光通信技术演进全解析：CPO、多芯光纤与高速调制趋势

近几年来，伴随AI技术的爆发式增长，光通信迎来了前所未有的繁荣。以CPO/NPO/LPO为代表的新型光互连架构，加上以空芯光纤、多芯光纤为代表的新型光纤介质，都成为行业密切关注的焦点。光通信的新兴概念、术语层出不穷，常让人感觉云里雾里。今天这篇文章，我们将从技术演进的底层逻辑出发，帮大家理清脉络，抓住发展的主线。

光通信发展的核心目标

光通信本质是通信技术，目的就是传输数据。因此，它的主要发展目标可以归结为：提升传输容量、降低传输时延、延长传输距离。与此同时，还要尽可能降低功耗和成本，这样才能加速商业化落地。更直白地说，就是：速度要越来越快，同时要尽可能省电。

提升传输容量

先看最核心的目标——提升传输容量。

大家都知道，光纤的本质就是一根玻璃丝。发送端有一个光模块，通过激光器发出光，再经过调制器让光承载海量的数据信息，最后送入光纤。光到达对端后，另一个光模块利用光探测器解读光里的信息，再进行一些信号处理修复，然后送往下一段。

想要提升光纤通信的传输容量，大致可以走两个方向：

方向一、提升单个通道的传输能力。
方向二、提升通道的数量。

这里的通道，指的是光波通道，也就是波道。

方向一又分为两个子方向：

1. 提升信号的波特率，即提升单位时间内传送的码元符号个数。每秒传输的符号越多，信息量自然就越大。我们可以通俗地理解为增加光信号“眨眼”的频率——每秒能闪多少次，每次闪烁代表一个符号。提高波特率，相当于让光信号“眨得更快”，从而在单位时间内塞进更多数据。目前，行业光学器件的波特率已经达到120+ Gbaud。再想提升，难度极大，这主要受限于激光器线宽、调制器带宽、模数转换精度以及光纤非线性效应等物理瓶颈。

2. 增加单波长承载的比特数，即提升调制阶数。让每个符号表达的信息量增加，例如从QPSK升级到16QAM、64QAM，甚至更高阶格式。在相同波特率下，这样可以成倍提升频谱效率。

但调制阶数越高，对信噪比（SNR）的要求就越苛刻，传输距离会显著缩短。同时，高阶调制对激光器线宽、偏振态稳定性和数字信号处理（DSP）算法的精度也提出极大挑战。这就好比远距离看数字0和1，还是看数字0/1/2/3——虽然单个符号携带的信息量更大了，但对空气能见度或视力的要求也更高。现在行业也有提出PAM6和PAM8，同样是高阶调制，难度大，成本也高。

上面这种单通道提速的方法，类似于汽车运输场景中增加发车频次，或者让每辆车装载更多货物。其背后其实是光器件的技术和工艺不断升级，但如今已经逼近极限，继续提升的难度越来越高，成本与功耗的边际效益急剧下降。

方向二，增加通道数量，同样可分为两个子方向。

首先，在物理层面，要么把多根光纤绑在一起（这显然不太合适，太粗了，工程上也别扭），要么在一根光纤里塞进多根纤芯（多芯光纤）。这就好比修路，一条路不够，就多修几条（空分复用）。其次，是在同一个纤芯里，塞入多个光波。背后的关键技术就是波分复用，还有多模技术（多模光纤、少模单芯光纤）。这类似于在一条路基上划分多个车道。

波分复用要想发挥威力，就要看可用频段有多大。换言之，这些光波不能使用同一个频率，否则就会互相干扰。因此，就需要拓展可用的光谱带宽，即向更宽的波段演进。这个道理很好理解，就像增加高速公路的车道数：道路（频率宽度）越宽，能划分的车道（波道）就越多，传输容量自然就增加了。

这些年，行业里经常提到的C++波段、C+L波段、C+L+S波段，就是这个意思。即在传统C波段基础上，向长波方向拓展至L波段，甚至进一步探索S波段与U波段，以最大化利用光纤的低损耗窗口。（光通信到底有哪些波段？）

值得注意的是，波段拓展并不是想象中那么简单。不同波段的放大器增益谱并不一致，需要协同优化掺铒光纤放大器（EDFA）与拉曼放大技术。尤其在跨段长距离系统中，还得解决色散斜率差异、偏振模色散累积以及非线性串扰加剧等新问题。

降低传输时延

这个目标其实不算特别关键。因为光通信的速度就是光传播的速率，已经非常快了，比电信号要快得多。要想比光更快，几乎不可能——真空光速可是宇宙速度的上限。不过，光在不同介质中的传输速率并不一样。所以现在有了空芯光纤，让光在空气或真空中传输，能进一步降低时延，这主要用于金融证券等对时延极度敏感的领域。

如果还想从时延上做文章，就只能从系统架构层面入手了。比如，降低设备处理时延，尽量缩减光信号在设备内部的转发跳数，以及减少光信号的光电转换次数。只要一有处理，就会额外增加时延。业界推出的全光交叉（OXC）技术，还有OCS、OIO等，都遵循着这样的逻辑，后文还会提到。

延长传输距离

理论上，光通信的传输距离是无限的，至少覆盖地球没有任何问题。现在海洋里躺着成千上万公里的长途光缆，都工作得好好的。光纤存在正常的衰减、色散累积与非线性效应，但通过现有技术（比如低损耗光纤）都比较容易克服。

现在所强调的长距离，是建立在高速率的前提下的——如何保证高速率下的长距离，而且最好是无中继。换言之，抛开速率谈距离，就是耍流氓。例如，400G/800G/1.6T高速光通信，此前是用在机柜内通信，后来扩展到机柜间，现在要进一步扩展到数据中心与数据中心之间，未来国家骨干网也要用上。这对光通信技术提出了更严苛的挑战。

前面提到的提速方法，比如高阶调制，就需要重点考虑其在长距离传输中的功率效率与信噪比容限。像64QAM，虽然能提升频谱效率，但对信噪比要求极高，长距离传输时非得配合更强的前向纠错（FEC）与更优的光放大策略不可。所以，提升传输距离这个目标，本质上还是提升传输容量的问题，需要在容量和距离之间寻找平衡。相干光通信（到底什么是相干光通信？）就是一个典型案例，通过调制解调方式的创新，实现了更远距离的传输。

降低功耗和成本

这两个目标背后的逻辑相似，我就放在一起说了。

光通信属于传输技术。对于整个传输领域来说，最大的功耗其实来自电通信。所以，想办法让光通信替代电通信，就是降功耗最有力的手段。目前，端到端的通信链条中，绝大部分已经实现了光信号，但光模块和交换芯片之间，仍然跑的是电信号。这正是CPO/NPO/LPO/XPO技术的发展背景。这些xPO技术的核心目的只有一个：降低光电器件间的电互连距离，从而减少信号驱动功耗、提升能效比。

简单来说，最终目标是芯片也变成光计算芯片，彻底无电。但这个目标太难了，于是退而求其次，让电计算芯片直接自带光接口，实现光电共封装（CPO）。现在业界常说的OIO（Optical I/O），也是这个思路。这些xPO技术的出现，正是因为传统光电互联结构中，电这一部分严重阻碍了速率提升（会带来极大的功耗，进而带来极大的成本）。所以，要发展硅光和光电共封装，以突破电信号的物理瓶颈。

CPO和NPO的详情，可以看这里：到底什么是NPO/CPO？

LPO和XPO则都属于过渡技术。此前我们已经详细介绍过。LPO可以看这里：到底什么是LPO？

XPO可以看这里：最近特别火的XPO，到底是个啥？

简单来说，LPO的目的是希望保留可插拔的光模块。CPO如果坏了，整个板子都得换，而LPO可以单独更换光模块，从而降低运维成本与备件复杂度。XPO同样是过渡方案，牺牲了一些功耗，但能暂时实现“大容量+可插拔”的折衷目标。

结语

以上，就是光通信技术的整体发展思路。

AI对通信技术的“压榨”，主要体现在光通信上。只有光，才能够满足AI不断膨胀的速率、容量以及时延需求。整个光通信产业，已经快被逼疯了——几乎所有的器件和工艺，都在逼近物理极限。这意味着，越来越接近性能和成本的边际效应。但没办法，有需求就意味着有资金。有钱能使鬼推磨，如今我们看到整个光通信产业都非常繁荣：股价大涨，融资踊跃，人才抢手，产线满负荷运转。这也许就是一种“痛，并快乐着”的状态。移动通信想沾这个边都沾不上，只能眼红。

在最终的未来，要么是光计算成熟，彻底取代电计算，实现端到端的全光；要么，就是出现新的技术，取代光。反正可预见的未来十年内，光通信仍将以本文所讲的方式持续演进。这个产业到底还能繁荣多久，物理极限是否会被打破，让我们拭目以待。

——本文观点仅供探讨，也欢迎访问云栈社区开发者广场，一起聊聊光通信的未来。