国飞速发展。

    光纤传输一般指光纤发送方和接收方之间以光信号形态进行的通信。三十多年前出现的光纤通信给世界通信发展带来了革命性的巨大变化，它利用光纤传输携带信息的光波以达到通信目的，也就是通过调制，使光波成为携带信息的载体，在接收端再把信息从光波中检测出来。目前光纤通信在互联网、数据中心和无线移动通信中得到广泛普及和应用，以广东省20万个无线通信基站为例，手机信息进入附近基站后，从基站到各级核心交换机的传输全部由光纤通信完成，地域上有光纤接入网、城域网、省内干线网和国家干线网之分。因互联网和无线移动通信用户数和流量飞速增长，光纤通信按每十年提升一千倍的速度扩容仍不能满足需求。

    “三超”难在何处？

    分析表明，网络扩容已经迫在眉睫。由于光纤传输受非线性、谱效率、色散等科学问题和光芯片、光器件、电器件、工艺水平等限制，大容量、高速度、长距离的光传输研究一直是信息科学研究的重点和难点。为了解决这一难题，武汉邮电科学研究院2010年联合国内四所著名高校（复旦大学、华中科技大学、北京邮电大学和西安电子科技大学）取得国家973项目“超高速超大容量超长距离光传输基础研究”。项目立足于开拓光纤通信发展的新思路，系统科学地研究超高速光传输基础理论，探索超高速光传输系统特有的内在基本规律，以实现光谱利用高效化、传输距离超长化、网络干线高速化、信号管理动态化为目标，创建160×100Gb/s 2000公里超长距离光传输的理论、方法和技术体系，搭建这套系统是最大难点。

    有何进展或突破？

    五年间项目组建立了以百T级、超大容量、超高速2000km光传输为代表的多套系统平台和超高速调制解调算法体系，完成了多个国际领先或国际先进的系统实验，主要包括：

    ——4Gbps 400公里（标准单模光纤）无中继超长跨距实时光传输系统，相当于5万对人同时在一对光纤上通话；

    ——240Gbps实时相干光、正交频分复用48公里（标准单模光纤）光传输系统，相当于300万对人同时在一对光纤上通话；

    ——单光源1Tbps相干光、正交频分复用1040公里传输技术与系统，相当于1250万对人同时在一对光纤上通话。这是2010年已报道的全球最高水平；

    ——1.03Tbps 12160公里（标准单模光纤）光传输系统实验，这是T级传输全球最远距离，相当于1280万对人同时在一对光纤上通话；

    ——单光源3.2Tbps 2087公里（标准单模光纤）实时光传输系统实验，相当于在一对光纤上4000万对人同时通话；

    ——168×100Gbps正交频分复用2240公里（标准单模光纤）光传输系统实验，相当于2.1亿对人同时在一对光纤上通话；

    ——30.7Tbps超大容量80公里（标准单模光纤）光传输系统实验，相当于3.8亿对人同时在一对光纤上通话；

    ——67.44Tbps 超大容量160公里（标准单模光纤）光传输系统实验，相当于8.4亿对人同时在一对光纤上通话；

    ——100Tbps超大容量80公里（标准单模光纤）光传输系统实验，相当于12.1亿对人同时在一对光纤上通话，使我国步入具有百T级实验能力的国家行列。

    项目提出了多种新型高谱效率多维多阶调制格式，采用CAP（无载波幅度和相位）调制方式实现了10Gbps、40Gbps、60Gbps和5x110Gbps传输实验，发表了有国际重要影响（ESI相关领域排名位于世界前0.1%—1%）的学术论文。提出了新型多模环形盲均衡处理算法和多模矩形盲均衡处理算法，高阶调制信号频谱效率突破4bit/s/Hz，发表了有国际重要影响（ESI相关领域排名位于世界前0.1%—1%）的学术论文。项目在高谱效率单载波奈奎斯特调制、正交频分复用调制、多元低密度校验编码、全光傅里叶变换非线性噪声抑制、T比特级光分插复用等方面取得显著成果，在国内外学术期刊上共发表学术论文345篇，其中SCI论文202篇；申请发明专利93项，授权6项。共培养博士生51名，硕士生134名。

    （作者系973项目首席，武汉邮电科学研究院教授级高工）