400G全光网技术演进及应用展望

李晗 全光网需求与发展趋势 1 超高速400G光传输系统 2 颠覆性反谐振空芯光纤 3 中国移动算力网络总体策略 中国移动提出“算力网络”全新理念，从三条主线系统性推进算力网络发展，加快构建基础设施、平台服务和技术赋能三位一体的新型服务能力 主线一 主线二 推动光网络核心技术创新，打造算力网络坚实底座，构建“连接+算力+能力”的新型信息服务体系 面向算力网络构建全光底座 超大带宽和超低时延是东数西算等业务的核心需求，基于400G技术构建大容量、低时延的新型全光骨干网是实现算力网络目标的关键举措 超大带宽 超低时延 传统的100G无法满足东数西算业务对带宽的迫切需求，需加速推动骨干网向400G演进 以算力为中心打造骨干(20ms)、省域(5ms)、地市(1ms)三级时延圈 全光网需求与发展趋势 1 超高速400G光传输系统 2 颠覆性反谐振空芯光纤 3 400G是指单波长能够承载400G类型业务的传输技术 中国移动400G技术研究历程 5年来，历经4次现网试点和多次实验室验证，中国移动已就400G进行持续性的系统研究和攻关 2018~2021.11：基于16QAM重点推动PCS 2021.12至今：推动QPSK走向成熟 浙赣湘黔现网试点（2023.2）ü调制格式：QPSK模块ü光纤：G.652Dü放大：EDFA/拉曼EDFA混合ü波段：C6T/C6T+L6Tü5616km(2.2dB余量) 实验室拟现网测试（2022.8）ü调制格式：QPSK原型机ü光纤：G.652Dü放大：EDFA/拉曼EDFA混合ü波段：C6Tü3038km(4.5dB余量) 实验室测试 （2023.2）ü调制格式：QPSK原型机ü光纤：G.652D/G.654Eü放大：EDFAü波段：C6T+L6Tü7000km(2.46dB余量) 实验室测试 京津济宁现网试点（2018.8）ü调制格式：16QAMü光纤：G.654Eü放大：EDFAü波段：C6Tü603km (5.3dB余量) 辽宁沈大现网试点（2021.11）ü调制格式：16QAM-PCSü光纤：G.652D/G.654Eü放大：EDFA/拉曼EDFA混合ü波段：C4T/C6Tü1077km@G.652D (6dB余量)1333km@G.654E (8.2dB余量) （2021.8)ü调制格式：16QAM-PCSü光纤：G.652D/G.654Eü放大：EDFA/拉曼EDFA混合ü波段：C4T/C6Tü1120km@G.652D(6dB余量)1700km@G.654E (7dB余量) 100G规模应用已历经10年，400G是开启骨干网下一个周期的重大变革性代际技术 400G QPSK极限传输技术试验 •基于现网G.652.D光纤实现C6T波段400G QPSK5616km传输，创现网传输世界记录•基于G.654.E光纤实现C6T+L6T波段400G QPSK 7000km传输，是目前实验室测试的最高水平 C6T+L6T400GQPSK环路传输系统 宁波←→贵安现网试点路由 üG.652.D光纤+EDFA/部分拉曼放大，C6T/C6T+L6Tü2月：总计5616km，跨段数90，预留光纤维护余量(0.06dB/km)，过系统后OSNR余量为2.2dBü6月：总计6028km，跨段数98，预留光纤维护余量(0.06dB/km)，过系统后OSNR余量为2.1dB üG.654.E光纤+纯EDFA放大，C6T+L6Tü总计7000km，跨段数70，每环路10*100km，过系统后OSNR余量为2.45dB 全球最长陆地距离的纯EDFA80×400G QPSK 1673公里现网实时传输 经1673km G.652D传输，系统末端OSNR余量> 6dB，满足长距骨干网经典商用场景的工程应用要求 贵安←→隆回现网试点路由 üG.652.D光纤+纯EDFA放大，C6T+L6Tü总计1673km，跨段数30，预留光纤维护余量(0.06dB/km) ü背靠背OSNR容限 C6T：~15.9dB，~15.8dBL6T：~16.4dB，~ 15.8dBü末端OSNR：平均可达22.2dB，余量~6.4dBü末端功率平坦度：±2.4~±2.6dB间，满足100G企/行标±3.0dB要求，但仍需提高 从100G到400G时代，高带宽光电器件、高性能DSP算法、先进芯片制造工艺共同推动信号符号率从~30GBd提升四倍至~130GBd，满足400G QPSK高性能传输 提升数字信号处理能力与数据吞吐量 高精度非线性补偿算法提升性能 光电合封有效优化器件带宽 400G时代变革2-超宽谱有源模块 采用400G QPSK实现容量翻倍，要求由C波段扩展到C+L波段，C+L总宽度≥12THz，挑战巨大 宽谱光收发机 宽谱放大器 •现状：L波段长波探测器响应度低、耦合器L波段插损大•目标：通过优化有源区材料和结构设计，改善C6T+L6T一体化调制接收机性能 ü性能：总体可用，由于体积更小、铒纤更短，厂家A比厂家B/C差0.4~1.5dB 宽谱WSS ü集成度：厂家A/B仍为C6T、L6T分体，厂家C为C6T+L6T同模块实现 •现状：C和L波段采用独立的WSS•目 标 ：向 一 体 化 的1 2 T H zC+L波段WSS演进 下一步目标：通过改进掺杂工艺、优化泵浦功率，使L6T-EDFA性能与C6T NF差异~1dB，并向C6T/L6T一体化演进。 400G时代变革3-超宽带光系统架构 12THz频谱导致光层从1套到2套，同时受激拉曼散射（SRS）成为了新的链路损伤，给系统传输性能 和网络运维能力带来全新挑战 •当前：静态环境均衡后波道平坦度<±2.5dB•未来：平坦度调至<±0.5dB，并研究动态场景下SRS自适应均衡方案 全光网需求与发展趋势 1 超高速400G光传输系统 2 颠覆性反谐振空芯光纤 3 光纤通信系统进一步提升性能面临极限 全球每月IP总流量年均复合增长率达27%，“东数西算”工程及新兴工业专网对低时延及时延稳定性也提出了新要求，而骨干网光纤时延占端到端总时延90%以上 极限1容量 反谐振空芯光纤有望突破现有实芯单模光纤的固有时延极限和非线性香农极限，对光纤、光器件和光网络系统形成全面的、变革性的创新 重要意义：颠覆半个世纪以来基于实芯光纤的光通信行业 半个世纪以来，光通信行业以实芯单模光纤为基本传输媒介，发展并构建出受限于其自身物理极限的生态体系，反谐振空芯光纤作为全新的基础媒介，不仅颠覆了光纤自身，而且将对光器件、光网络系统形成全面的、革命性的颠覆，有望构建下一个50年的新型光通信，并将对业务、其他领域形成充分的溢出效应。 1.光纤的颠覆：对光纤厂家而言，反谐振空芯光纤作为新光纤介质，是全新的理论与工艺，长久以来的生产方法论将发生颠覆性变革。 2.光器件的颠覆：反谐振空芯光纤更宽的频谱、更大的功率将全面改写并颠覆有源器件（激光器、调制器、接收机、放大器）、无源无源（耦合器、波分复用器件、WSS）和光算法的基本要求。 3.光设备/系统的颠覆：如何以反谐振空芯光纤及其匹配的光器件作为基石，构建全新的光通信系统，将对运营商、系统设备厂家在系统、链路设计、组网等方面带来颠覆。 4.业务溢出效应：更低的全网时延，将为孵化催生新型的时延敏感大流量业务提供土壤，为国内互联网行业创新的再次爆发奠定基础，带动万亿产业发展。 5.领域溢出效应：除光通信领域外，反谐振空芯光纤可推广应用至高保真量子态传输、高精度时频同步、高性能光纤陀螺惯导、超大功率激光武器等多个领域。 反谐振空芯光纤的降损历程 反谐振空芯光纤自2002年发明以来，通过结构设计优化，损耗已从500dB/km降至0.138dB/km，超越了实芯光纤0.142dB/km的损耗极限，是未来超高速光传输系统可能的理想介质 反谐振空芯光纤降损曲线与50年前石英玻璃光纤趋势类似，极具潜力相关光传输系统研究也在快速推进，国内外基本处于同一起跑线 反谐振空芯光纤应当标准化、并面向规模商用演进 在通信领域，光纤作为大规模商用的产品必须标准化。以往实芯光纤只需统一模场直径等关键特性，无需限定掺杂和结构，即可实现互连互通。但反谐振空芯光纤变为以结构决定光纤特性，无法直接互连，必须从多种竞争方案中优中选优，决出性能、规模化生产能力最为出色的一种实现标准化。 结构设计代替材料，生产流程巨变，如何进行工业化生产？ 生产流程变化后，需要反谐振空芯光纤仍然能够尽快达到原实芯单模光纤的拉丝长度，确保成本可控，规模可观。 五花八门的反谐振空芯光纤结构必须实现归一与标准化，为大规模工业生产铺平道路。 反谐振空芯光纤的实用化 推动空芯光纤的实用化落地，目前存在三大关键：光纤结构已到收敛阶段，推进标准化；整体协同空芯光纤与传输系统设计；解决现网部署的工程性问题 光纤结构已到收敛阶段 •距离实际现网部署，反谐振空芯光纤在涂覆、成缆、连接和在线监测等方面仍需进一步开展技术攻关： •反谐振空芯光纤全新的物理特性将重塑传输系统 •当前空芯光纤损耗已达可用水平(<0.15dB/km)，需基于产学研协同，通过标准化收敛结构设计，加快技术发展；•中国移动已推动空芯光纤工业制备成为中国光学工程学会5大产业难题，并在CCSA牵头立项3项空芯光纤研究课题。 ①超低非线性→超高功率入纤；②超低偏振串扰→MIMO-简化DSP处理… ①涂敷/成缆：如何消除应力影响；②对接/熔接：2-3km一段熔接，如何降低损耗；③在线监测：极低瑞利散射条件下，OTDR不可用。 •系统需求也指导空芯光纤及器件设计 ①新波段→光纤损耗窗口扩展；②单纤双向传输→超低反射对接/熔接… 牵头CCSA三项空芯光纤研究课题 超 高 入 纤 功 率 下 的 空 芯 光 纤 超 低 非 线 性 研 究 （O F C2023） 总结 l400G超长距已经进入规模商用的关键时间节点，协同产业链推进400G技术和产业成熟，迎接400G规模商用元年l下一代光通信进一步提升性能需要前沿性、颠覆性技术发展，如空芯光纤等，并需适时进行技术收敛和标准化l倡 议 整 个 光 通 信 行 业 联 合 起 来 ， 光 产 业 成 立F N P P或 者F N F（F i x e d N e t w o r k Pa r t n e rProject/Fixed Network Forum），形成合力，推动整个光通信的代际演进及产学研结合 谢谢！