【光电通信】400G光传输技术的进展

来源:今日光电发布时间:2023-05-272420浏览

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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

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。
01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。02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。03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。备注：400G是骨干网应用的必然选择吗？

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C6TL6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 C6TL6T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。2023年1月，基于实验室测试结果，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。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。来源：通信百科