400G光傳輸技術(shù)的進(jìn)展

作者：李允博 張德朝 李晗 葛大偉 左銘青 王東

單位：中國移動(dòng)通信集團(tuán)有限公司研究院

當(dāng)前運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)面臨著網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)型、帶寬提升等方面的挑戰(zhàn)，因此，提升光傳輸系統(tǒng)單波速率與傳輸距離、提高光纖通信系統(tǒng)帶寬利用率，以滿足不斷增長的網(wǎng)絡(luò)流量需求，成為運(yùn)營商和設(shè)備商共同的追求。

目前業(yè)界在三大維度上協(xié)同提升，加速骨干光網(wǎng)向80×400G代際演進(jìn)。

01速率提升

骨干網(wǎng)從10G向100G再向200G演進(jìn)，距離基本不變，容量持續(xù)倍增。當(dāng)下在路由器端口提速的背景下已進(jìn)入400G端口時(shí)代，且國內(nèi)外運(yùn)營商均展開測(cè)試驗(yàn)證，2023年將迎來骨干400G OTN的應(yīng)用。

02容量提升

骨干光網(wǎng)提速到200G時(shí)占75GHz譜寬，當(dāng)發(fā)展到400G QPSK（正交相移鍵控）時(shí)將占150GHz譜寬，400G相比200G的頻譜效率并未提升，打破了原來10G到100G頻譜不變而容量提升10倍的規(guī)律；受香農(nóng)極限影響，提升整體光纖傳輸容量需要開辟新的路徑。

當(dāng)前最切實(shí)的方案是C+L波段頻譜拓展，主要包括：C6T & L5T 11THz頻譜擴(kuò)展方案，已完成現(xiàn)網(wǎng)測(cè)試；及C6T& L6T 12THz頻譜擴(kuò)展方案，目前已具備實(shí)驗(yàn)室測(cè)試能力，即將完成現(xiàn)網(wǎng)測(cè)試，并持續(xù)進(jìn)行系統(tǒng)性能優(yōu)化。

在80×800G系統(tǒng)中，將進(jìn)一步考慮頻譜擴(kuò)展到S+C+L+U段波。同時(shí)隨著骨干網(wǎng)速率提升，需要多芯光纖、少模光纖、空芯光纖等新型光纖技術(shù)配合使用以保證干線傳輸距離。

03效益提升

400G/800G時(shí)代采用新型DSP技術(shù)，支持多種波特率和調(diào)制模式切換，以軟件定義方式實(shí)現(xiàn)不同距離下不同容量的最佳適配，最大化容量距離積和頻譜效率。

備注：400G是骨干網(wǎng)應(yīng)用的必然選擇嗎？

1單波超400G技術(shù)研究進(jìn)展

針對(duì)城域、干線等不同應(yīng)用場景，400G傳輸系統(tǒng)采用不同技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)傳輸性能、頻譜效率和成本的平衡，表1中列舉了主要單波速率系統(tǒng)的特征與能力。100G與超100G技術(shù)有比較明顯的代際特征，在工程應(yīng)用中，一般下一代速率短距模塊和上一代速率長距模塊共產(chǎn)業(yè)鏈，從而實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)鏈歸一。

表1 不同單波速率系統(tǒng)的特征與能力

如圖1所示，200G PM-16QAM與100G PM-QPSK共32G波特率產(chǎn)業(yè)鏈，400G PM-16QAM與200G PM-QPSK共64G波特率產(chǎn)業(yè)鏈，400G PM-QPSK與未來800G PM-16QAM共128G波特率產(chǎn)業(yè)鏈。

圖1 長距短距產(chǎn)業(yè)鏈歸一化示意

當(dāng)前200G QPSK已廣泛商用，共64G波特率產(chǎn)業(yè)鏈的400G 16QAM可以滿足城域傳輸需求。400G傳輸技術(shù)目前是96G波特率的概率整形(Probabilistic Shaping,PS) 16QAM，最終演進(jìn)到128G波特率的QPSK方案。 400G QPSK背靠背OSNR性能相比400G PS 16QAM約改進(jìn)1dB，同時(shí)入纖功率提升1dB以上，可覆蓋各種干線長距傳輸場景，并與未來的800G 16QAM共產(chǎn)業(yè)鏈。

從芯片層面來看，相干oDSP技術(shù)已經(jīng)歷了多個(gè)代際演進(jìn)，不同代際的差異主要體現(xiàn)在單波最高速率、調(diào)制碼型以及尺寸和功耗等方面。目前，400G 16QAM的oDSP芯片采用7nm制造工藝，功耗約8W，支持64G波特率。針對(duì)下一代長距400G應(yīng)用，頭部oDSP廠家已發(fā)布單波1.2T產(chǎn)品路標(biāo)甚至模塊樣品，最高支持140G波特率，采用5nm芯片制程。

從oDSP算法方面來看，星座整形以及高性能FEC編解碼算法較為關(guān)鍵。星座整形分為幾何整形（Geometric Shaping,GS）和概率整形（Probabilistic Shaping，PS）兩種，分別如圖2（a）、圖2（b）所示。GS和PS分別通過改變星座點(diǎn)的位置和出現(xiàn)的概率，使其呈現(xiàn)特殊的分布，提供比常規(guī)QAM更好的性能。

圖2 星座整形示意

高性能糾錯(cuò)編碼（FEC）技術(shù)通過采用級(jí)聯(lián)編碼和軟判決、多次迭代譯碼相結(jié)合的方式，可獲取更高的凈編碼增益。

高性能光電器件是實(shí)現(xiàn)電信號(hào)到光信號(hào)高保真轉(zhuǎn)換的基礎(chǔ)。面對(duì)長距400G光傳輸應(yīng)用，系統(tǒng)的波特率大于100Gbd，光器件工作波段的頻寬需要50GHz以上。目前，主流供應(yīng)商基于硅光（Silicon Photonics,SiP）或銦磷（Indium Phosphide,InP）工藝平臺(tái)開展小型化、集成化、大帶寬光收發(fā)器件研究，推出了部分準(zhǔn)商用樣品。

先進(jìn)的器件封裝技術(shù)也是優(yōu)化光電芯片帶寬的重要手段。目前，硅光芯片通過集成Driver的Peaking功能和2.5D/3D封裝工藝的優(yōu)化，可將調(diào)制器的3dB帶寬從30GHz提升到80GHz以上。這對(duì)于超400G高階調(diào)制信號(hào)而言，可帶來2dB以上的背靠背OSNR容限改善，該技術(shù)日趨成熟進(jìn)一步加速了128 Gbd長距400G系統(tǒng)的商用進(jìn)程。

在光系統(tǒng)核心器件方面，光放大器（Optical Amplifier,OA）和波長選擇開關(guān)（Wavelength Selective Switch,WSS）最為關(guān)鍵。目前，商用OA以摻鉺光纖放大器（Erbium-Doped Fiber Amplifier,EDFA）為主，支持C波段4THz、4.8THz甚至6THz帶寬。L波段的EDFA也在開發(fā)中，L波段5THzEDFA樣品已經(jīng)通過現(xiàn)網(wǎng)測(cè)試驗(yàn)證，L波段6THz放大的技術(shù)瓶頸已經(jīng)突破，樣品單機(jī)性能符合預(yù)期，正在進(jìn)行系統(tǒng)級(jí)性能驗(yàn)證和優(yōu)化。但受限于摻鉺光纖在長波處的放大效率，擴(kuò)展L波段EDFA的噪聲指數(shù)可能比擴(kuò)展C波段劣化1dB以上，模塊成本和尺寸也相應(yīng)增加。

目前，商用WSS已經(jīng)覆蓋C波段6THz，典型插損約6dB，端口數(shù)高達(dá)32。采用最新的高分辨率硅基液晶（Liquid Crysal on Silicon,LCoS）技術(shù)，WSS的頻譜切片分辨率為6.25GHz，多個(gè)廠商已經(jīng)將工作頻帶擴(kuò)展到L波段6THz。

在標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)展方面，國際電信聯(lián)盟第15研究組（ITU-T SG15）開展了200G以及400G接口的物理層規(guī)范研究，將PM-16QAM作為400G城域應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)碼型，推動(dòng)了開放前向糾錯(cuò)編碼（oFEC）的標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程。此外，業(yè)內(nèi)多個(gè)多源協(xié)議組織（MSA）也相繼發(fā)布了超100G的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。例如：

OpenROADM/OpenZR+發(fā)布的100～400G相干光模塊規(guī)范，支持CFP2-DCO和QSFP-DD/OSFP封裝，在400ZR幀結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上增加100/200G QPSK、300G 8QAM等調(diào)制模式，并采用oFEC替代級(jí)聯(lián)FEC（cFEC）的方式來支持450km級(jí)的400G傳輸。

中國通信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)（CCSA）的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)制定情況如下：100G及以下速率的光傳輸和模塊標(biāo)準(zhǔn)制定已完成，200G報(bào)批稿主要選擇200G QPSK、8QAM、16QAM碼型，400G城域標(biāo)準(zhǔn)實(shí)質(zhì)上采用的是單波200G雙載波方案，N×400G長距離增強(qiáng)型光波分復(fù)用（WDM）系統(tǒng)技術(shù)要求研究等面向更高速率應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)課題已經(jīng)完成，明確指出QPSK是實(shí)現(xiàn)單波400Gb/s長距/超長距理想解決方案。

2波段擴(kuò)展技術(shù)研究進(jìn)展

波段擴(kuò)展技術(shù)是繼承DWDM思想，在傳統(tǒng)C波段之外進(jìn)一步擴(kuò)展可用傳輸帶寬，通過提高共纖傳輸?shù)牟ǖ罃?shù)量來提升單纖傳輸容量。在傳統(tǒng)C波段DWDM基礎(chǔ)上，最近兩年我國運(yùn)營商和設(shè)備商主導(dǎo)了Super C波段（C6T）的擴(kuò)展，將C波段的帶寬從4THz/4.8THz提升到6THz，配合80波75GHz間隔的200G QPSK方案落地。

實(shí)際上，單模光纖的低損耗窗口不僅包含C波段，還包括O、E、S、L、U等波段。近年來，美國也有少數(shù)運(yùn)營商和互聯(lián)網(wǎng)廠商在DCI和海纜傳輸中部署了C+L系統(tǒng)，可將光纖容量提升一倍。隨著單模光纖在容量上逼近100Tbit/s香農(nóng)極限，波段擴(kuò)展技術(shù)成為學(xué)術(shù)和行業(yè)研究的熱點(diǎn)。

目前國內(nèi)運(yùn)營商和設(shè)備商正在積極推動(dòng)C6T向C6T&L6方向升級(jí)，以期提供單纖80波400G QPSK長距傳輸能力。多波段光傳輸系統(tǒng)基本架構(gòu)如圖3所示。

圖3 多波段光傳輸系統(tǒng)基本架構(gòu)

目前C+L相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展情況如表2所示。可以看出，隨著技術(shù)難點(diǎn)的攻克，C+L擴(kuò)展波段光器件供應(yīng)鏈的發(fā)展進(jìn)度符合預(yù)期，新一代C6T+L6T的12THz寬頻光層配合單波400G QPSK光系統(tǒng)有望在1年內(nèi)迎來商用部署。

表2 C6T&L6T系統(tǒng)關(guān)鍵組件產(chǎn)業(yè)鏈進(jìn)展

光纖中SRS效應(yīng)轉(zhuǎn)移隨著波段帶寬擴(kuò)展、入纖功率變大而顯著增強(qiáng)，具有跨段累積效應(yīng)；C+L系統(tǒng)不僅需要精細(xì)的光功率管理策略，在開局時(shí)實(shí)現(xiàn)增益及斜率的有效控制，補(bǔ)償SRS引起的功率不平坦； 還需要采用填充波配置，使系統(tǒng)時(shí)刻保持滿配狀態(tài)，降低業(yè)務(wù)動(dòng)態(tài)增減對(duì)已有業(yè)務(wù)的影響。借鑒海纜系統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)，在新增或刪除波道時(shí)，只需用業(yè)務(wù)信號(hào)與填充波進(jìn)行“真假替換”即可，業(yè)務(wù)開通調(diào)測(cè)方便快捷。

在未進(jìn)行功率調(diào)節(jié)前，由于C+L系統(tǒng)中存在強(qiáng)烈的SRS功率轉(zhuǎn)移，系統(tǒng)末端單波功率平坦度劣化嚴(yán)重，無法滿足系統(tǒng)應(yīng)用需求。采用C+L功率預(yù)均衡策略對(duì)EDFA的增益和增益斜率進(jìn)行調(diào)整后，系統(tǒng)的功率平坦度、OSNR平坦度、最小OSNR均顯著提升，自動(dòng)功率調(diào)節(jié)算法和填充波配置已經(jīng)在現(xiàn)網(wǎng)測(cè)試中得到充分驗(yàn)證，為后續(xù)商用部署奠定基礎(chǔ)。

3單波400G系統(tǒng)研究進(jìn)展

早在2018年，中國移動(dòng)就聯(lián)合設(shè)備商采用單載波400G 16QAM在現(xiàn)網(wǎng)開展測(cè)試工作，并實(shí)現(xiàn)最遠(yuǎn)600km傳輸距離。

2021年10月，中國移動(dòng)聯(lián)合華為、中興、烽火等設(shè)備商，在現(xiàn)網(wǎng)完成全球首個(gè)超寬譜單波400G大容量光傳輸驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)超過1000km的傳輸距離。

2022年7月，中國移動(dòng)攜手中興通訊在實(shí)驗(yàn)室模擬現(xiàn)網(wǎng)光纖長度、損耗和維護(hù)余量，基于現(xiàn)網(wǎng)要求進(jìn)行400G QPSK傳輸驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)49跨段無電中繼3038km的傳輸距離。

2023年1月，基于實(shí)驗(yàn)室測(cè)試結(jié)果，中國移動(dòng)開展400G QPSK現(xiàn)網(wǎng)測(cè)試，橫跨浙江、江西、湖南、貴州四個(gè)省，涉及45個(gè)光放段，實(shí)現(xiàn)5616km超長距離陸地實(shí)時(shí)現(xiàn)網(wǎng)傳輸，創(chuàng)造了400G QPSK無電中繼現(xiàn)網(wǎng)傳輸距離新紀(jì)錄，并首次驗(yàn)證了頻譜擴(kuò)展至C6T+L6T的12THz傳輸性能。

面向算力網(wǎng)絡(luò)及“東數(shù)西算”布局，需推進(jìn)400G關(guān)鍵技術(shù)研究與發(fā)展，實(shí)現(xiàn)調(diào)制、頻譜、基礎(chǔ)設(shè)施全面技術(shù)革新。在此基礎(chǔ)上，持續(xù)推動(dòng)新一代光通信技術(shù)演進(jìn)，筑牢算力網(wǎng)絡(luò)全光底座，為數(shù)字經(jīng)濟(jì)發(fā)展貢獻(xiàn)力量。

審核編輯：湯梓紅