中国投资网 科技 循着“光”的方向,400G演进路在何方?

循着“光”的方向,400G演进路在何方?

当前运营商网络面临着网络转型、带宽提升等方面的挑战,因此,提升光传输系统单波速率与传输距离、提高光纤通信系统带宽利用率,以满足不断增长的网络流量需求,成为运营商和设备商共同的追求。

目前业界在三大维度上协同提升,加速骨干光网向80×400G代际演进。

第一,速率提升。骨干网从10G向100G再向200G演进,距离基本不变,容量持续倍增。当下在路由器端口提速的背景下已进入400G端口时代,且国内外运营商均展开测试验证,2023年将迎来骨干400G OTN的应用。

第二,容量提升。骨干光网提速到200G时占75GHz谱宽,当发展到400G QPSK(正交相移键控)时将占150GHz谱宽,400G相比200G的频谱效率并未提升,打破了原来10G到100G频谱不变而容量提升10倍的规律;受香农极限影响,提升整体光纤传输容量需要开辟新的路径,当前最切实的方案是C+L波段频谱拓展,主要包括:C6T & L5T 11THz频谱扩展方案,已完成现网测试;及C6T& L6T 12THz频谱扩展方案,目前已具备实验室测试能力,即将完成现网测试,并持续进行系统性能优化。

在80×800G系统中,将进一步考虑频谱扩展到S+C+L+U段波。同时随着骨干网速率提升,需要多芯光纤、少模光纤、空芯光纤等新型光纤技术配合使用以保证干线传输距离。

第三,效益提升。400G/800G时代采用新型DSP技术,支持多种波特率和调制模式切换,以软件定义方式实现不同距离下不同容量的最佳适配,最大化容量距离积和频谱效率。

单波超400G技术研究进展

针对城域、干线等不同应用场景,400G传输系统采用不同技术,可以实现传输性能、频谱效率和成本的平衡,表1中列举了主要单波速率系统的特征与能力。100G与超100G技术有比较明显的代际特征,在工程应用中,一般下一代速率短距模块和上一代速率长距模块共产业链,从而实现产业链归一。

表1 不同单波速率系统的特征与能力

如图1所示,200G PM-16QAM与100G PM-QPSK共32G波特率产业链,400G PM-16QAM与200G PM-QPSK共64G波特率产业链,400G PM-QPSK与未来800G PM-16QAM共128G波特率产业链。

图1 长距短距产业链归一化示意

当前200G QPSK已广泛商用,共64G波特率产业链的400G 16QAM可以满足城域传输需求。400G传输技术目前是96G波特率的概率整形(Probabilistic Shaping,PS) 16QAM,最终演进到128G波特率的QPSK方案。400G QPSK背靠背OSNR性能相比400G PS 16QAM约改进1dB,同时入纤功率提升1dB以上,可覆盖各种干线长距传输场景,并与未来的800G 16QAM共产业链。

从芯片层面来看,相干oDSP技术已经历了多个代际演进,不同代际的差异主要体现在单波最高速率、调制码型以及尺寸和功耗等方面。目前,400G 16QAM的oDSP芯片采用7nm制造工艺,功耗约8W,支持64G波特率。针对下一代长距400G应用,头部oDSP厂家已发布单波1.2T产品路标甚至模块样品,最高支持140G波特率,采用5nm芯片制程。

从oDSP算法方面来看,星座整形以及高性能FEC编解码算法较为关键。星座整形分为几何整形(Geometric Shaping,GS)和概率整形(Probabilistic Shaping,PS)两种,分别如图2(a)、图2(b)所示。GS和PS分别通过改变星座点的位置和出现的概率,使其呈现特殊的分布,提供比常规QAM更好的性能。

图2 星座整形示意

高性能纠错编码(FEC)技术通过采用级联编码和软判决、多次迭代译码相结合的方式,可获取更高的净编码增益。

高性能光电器件是实现电信号到光信号高保真转换的基础。面对长距400G光传输应用,系统的波特率大于100Gbd,光器件工作波段的频宽需要50GHz以上。目前,主流供应商基于硅光(Silicon Photonics,SiP)或铟磷(Indium Phosphide,InP)工艺平台开展小型化、集成化、大带宽光收发器件研究,推出了部分准商用样品。

先进的器件封装技术也是优化光电芯片带宽的重要手段。目前,硅光芯片通过集成Driver的Peaking功能和2.5D/3D封装工艺的优化,可将调制器的3dB带宽从30GHz提升到80GHz以上。这对于超400G高阶调制信号而言,可带来2dB以上的背靠背OSNR容限改善,该技术日趋成熟进一步加速了128 Gbd长距400G系统的商用进程。

在光系统核心器件方面,光放大器(Optical Amplifier,OA)和波长选择开关(Wavelength Selective Switch,WSS)最为关键。目前,商用OA以掺铒光纤放大器(Erbium-Doped Fiber Amplifier,EDFA)为主,支持C波段4THz、4.8THz甚至6THz带宽。L波段的EDFA也在开发中,L波段5THzEDFA样品已经通过现网测试验证,L波段6THz放大的技术瓶颈已经突破,样品单机性能符合预期,正在进行系统级性能验证和优化。但受限于掺铒光纤在长波处的放大效率,扩展L波段EDFA的噪声指数可能比扩展C波段劣化1dB以上,模块成本和尺寸也相应增加。

目前,商用WSS已经覆盖C波段6THz,典型插损约6dB,端口数高达32。采用最新的高分辨率硅基液晶(Liquid Crysal on Silicon,LCoS)技术,WSS的频谱切片分辨率为6.25GHz,多个厂商已经将工作频带扩展到L波段6THz。

在标准进展方面,国际电信联盟第15研究组(ITU-T SG15)开展了200G以及400G接口的物理层规范研究,将PM-16QAM作为400G城域应用的标准码型,推动了开放前向纠错编码(oFEC)的标准化进程。此外,业内多个多源协议组织(MSA)也相继发布了超100G的技术标准。

例如,OpenROADM/OpenZR+发布的100~400G相干光模块规范,支持CFP2-DCO和QSFP-DD/OSFP封装,在400ZR帧结构的基础上增加100/200G QPSK、300G 8QAM等调制模式,并采用oFEC替代级联FEC(cFEC)的方式来支持450km级的400G传输。

中国通信标准化协会(CCSA)的相关标准制定情况如下:100G及以下速率的光传输和模块标准制定已完成,200G报批稿主要选择200G QPSK、8QAM、16QAM码型,400G城域标准实质上采用的是单波200G双载波方案,N×400G长距离增强型光波分复用(WDM)系统技术要求研究等面向更高速率应用的标准课题已经完成,明确指出QPSK是实现单波400Gb/s长距/超长距理想解决方案。

波段扩展技术研究进展

波段扩展技术是继承DWDM思想,在传统C波段之外进一步扩展可用传输带宽,通过提高共纤传输的波道数量来提升单纤传输容量。在传统C波段DWDM基础上,最近两年我国运营商和设备商主导了Super C波段(C6T)的扩展,将C波段的带宽从4THz/4.8THz提升到6THz,配合80波75GHz间隔的200G QPSK方案落地。

实际上,单模光纤的低损耗窗口不仅包含C波段,还包括O、E、S、L、U等波段。近年来,美国也有少数运营商和互联网厂商在DCI和海缆传输中部署了C+L系统,可将光纤容量提升一倍。随着单模光纤在容量上逼近100Tbit/s香农极限,波段扩展技术成为学术和行业研究的热点。目前国内运营商和设备商正在积极推动C6T向C6T&L6方向升级,以期提供单纤80波400G QPSK长距传输能力。多波段光传输系统基本架构如图3所示。

图3 多波段光传输系统基本架构

目前C+L相关产业链的发展情况如表2所示。可以看出,随着技术难点的攻克,C+L扩展波段光器件供应链的发展进度符合预期,新一代C6T+L6T的12THz宽频光层配合单波400G QPSK光系统有望在1年内迎来商用部署。

表2 C6T&L6T系统关键组件产业链进展

光纤中SRS效应转移随着波段带宽扩展、入纤功率变大而显著增强,具有跨段累积效应;C+L系统不仅需要精细的光功率管理策略,在开局时实现增益及斜率的有效控制,补偿SRS引起的功率不平坦;还需要采用填充波配置,使系统时刻保持满配状态,降低业务动态增减对已有业务的影响。借鉴海缆系统的经验,在新增或删除波道时,只需用业务信号与填充波进行“真假替换”即可,业务开通调测方便快捷。

在未进行功率调节前,由于C+L系统中存在强烈的SRS功率转移,系统末端单波功率平坦度劣化严重,无法满足系统应用需求。采用C+L功率预均衡策略对EDFA的增益和增益斜率进行调整后,系统的功率平坦度、OSNR平坦度、最小OSNR均显著提升,自动功率调节算法和填充波配置已经在现网测试中得到充分验证,为后续商用部署奠定基础。

单波400G系统研究进展

早在2018年,中国移动就联合设备商采用单载波400G 16QAM在现网开展测试工作,并实现最远600km传输距离。2021年10月,中国移动联合华为、中兴、烽火等设备商,在现网完成全球首个超宽谱单波400G大容量光传输验证,实现超过1000km的传输距离。

2022年7月,中国移动携手中兴通讯在实验室模拟现网光纤长度、损耗和维护余量,基于现网要求进行400G QPSK传输验证,实现49跨段无电中继3038km的传输距离。

基于实验室测试结果,2023年1月,中国移动开展400G QPSK现网测试,横跨浙江、江西、湖南、贵州四个省,涉及45个光放段,实现5616km超长距离陆地实时现网传输,创造了400G QPSK无电中继现网传输距离新纪录,并首次验证了频谱扩展至C6T+L6T的12THz传输性能。

面向算力网络及“东数西算”布局,需推进400G关键技术研究与发展,实现调制、频谱、基础设施全面技术革新。未来,中国移动将与业界伙伴一起,在400G QPSK现网长距离传输、C6T+L6T超宽谱波段扩展、光电联动全光组网技术等方面保持深入合作,推动超高速率、超长距离、超大容量、超宽频谱等关键技术研究和突破,助力OTN网络向大带宽、低时延、高效灵活、安全可靠方向演进,实现算力网络全光高速互联和全光灵活调度。在此基础上,持续推动新一代光通信技术演进,筑牢算力网络全光底座,为数字经济发展贡献力量。

*本文首发于《通信世界》

2023年3月10日 第3期 总第915期

原文标题:400G光传输技术与产业发展

END

作者:李允博 张德朝 李晗 葛大伟 左铭青 王东

单位:中国移动通信集团有限公司研究院

责编/版式:包建羽

审核:舒文琼

监制:刘启诚

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