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光傳送網(wǎng)是綜合承載各項(xiàng)業(yè)務(wù)的信息“大動(dòng)脈”，是整個(gè)信息基礎(chǔ)設(shè)施的“承重墻”。面向“東數(shù)西算”、“東數(shù)西存”等算力網(wǎng)絡(luò)典型場(chǎng)景需求，中國移動(dòng)構(gòu)建了基于“400G+OXC（光交叉連接）”的新型全光網(wǎng)，夯實(shí)算力網(wǎng)絡(luò)全光底座。
面向“后400G”時(shí)代，技術(shù)難度、芯片器件要求進(jìn)一步提升，超高速光傳輸在傳統(tǒng)骨干網(wǎng)追求大容量、長(zhǎng)距離的基礎(chǔ)上，從新場(chǎng)景、新系統(tǒng)、新介質(zhì)等多個(gè)維度開展技術(shù)研究。
400G是復(fù)雜的系統(tǒng)性工程難題。相比100G時(shí)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(zhuǎn)移提升6dB等新的技術(shù)挑戰(zhàn)。
中國移動(dòng)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(shù)攻關(guān)，實(shí)現(xiàn)了100G到400G的代際性技術(shù)突破，提出基于QPSK（正交相移鍵控）低階調(diào)制、130GBd高波特率、“C6T+L6T”超寬譜的新型400G骨干網(wǎng)技術(shù)體系以滿足1500km超長(zhǎng)距傳輸，發(fā)布了目前世界最長(zhǎng)距離（5616km）400G光傳輸技術(shù)試驗(yàn)網(wǎng)，推進(jìn)實(shí)現(xiàn)三大400G長(zhǎng)距傳輸世界紀(jì)錄，全面論證了400G QPSK技術(shù)路線的優(yōu)勢(shì)與可行性。
近日，中國移動(dòng)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(luò)規(guī)模商用元年。面向400G技術(shù)的未來發(fā)展，后續(xù)應(yīng)進(jìn)一步推進(jìn)“C+L”一體化器件，簡(jiǎn)化光層系統(tǒng)復(fù)雜度，優(yōu)化系統(tǒng)的SRS自動(dòng)管理能力。未來，針對(duì)光傳送網(wǎng)進(jìn)一步向更高速率、更大容量、更長(zhǎng)距離的光傳輸技術(shù)演進(jìn)，以及傳統(tǒng)實(shí)芯光纖面臨固有的時(shí)延極限與非線性香農(nóng)極限，“產(chǎn)學(xué)研”應(yīng)協(xié)同從重用性技術(shù)、延長(zhǎng)線技術(shù)、顛覆性技術(shù)三大維度開展“后400G”關(guān)鍵技術(shù)研究。
01、重用性技術(shù)：面向數(shù)據(jù)中心互聯(lián)的中短距800G
國內(nèi)外正在推進(jìn)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(zhǎng)距骨干網(wǎng)的應(yīng)用拉動(dòng)了130GBd波特率技術(shù)、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(jìn)數(shù)據(jù)中心間高速互聯(lián)等大容量、中短距傳輸場(chǎng)景向800G演進(jìn)。當(dāng)前，基于16QAM碼型可重用400G時(shí)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(shí)現(xiàn)880km的滿波極限傳輸。通過重用超長(zhǎng)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(shù)創(chuàng)新成果，將快速推動(dòng)面向數(shù)據(jù)中心間高速互聯(lián)的中短距800G技術(shù)和系統(tǒng)成熟。
02、延長(zhǎng)線技術(shù)：超高速多波段傳輸
從光通信的代際技術(shù)發(fā)展來看，在系統(tǒng)容量增長(zhǎng)的同時(shí)滿足長(zhǎng)距離傳輸需求是基本要求。因此，沿著當(dāng)前技術(shù)發(fā)展路線，進(jìn)一步提升單通道速率并擴(kuò)展可用波段是實(shí)現(xiàn)該基本要求的主要手段。光電器件需支持200GBd量級(jí)波特率，以滿足“后400G”時(shí)代單通道速率提升對(duì)應(yīng)的長(zhǎng)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(diào)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(yùn)維余量條件下僅可支持短距數(shù)據(jù)中心光互聯(lián)場(chǎng)景。中長(zhǎng)距和超長(zhǎng)距光傳輸需采用更高波特率和低階調(diào)制格式。參照400G傳輸模型初步估算，單波800Gbit/s系統(tǒng)需要達(dá)到200GBd波特率才可滿足中長(zhǎng)距傳輸（約1000km）需求，達(dá)到260GBd波特率大約可滿足超長(zhǎng)距傳輸（大于1500km）需求。若單波速率進(jìn)一步提升到1.2Tbit/s，則需要達(dá)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(zhǎng)距傳輸需求。
當(dāng)前，海外機(jī)構(gòu)和廠商已可實(shí)現(xiàn)256 GSa/s高速AD/DA（模數(shù)數(shù)模轉(zhuǎn)換）和Serdes（解串器），并在向超300 GSa/s演進(jìn)。未來在技術(shù)上應(yīng)進(jìn)一步推動(dòng)200GBd及更高波特率的調(diào)制器、接收機(jī)、AD/DA、Serdes、TIA等核心光電器件的演進(jìn)與發(fā)展。Tbit級(jí)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(shù)策略。光層系統(tǒng)需在“C6T+L6T”基礎(chǔ)上擴(kuò)展新的波段，以滿足“后400G”時(shí)代單通道波特率提升對(duì)應(yīng)的單纖大容量傳輸需求。
當(dāng)單波波特率達(dá)到200GBd以上時(shí)，通道間隔對(duì)應(yīng)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(dá)到18THz～22THz，即仍需在當(dāng)前400G系統(tǒng)采用的12THz“C6T+L6T”方案基礎(chǔ)上新擴(kuò)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(kuò)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(shí)驗(yàn)室研究報(bào)道，存在摻銩氟硅酸鹽光纖和摻鉍石英光纖兩條技術(shù)路線，基本可以達(dá)到6THz以上的增益寬度和25dB以上的增益，具有向商用演進(jìn)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(jìn)的能力。因此，TF-LiNbO調(diào)制器結(jié)合S波段具備一定的發(fā)展?jié)摿?。除單波速率和擴(kuò)展波段外，光纖也是影響傳輸性能的主要因素之一。
對(duì)于當(dāng)前單模光纖的衰減譜，S波段和U波段具備基本相當(dāng)?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(chǎng)面積和更低的受激拉曼散射，傳輸距離可延伸30%以上?？紤]到更高的單波速率和更寬的頻譜，在復(fù)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(shí)代具有更廣的應(yīng)用前景。
但需要注意的是，“后400G”時(shí)代頻譜的進(jìn)一步擴(kuò)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(zhǎng)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(zhǎng)延伸至1470nm；二是此前G.654.E光纖未考慮低水峰的工藝設(shè)計(jì)，這將顯著增大S波段傳輸損耗，形成對(duì)G.654.E光纖原有衰耗優(yōu)勢(shì)的抵消。由此可見，面向“后400G”時(shí)代的新波段擴(kuò)展，G.654.E截止波長(zhǎng)、消水峰等特性及C波段外的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)需進(jìn)一步研究。
03、顛覆性技術(shù)：空芯光纖及其傳輸系統(tǒng)
鑒于實(shí)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(yīng)，光通信容量慢增長(zhǎng)與信息流量快增長(zhǎng)間的矛盾日益凸顯，亟需探索全新的光纖理論體系。面對(duì)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(shí)芯石英介質(zhì)，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(dǎo)光機(jī)理和結(jié)構(gòu)上的變革為其帶來了四項(xiàng)優(yōu)勢(shì)：
一是空芯光纖中光速約為實(shí)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(shí)延；
二是空芯光纖非線性系數(shù)相比實(shí)芯單模光纖可降低至少3個(gè)數(shù)量級(jí)，從而大幅提升光纖容量；
三是空芯光纖理論衰減小于實(shí)芯單模光纖理論衰減極限，可顯著延長(zhǎng)光纖通信距離；
四是空芯光纖的可用頻譜可至少擴(kuò)展至390nm，具備跨波段應(yīng)用的巨大潛力。
反諧振空芯光纖的包層結(jié)構(gòu)經(jīng)歷了多次演變。第一根反諧振光纖在2002年由巴斯大學(xué)提出，包層采用竹籃型（Kagome）結(jié)構(gòu)。2010年，巴斯大學(xué)汪瀅瑩和Benabid提出內(nèi)擺線結(jié)構(gòu)，Kagome光纖損耗降至40dB/km。2011年，俄羅斯科學(xué)院Pryamikov和Kolyadin等人提出單圈管式包層結(jié)構(gòu)。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(xué)丁偉、汪瀅瑩團(tuán)隊(duì)首次給出反諧振導(dǎo)光模型，并于2017年進(jìn)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(xué)和南安普頓大學(xué)團(tuán)隊(duì)同期分別提出嵌套管式空芯光纖（NANF）結(jié)構(gòu)，并預(yù)測(cè)超低損耗特性。
在理論研究的基礎(chǔ)上，2018年中科院物理所與北京工業(yè)大學(xué)丁偉、汪瀅瑩團(tuán)隊(duì)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(dāng)時(shí)紀(jì)錄。2018—2020年，英國南安普頓大學(xué)ORC中心的空芯光纖小組研制出6節(jié)點(diǎn)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(diǎn)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(jìn)展。至此，反諧振空芯光纖在損耗上已經(jīng)超越了實(shí)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(xué)聯(lián)合北京工業(yè)大學(xué)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(gè)方面的優(yōu)勢(shì)。2020年，南安普頓大學(xué)將反諧振空芯光纖的傳輸窗口擴(kuò)展到O-L全波段。2022年，意大利都靈理工和南安普頓大學(xué)在實(shí)驗(yàn)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(xué)聯(lián)合南京大學(xué)展示了反諧振光纖中偏振模純凈的優(yōu)點(diǎn)，可用于高保真的量子態(tài)傳輸。2022年，中國移動(dòng)聯(lián)合北京大學(xué)、暨南大學(xué)，實(shí)現(xiàn)了在200m反諧振空芯光纖上單波5W量級(jí)入纖功率的超高速實(shí)時(shí)傳輸試驗(yàn)，支持了空芯光纖超低非線性損傷傳輸?shù)睦碚?。同年，中國移?dòng)聯(lián)合北京大學(xué)、暨南大學(xué)，提出基于高階調(diào)制非線性相移估計(jì)的空芯光纖克爾非線性系數(shù)測(cè)量理論，首次實(shí)現(xiàn)了空芯光纖克爾非線性系數(shù)的上限測(cè)定。
2023年，中國移動(dòng)進(jìn)一步提出利用空芯光纖的超低背向瑞利散射機(jī)理，開發(fā)方向維度，首次實(shí)現(xiàn)基于光纖的無損傷同波長(zhǎng)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(yīng)從光纖、系統(tǒng)、標(biāo)準(zhǔn)化等方面攻關(guān)：
一是深入研究空芯光纖損耗物理損傷機(jī)制，以及千米級(jí)拉制中微納精度復(fù)雜結(jié)構(gòu)調(diào)控，攻關(guān)反諧振空芯光纖結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；
二是從反諧振空芯光纖的全新關(guān)鍵參數(shù)特性出發(fā)，自下向上重構(gòu)信道模型，研究匹配反諧振空芯光纖新型物理機(jī)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(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程引導(dǎo)方案歸一，加快應(yīng)用進(jìn)展。
站在400G骨干網(wǎng)已正式商用的全球光通信領(lǐng)域重要發(fā)展節(jié)點(diǎn)，后續(xù)應(yīng)進(jìn)一步推動(dòng)“C+L”光層一體化演進(jìn)與SRS效應(yīng)管理技術(shù)研究，這是促進(jìn)400G技術(shù)更加完善需要解決的關(guān)鍵問題。
面向“后400G”時(shí)代技術(shù)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(shù)成熟，滿足數(shù)據(jù)中心互聯(lián)或城域網(wǎng)場(chǎng)景應(yīng)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(shù)研究，實(shí)現(xiàn)面向骨干網(wǎng)應(yīng)用的超長(zhǎng)距、大容量800G/B800G技術(shù)攻關(guān)突破；長(zhǎng)期來看，受制于單模實(shí)芯光纖固有的時(shí)延極限與非線性香農(nóng)極限，需圍繞具備技術(shù)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(gè)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(biāo)題：《“后400G”全光網(wǎng)技術(shù)創(chuàng)新及演進(jìn)》
作者：中國移動(dòng)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(zé)編/版式：蓋貝貝，審校：王 濤 梅雅鑫，監(jiān)制：劉啟誠
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