信通院吳冰冰：光纖傳感是實現(xiàn)通感算一體化光網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)與關(guān)鍵

9月7日消息（水易）第24屆中國國際光電博覽會（CIOE）如期召開，在同期舉辦的“光電子芯片設(shè)計及制造、封裝技術(shù)論壇”上，中國信息通信研究院主任工程師吳冰冰解讀了《面向通感算一體化的光傳感技術(shù)及關(guān)鍵器件白皮書》。

吳冰冰介紹，5G/5G-A催生新應(yīng)用不斷涌現(xiàn)，未來6G將提供更加豐富的業(yè)務(wù)體驗，僅具備通信屬性的承載網(wǎng)絡(luò)無法滿足應(yīng)用需求，通信、感知與計算等多系統(tǒng)的深度融合成為技術(shù)發(fā)展新趨勢。

光纖同時具備信息傳輸與傳感功能，光通信網(wǎng)絡(luò)也是算力基礎(chǔ)設(shè)施承載底座，可形成大帶寬低時延通信、實時狀態(tài)感知、按需調(diào)度算力的通感算一體化高效協(xié)同、互惠增強的光網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)體系。其中，光纖傳感作為感知層核心技術(shù)，是實現(xiàn)通感算一體化光網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)與關(guān)鍵，逐步成為業(yè)界關(guān)注的焦點。

光纖傳感賦能通感算一體化

光纖傳感技術(shù)方案根據(jù)基本原理可分為基于光纖散射、偏振態(tài)監(jiān)控、光學(xué)干涉、光纖陣列光柵等類型。基于不同原理的光纖傳感技術(shù)方案，以及各種光學(xué)參量（如相位、強度、偏振、透/反射譜等）對特定物理和環(huán)境參量進行傳感，并呈現(xiàn)出特異性的技術(shù)特點和適用范圍。

目前典型應(yīng)用場景為分布式感知，匹配通感算一體化光網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)體系，可實現(xiàn)對各種物理和環(huán)境參數(shù)的高分辨率、高靈敏度實時感知監(jiān)測?？蓱?yīng)用于包括光纜運營管理、油氣管網(wǎng)監(jiān)測、電力線路監(jiān)測、地質(zhì)環(huán)境和火災(zāi)監(jiān)測預(yù)警、周界安防、海纜監(jiān)測預(yù)警等場景。

吳冰冰表示，隨著光纖傳感與通信、計算的交叉融合，在超長距離傳感、傳感與通信信號串?dāng)_、事件模式識別算法、組網(wǎng)技術(shù)方案等方面呈現(xiàn)出新的技術(shù)難點與應(yīng)用研究熱點，業(yè)界正在積極探索相關(guān)解決方案。

超長距離傳感方面，通信光纜、輸電線路、石油管道等動輒上百公里，延長傳感距離是光纖傳感可以廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵之一。常用解決方案為光信號放大，包括基于拉曼光纖放大器（RFA）和遠程泵浦放大器（ROPA）等技術(shù)。

傳感與通信信號串?dāng)_方面，通感一體化既可利用未承載業(yè)務(wù)的“暗光纖”進行傳感，也可在同一光纖中進行通信與傳感信號的共傳，傳感系統(tǒng)通常采用高功率光脈沖，因非線性效應(yīng)影響，共纖傳輸時會對通信信號產(chǎn)生干擾，導(dǎo)致誤碼率增加。通過降低峰值功率或波長串?dāng)_以及啁啾脈沖技術(shù)來解決。

事件模式識別算法方面，事件類型的歸類與判定需求逐步細化，對事件識別的準確率、類型精細程度、事件識別通用性等提出挑戰(zhàn)。需要高效算法支撐，根據(jù)是否需要人工提取信號特征，當(dāng)前的主流方式分為傳統(tǒng)機器學(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí)兩類，均已取得良好效果，深度學(xué)習(xí)平均識別率可達95%以上。

協(xié)同組網(wǎng)方面，組網(wǎng)方案的有效設(shè)計是保證網(wǎng)絡(luò)中傳感和通信信號融合傳輸，以及協(xié)同數(shù)字信號處理或算力資源來增強傳感性能的關(guān)鍵基礎(chǔ)。業(yè)界已經(jīng)提出包括基于波分復(fù)用的架構(gòu)組網(wǎng)、基于PON的架構(gòu)組網(wǎng)等方案，還需綜合兼顧系統(tǒng)代價、鏈路預(yù)算等多方因素，另外在統(tǒng)一管控層面也需進行設(shè)計。

關(guān)鍵光電器件產(chǎn)品較為成熟

吳冰冰介紹，光纖傳感用關(guān)鍵光電器件主要包括：激光器、調(diào)制器、探測器、光纖放大器、光纖濾波器、特種光纖等。

激光器作為激光光源、相干檢測中的混頻參考源、或用于系統(tǒng)內(nèi)器件及光路的泵浦光，形成受激散射或光放大。調(diào)制器將激光器發(fā)射的連續(xù)光調(diào)制為脈沖光，用于分布式測量。

探測器用于將光信號轉(zhuǎn)換為電信號，便于后續(xù)的信號處理或系統(tǒng)反饋，影響光傳感系統(tǒng)的響應(yīng)度、空間分辨率等特性。

光放大器用于放大經(jīng)過調(diào)制的光脈沖，并保持線寬、偏振、波形等參數(shù)。光纖濾波器用于選擇性地傳遞或抑制某些波長區(qū)域的光信號。特種光纖主要是根據(jù)不同的功能特定開發(fā)的光纖類型，特異性較強。

據(jù)了解，光纖傳感用光電器件產(chǎn)品發(fā)展較為成熟，國際廠商眾多、具備批量化生產(chǎn)能力。國內(nèi)廠商大部分光電器件產(chǎn)品具備批量化生產(chǎn)能力，窄線寬激光器、寬帶可調(diào)諧激光器、光電調(diào)制器、可調(diào)諧濾波器、擾偏模塊等少數(shù)產(chǎn)品具備小批量生產(chǎn)能力。

另外在光纖傳感設(shè)備產(chǎn)品方面，主要集中在傳統(tǒng)OTDR、DTSS/BOTDR、DAS/DVS、DTS和OFDR領(lǐng)域，國內(nèi)外水平相當(dāng)，基本具備批量/小批量產(chǎn)品化能力；COTDR、POTDR、BOTDA、BOCDA商用化程度略低，國內(nèi)外產(chǎn)品化水平存在差距；SOP處于研發(fā)階段。

最后，吳冰冰表示，通信、感知和計算多系統(tǒng)深度融合成為技術(shù)發(fā)展新趨勢，助力信息基礎(chǔ)設(shè)施向智能化、數(shù)字化邁進，通感算一體化光網(wǎng)絡(luò)目前已進入熱點探索階段。光纖傳感技術(shù)是實現(xiàn)通感算一體化光網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)與關(guān)鍵，為有效解決存在的問題和挑戰(zhàn)，業(yè)界各方需從關(guān)鍵技術(shù)研究、核心器件攻關(guān)、標準體系建設(shè)、多領(lǐng)域融合、海量數(shù)據(jù)安全等方面協(xié)同推進。

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