光傳送網是綜合承載各項業務的資訊“大動脈”，是整個資訊基礎設施的“承重牆”。面向“東數西算”、“東數西存”等算力網絡典型場景需求，中國移動建構了基于“400G+OXC（光交叉連接配接）”的新型全光網，夯實算力網絡全光底座。面向“後400G”時代，技術難度、晶片器件要求進一步提升，超高速光傳輸在傳統骨幹網追求大容量、長距離的基礎上，從新場景、新系統、新媒體等多個次元開展技術研究。400G是複雜的系統性工程難題。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SRS功率轉移提升6dB等新的技術挑戰。中國移動協同産業合作夥伴從器件、子產品、系統等次元開展技術攻關，實作了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骨幹網技術體系以滿足1500km超長距傳輸，釋出了目前世界最長距離（5616km）400G光傳輸技術試驗網，推進實作三大400G長距傳輸世界紀錄，全面論證了400G QPSK技術路線的優勢與可行性。近日，中國移動貫通“北京—内蒙”全球首條400G省際骨幹網鍊路，正式開啟骨幹400G OTN（光傳送網）全光網絡規模商用元年。面向400G技術的未來發展，後續應進一步推進“C+L”一體化器件，簡化光層系統複雜度，優化系統的SRS自動管理能力。未來，針對光傳送網進一步向更高速率、更大容量、更長距離的光傳輸技術演進，以及傳統實芯光纖面臨固有的時延極限與非線性香農極限，“産學研”應協同從重用性技術、延長線技術、颠覆性技術三大次元開展“後400G”關鍵技術研究。
01
重用性技術：面向資料中心互聯的中短距800G
國内外正在推進64G波特率的短距400G，用于資料中心間的高速光互聯。400G超長距骨幹網的應用拉動了130GBd波特率技術、器件和産業成熟，為百千米内800G部署掃清了實體層最大難題，推進資料中心間高速互聯等大容量、中短距傳輸場景向800G演進。目前，基于16QAM碼型可重用400G時代130GBd波特率産業鍊，在“G.652.D光纖+純EDFA放大+滿波配置”的系統模型下，已實作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新成果，将快速推動面向資料中心間高速互聯的中短距800G技術和系統成熟。
02
延長線技術：超高速多波段傳輸
從光通信的代際技術發展來看，在系統容量增長的同時滿足長距離傳輸需求是基本要求。是以，沿着目前技術發展路線，進一步提升單通道速率并擴充可用波段是實作該基本要求的主要手段。光電器件需支援200GBd量級波特率，以滿足“後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代際采用基于機率星座整形的DP-64QAM調制格式，最高可支援1.2Tbit/s單波速率，但其傳輸性能在滿足現網工程運維餘量條件下僅可支援短距資料中心光互聯場景。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。目前，海外機構和廠商已可實作256 GSa/s高速AD/DA（模數數模轉換）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确的技術政策。光層系統需在“C6T+L6T”基礎上擴充新的波段，以滿足“後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。若繼續保持80波方案，系統頻譜總寬度将達到18THz～22THz，即仍需在目前400G系統采用的12THz“C6T+L6T”方案基礎上新擴充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）。系統波段的擴充需要綜合考慮光纖、放大、發射接收等光層核心元件的頻譜情況。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，存在摻铥氟矽酸鹽光纖和摻铋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。從發射接收的角度看，InP方案僅能支援C/L波段，TF-LiNbO方案則具備向“E+S+C+L”演進的能力。是以，TF-LiNbO調制器結合S波段具備一定的發展潛力。除單波速率和擴充波段外，光纖也是影響傳輸性能的主要因素之一。對于目前單模光纖的衰減譜，S波段和U波段具備基本相當的損耗特性。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，在複雜的線性與非線性傳輸損傷耦合互相作用下，G.654.E在“後400G”時代具有更廣的應用前景。但需要注意的是，“後400G”時代頻譜的進一步擴充也給已有的G.654.E光纖帶來全新挑戰，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，由此産生的模間幹擾将成為光通信系統的新型傳輸損傷，需要将截止波長延伸至1470nm；二是此前G.654.E光纖未考慮低水峰的工藝設計，這将顯著增大S波段傳輸損耗，形成對G.654.E光纖原有衰耗優勢的抵消。由此可見，面向“後400G”時代的新波段擴充，G.654.E截止波長、消水峰等特性及C波段外的關鍵技術名額需進一步研究。
03
颠覆性技術：空芯光纖及其傳輸系統
鑒于實芯單模光纖已經趨近非線性香農極限，提升傳輸容量面臨邊際效應，光通信容量慢增長與資訊流量快增長間的沖突日益凸顯，亟需探索全新的光纖理論體系。面對這一重大挑戰，反諧振空芯光纖基于反諧振理論，以空氣替代實芯石英媒體，有望從根本上破解非線性香農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相比實芯單模光纖可降低至少3個數量級，進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充至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曆了多次演變。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，巴斯大學汪滢瑩和Benabid提出内擺線結構，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，優化後的單圈管空芯光纖損耗降至7.7dB/km。2014年，中科院實體所與北京工業大學丁偉、汪滢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。巴斯大學和南安普頓大學團隊同期分别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年中科院實體所與北京工業大學丁偉、汪滢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節點嵌套管的NANF-6光纖，損耗降至0.28dB/km。2024年，該小組繼續優化得到5節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研究方面，2019年，北京大學聯合北京工業大學和中科院實體所完成了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勢。2020年，南安普頓大學将反諧振空芯光纖的傳輸視窗擴充到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路，将資料傳輸的距離提高到4025km，再次證明空芯光纖的優異性能。2021年，暨南大學聯合南京大學展示了反諧振光纖中偏振模純淨的優點，可用于高保真的量子态傳輸。2022年，中國移動聯合北京大學、暨南大學，實作了在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，支援了空芯光纖超低非線性損傷傳輸的理論。同年，中國移動聯合北京大學、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測量理論，首次實作了空芯光纖克爾非線性系數的上限測定。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，開發方向次元，首次實作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，未來應從光纖、系統、标準化等方面攻關：一是深入研究空芯光纖損耗實體損傷機制，以及千米級拉制中微納精度複雜結構調控，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特性出發，自下向上重構信道模型，研究比對反諧振空芯光纖新型實體機制的光器件、光算法與光系統；三是突破反諧振空芯光纖大規模工業化制備難題，通過标準化程序引導方案歸一，加快應用進展。站在400G骨幹網已正式商用的全球光通信領域重要發展節點，後續應進一步推動“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“後400G”時代技術發展，短期内可基于400G QPSK産業鍊，加速中短距單波800G技術成熟，滿足資料中心互聯或城域網場景應用需求；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技術研究，實作面向骨幹網應用的超長距、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極限，需圍繞具備技術颠覆性的反諧振空芯光纖及通信系統展開前沿研究，探索“下一個五十年”的光通信産業發展方向。*本文刊載于《通信世界》總第942期 2024年4月25日 第8期原文标題：《“後400G”全光網技術創新及演進》
END
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 梅雅鑫監制：劉啟誠
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