專家特稿：“后400G”全光網(wǎng)技術創(chuàng)新及演進

光傳送網(wǎng)是綜合承載各項業(yè)務的信息“大動脈”，是整個信息基礎設施的“承重墻”。面向“東數(shù)西算”、“東數(shù)西存”等算力網(wǎng)絡典型場景需求，中國移動構建了基于“400G+OXC（光交叉連接）”的新型全光網(wǎng)，夯實算力網(wǎng)絡全光底座。

面向“后400G”時代，技術難度、芯片器件要求進一步提升，超高速光傳輸在傳統(tǒng)骨干網(wǎng)追求大容量、長距離的基礎上，從新場景、新系統(tǒng)、新介質等多個維度開展技術研究。

400G是復雜的系統(tǒng)性工程難題。相比100G時代，400G面臨器件速率提升4倍、頻譜寬度提升3倍系統(tǒng)SRS功率轉移提升6dB等新的技術挑戰(zhàn)。

中國移動協(xié)同產(chǎn)業(yè)合作伙伴從器件、模塊、系統(tǒng)等維度開展技術攻關，實現(xiàn)了100G到400G的代際性技術突破，提出基于QPSK（正交相移鍵控）低階調制、130GBd高波特率、“C6T+L6T”超寬譜的新型400G骨干網(wǎng)技術體系以滿足1500km超長距傳輸，發(fā)布了目前世界最長距離（5616km）400G光傳輸技術試驗網(wǎng)，推進實現(xiàn)三大400G長距傳輸世界紀錄，全面論證了400G QPSK技術路線的優(yōu)勢與可行性。

近日，中國移動貫通“北京—內(nèi)蒙”全球首條400G省際骨干網(wǎng)鏈路，正式開啟骨干400G OTN（光傳送網(wǎng)）全光網(wǎng)絡規(guī)模商用元年。面向400G技術的未來發(fā)展，后續(xù)應進一步推進“C+L”一體化器件，簡化光層系統(tǒng)復雜度，優(yōu)化系統(tǒng)的SRS自動管理能力。未來，針對光傳送網(wǎng)進一步向更高速率、更大容量、更長距離的光傳輸技術演進，以及傳統(tǒng)實芯光纖面臨固有的時延極限與非線性香農(nóng)極限，“產(chǎn)學研”應協(xié)同從重用性技術、延長線技術、顛覆性技術三大維度開展“后400G”關鍵技術研究。

01、重用性技術：面向數(shù)據(jù)中心互聯(lián)的中短距800G

國內(nèi)外正在推進64G波特率的短距400G，用于數(shù)據(jù)中心間的高速光互聯(lián)。400G超長距骨干網(wǎng)的應用拉動了130GBd波特率技術、器件和產(chǎn)業(yè)成熟，為百千米內(nèi)800G部署掃清了物理層最大難題，推進數(shù)據(jù)中心間高速互聯(lián)等大容量、中短距傳輸場景向800G演進。當前，基于16QAM碼型可重用400G時代130GBd波特率產(chǎn)業(yè)鏈，在“G.652.D光纖+純EDFA放大+滿波配置”的系統(tǒng)模型下，已實現(xiàn)880km的滿波極限傳輸。通過重用超長距400G在130GBd高波特率器件、“C6T+L6T”寬譜光層、超寬譜SRS功率均衡等方面的技術創(chuàng)新成果，將快速推動面向數(shù)據(jù)中心間高速互聯(lián)的中短距800G技術和系統(tǒng)成熟。

02、延長線技術：超高速多波段傳輸

從光通信的代際技術發(fā)展來看，在系統(tǒng)容量增長的同時滿足長距離傳輸需求是基本要求。因此，沿著當前技術發(fā)展路線，進一步提升單通道速率并擴展可用波段是實現(xiàn)該基本要求的主要手段。光電器件需支持200GBd量級波特率，以滿足“后400G”時代單通道速率提升對應的長距傳輸能力需求。

從單波速率來看，130GBd代際采用基于概率星座整形的DP-64QAM調制格式，最高可支持1.2Tbit/s單波速率，但其傳輸性能在滿足現(xiàn)網(wǎng)工程運維余量條件下僅可支持短距數(shù)據(jù)中心光互聯(lián)場景。中長距和超長距光傳輸需采用更高波特率和低階調制格式。參照400G傳輸模型初步估算，單波800Gbit/s系統(tǒng)需要達到200GBd波特率才可滿足中長距傳輸（約1000km）需求，達到260GBd波特率大約可滿足超長距傳輸（大于1500km）需求。若單波速率進一步提升到1.2Tbit/s，則需要達到200GBd波特率以滿足城域傳輸（小于600km）需求，260GBd波特率大約可滿足中長距傳輸需求。

當前，海外機構和廠商已可實現(xiàn)256 GSa/s高速AD/DA（模數(shù)數(shù)模轉換）和Serdes（解串器），并在向超300 GSa/s演進。未來在技術上應進一步推動200GBd及更高波特率的調制器、接收機、AD/DA、Serdes、TIA等核心光電器件的演進與發(fā)展。Tbit級高速傳輸單纖是否仍需滿足80波以上的容量要求是未來需要明確的技術策略。光層系統(tǒng)需在“C6T+L6T”基礎上擴展新的波段，以滿足“后400G”時代單通道波特率提升對應的單纖大容量傳輸需求。

當單波波特率達到200GBd以上時，通道間隔對應增加到225GHz～275GHz。若繼續(xù)保持80波方案，系統(tǒng)頻譜總寬度將達到18THz～22THz，即仍需在當前400G系統(tǒng)采用的12THz“C6T+L6T”方案基礎上新擴展6THz~10THz頻譜。在C與L波段外，相鄰可用波段有S波段（1460nm—1520nm）和U波段（1630nm—1675nm）。系統(tǒng)波段的擴展需要綜合考慮光纖、放大、發(fā)射接收等光層核心組件的頻譜情況。

從光放大器的角度看，S波段與U波段均無成熟的摻雜光纖放大器。但是，S波段光放大已有較多實驗室研究報道，存在摻銩氟硅酸鹽光纖和摻鉍石英光纖兩條技術路線，基本可以達到6THz以上的增益寬度和25dB以上的增益，具有向商用演進的前景。

從發(fā)射接收的角度看，InP方案僅能支持C/L波段，TF-LiNbO方案則具備向“E+S+C+L”演進的能力。因此，TF-LiNbO調制器結合S波段具備一定的發(fā)展?jié)摿?。除單波速率和擴展波段外，光纖也是影響傳輸性能的主要因素之一。

對于當前單模光纖的衰減譜，S波段和U波段具備基本相當?shù)膿p耗特性。采用G.652.D光纖，受傳輸損耗、非線性和受激拉曼散射的影響，傳輸距離難以超過600km；而采用G.654.E光纖，由于更低的傳輸損耗、更大的有效模場面積和更低的受激拉曼散射，傳輸距離可延伸30%以上。考慮到更高的單波速率和更寬的頻譜，在復雜的線性與非線性傳輸損傷耦合相互作用下，G.654.E在“后400G”時代具有更廣的應用前景。

但需要注意的是，“后400G”時代頻譜的進一步擴展也給已有的G.654.E光纖帶來全新挑戰(zhàn)，一是目前ITU-T定義的G.654.E光纖截止波長為小于1530nm，在S波段以及C6T波段的短波處光纖不再具備理想單橫模特性，由此產(chǎn)生的模間干擾將成為光通信系統(tǒng)的新型傳輸損傷，需要將截止波長延伸至1470nm；二是此前G.654.E光纖未考慮低水峰的工藝設計，這將顯著增大S波段傳輸損耗，形成對G.654.E光纖原有衰耗優(yōu)勢的抵消。由此可見，面向“后400G”時代的新波段擴展，G.654.E截止波長、消水峰等特性及C波段外的關鍵技術指標需進一步研究。

03、顛覆性技術：空芯光纖及其傳輸系統(tǒng)

鑒于實芯單模光纖已經(jīng)趨近非線性香農(nóng)極限，提升傳輸容量面臨邊際效應，光通信容量慢增長與信息流量快增長間的矛盾日益凸顯，亟需探索全新的光纖理論體系。面對這一重大挑戰(zhàn)，反諧振空芯光纖基于反諧振理論，以空氣替代實芯石英介質，有望從根本上破解非線性香農(nóng)極限帶來的通信容量瓶頸。反諧振空芯光纖在導光機理和結構上的變革為其帶來了四項優(yōu)勢：

一是空芯光纖中光速約為實芯單模光纖中光速的1.5倍，接近真空光速，可降低1/3通信時延；

二是空芯光纖非線性系數(shù)相比實芯單模光纖可降低至少3個數(shù)量級，從而大幅提升光纖容量；

三是空芯光纖理論衰減小于實芯單模光纖理論衰減極限，可顯著延長光纖通信距離；

四是空芯光纖的可用頻譜可至少擴展至390nm，具備跨波段應用的巨大潛力。

反諧振空芯光纖的包層結構經(jīng)歷了多次演變。第一根反諧振光纖在2002年由巴斯大學提出，包層采用竹籃型（Kagome）結構。2010年，巴斯大學汪瀅瑩和Benabid提出內(nèi)擺線結構，Kagome光纖損耗降至40dB/km。2011年，俄羅斯科學院Pryamikov和Kolyadin等人提出單圈管式包層結構。2017年，優(yōu)化后的單圈管空芯光纖損耗降至7.7dB/km。2014年，中科院物理所與北京工業(yè)大學丁偉、汪瀅瑩團隊首次給出反諧振導光模型，并于2017年進一步完善為可定量分析的多層反諧振模型，指出降低損耗的最佳途徑是增加包層玻璃壁層數(shù)。巴斯大學和南安普頓大學團隊同期分別提出嵌套管式空芯光纖（NANF）結構，并預測超低損耗特性。

在理論研究的基礎上，2018年中科院物理所與北京工業(yè)大學丁偉、汪瀅瑩團隊研制出第一根多層玻璃壁空芯光纖，取名“連體管式光纖”，損耗2dB/km，打破當時紀錄。2018—2020年，英國南安普頓大學ORC中心的空芯光纖小組研制出6節(jié)點嵌套管的NANF-6光纖，損耗降至0.28dB/km。2024年，該小組繼續(xù)優(yōu)化得到5節(jié)點雙層嵌套管空芯光纖（DNANF-5），并給出損耗降至0.11dB/km的最新進展。至此，反諧振空芯光纖在損耗上已經(jīng)超越了實芯普通單模光纖的理論極限。

在基于空芯光纖的光通信系統(tǒng)研究方面，2019年，北京大學聯(lián)合北京工業(yè)大學和中科院物理所完成了220m低損耗連體管空芯光纖10Gbit/s速率傳輸，闡明了反諧振空芯光纖在模式純度和低損耗兩個方面的優(yōu)勢。2020年，南安普頓大學將反諧振空芯光纖的傳輸窗口擴展到O-L全波段。2022年，意大利都靈理工和南安普頓大學在實驗室搭建空芯光纖環(huán)路，將數(shù)據(jù)傳輸的距離提高到4025km，再次證明空芯光纖的優(yōu)異性能。2021年，暨南大學聯(lián)合南京大學展示了反諧振光纖中偏振模純凈的優(yōu)點，可用于高保真的量子態(tài)傳輸。2022年，中國移動聯(lián)合北京大學、暨南大學，實現(xiàn)了在200m反諧振空芯光纖上單波5W量級入纖功率的超高速實時傳輸試驗，支持了空芯光纖超低非線性損傷傳輸?shù)睦碚?。同年，中國移動?lián)合北京大學、暨南大學，提出基于高階調制非線性相移估計的空芯光纖克爾非線性系數(shù)測量理論，首次實現(xiàn)了空芯光纖克爾非線性系數(shù)的上限測定。

2023年，中國移動進一步提出利用空芯光纖的超低背向瑞利散射機理，開發(fā)方向維度，首次實現(xiàn)基于光纖的無損傷同波長單纖雙向超高速傳輸。面向反諧振空芯光纖及其通信系統(tǒng)，未來應從光纖、系統(tǒng)、標準化等方面攻關：

一是深入研究空芯光纖損耗物理損傷機制，以及千米級拉制中微納精度復雜結構調控，攻關反諧振空芯光纖結構設計；

二是從反諧振空芯光纖的全新關鍵參數(shù)特性出發(fā)，自下向上重構信道模型，研究匹配反諧振空芯光纖新型物理機制的光器件、光算法與光系統(tǒng)；

三是突破反諧振空芯光纖大規(guī)模工業(yè)化制備難題，通過標準化進程引導方案歸一，加快應用進展。

站在400G骨干網(wǎng)已正式商用的全球光通信領域重要發(fā)展節(jié)點，后續(xù)應進一步推動“C+L”光層一體化演進與SRS效應管理技術研究，這是促進400G技術更加完善需要解決的關鍵問題。

面向“后400G”時代技術發(fā)展，短期內(nèi)可基于400G QPSK產(chǎn)業(yè)鏈，加速中短距單波800G技術成熟，滿足數(shù)據(jù)中心互聯(lián)或城域網(wǎng)場景應用需求；中期需體系化開展更高波特率、更寬頻譜的超高速多波段系統(tǒng)技術研究，實現(xiàn)面向骨干網(wǎng)應用的超長距、大容量800G/B800G技術攻關突破；長期來看，受制于單模實芯光纖固有的時延極限與非線性香農(nóng)極限，需圍繞具備技術顛覆性的反諧振空芯光纖及通信系統(tǒng)展開前沿研究，探索“下一個五十年”的光通信產(chǎn)業(yè)發(fā)展方向。

*本文刊載于《通信世界》總第942期 2024年4月25日 第8期原文標題：《“后400G”全光網(wǎng)技術創(chuàng)新及演進》

作者：中國移動通信有限公司研究院 張德朝 曹珊 左銘青 王東 李晗 段曉東

責編/版式：蓋貝貝，審校：王 濤 梅雅鑫，監(jiān)制：劉啟誠