高速全光网和新型光纤关键技术探讨

张德朝 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 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 面向算力网络构建新型全光底座 面向算力网络对光网络的新需求，通过五大关键技术举措，推进超大带宽、灵活调度、泛在接入、前沿 技术创新，构建基于400G高速互联的灵活高效的新型全光网技术架构 1 算力网络驱动全光网发展 2 新型全光网关键技术演进 -超大带宽-泛在接入-前沿技术 超大带宽- 400G超高速光传输面临哪些技术挑战 面向1000+公里长距传输的骨干网基本需求，400G超高速光传输系统需开展多维度技术攻关，破解单通道速率提升带来的传输能力下降难题 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) 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) 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) 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) 实验室测试（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 世界最长距离400G光传输技术试验网络 •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•全球最长距离的纯EDFA经典商用场景80×400G QPSK 1673km现网试验 贵安←→隆回现网试点路由 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.652.D光纤+纯EDFA放大，C6T+L6T ü总计1673km，跨段数30，预留光纤维护余量(0.06dB/km)，过系统后OSNR余量~6.4dB 400G关键技术1-QPSK是400G骨干长距传输技术方案 核心器件决定代际，解决130GBd技术难点，通过方案设计、理论分析、试验验证，400G QPSK相对16QAM-PCS有50%+的性能提升，明确成为骨干长距传输解决方案 16QAM-PCS 波特率64GBd→91GBd 性能相比16QAM从~22dB提升到~17dB 100GHz间隔，8THz总谱宽 完成现网链路设置下400G QPSK/16QAM-PCS 2018km性能对比 波特率64GBd→130GBd ü链路：现网链路设置下的真实QPSK / 16QAM-PCS性能比较üQPSK较16QAM-PCS整体优势提升2dB：B2B OSNR容限1dB入纤功率1dBüQPSK相比16QAM-PCS，在满足工程维护余量的条件下，基于G.652D传输距离可增加50%+ 性能相比16QAM从~22dB提升到~16dB 150GHz间隔，12THz总谱宽 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关键技术3-超宽谱有源模块：C6T+L6T EDFA •此前6THzL波段放大器尚属空白，铒离子在L波段长波增益难以提升，L6T放大效率低、体积大 •联合产业集中攻关，国内主流厂家已支持分立式12THzEDFA，但仍需进一步提升性能，并向小型化、C+L一体化演进 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 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关键技术3-超宽谱有源模块：C6T+L6T WSS •L6T波段WSS技术趋于成熟，性能已达到C6T波段WSS水平 •C+L波段WSS由采用分体式设计向一体化的12THz C+L波段WSS演进 演进趋势 分体WSS无法实现波段间调度 向C6T+L6T一体化WSS演进 •优化光路设计，减小W SS体积；提 升LCoS像素密度，改善一体化WSS的滚降特性 C6T、L6T为两套独立的光系统，尺寸一致 性能：C、L波段基本一致，插损<9dB，滤波响应相似，消光比> 40dB 400G关键技术4-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 400G关键技术5-光纤技术选择：G.652D vs G.654E 相比同缆G.652.D光纤，G.654.E承载的同速率系统OSNR余量均有提升（1.82-2.76dB），传输距离可提升30%以上 p400GDP-16QAM：G.654.E系统相对G.652.D系统，OSNR余量平均提升1.87dB(136.5km) p200GDP-16QAM/QPSK：OSNR余量平均分别提升1.82dB(16QAM，1058.9km) /2.76dB(QPSK，1539.6km) p100GDP-QPSK：OSNR余量平均提升2.39dB(1539.6km) 400G关键技术5-光纤技术选择：G.652D vs G.654E 400G时代，采用QPSK在传统G.652D光纤基于EDFA放大可以传输1500km以上，可以满足绝大多数场景需求；G.654E光纤可以延长30%以上的传输距离，满足更长距离场景需求 •带工程余量情况:基于G.652D光纤，QPSK无电中继距离可达1652km，基本满足绝大多数应用需求；基于G.654E光纤，可达2245km，传输距离进一步增加36%•极限传输距离：在4.2E-2的FEC容限下，G.652D传输~3000km，G.654E传输可达5000km 泛在接入-构建50G PON+FTTR智能协同的新型光接入网技术架构 提出PON+FTTR智能协同的新一代光接入网架构，进一步延伸光底座到房间打造千兆入算光锚点 PON·构建万兆光接入 FTTR·增强千兆光覆盖 •进展：联合业界引领FTTR技术、标准和产业发展，提出基于光层OAM的FTTR系统架构•推进：引领FTTR技术产业发展，收敛分歧加速标准化，尽快规模商用 •进展：联合业界实现中国产业对50G PON代际技术和标准的引领，50G PON技术架构和标准体系已基本确立 •推进：需攻关50G突发模式光电器件，满足高功率预算需求 50G PON技术发展 •50G PON国际标准体系已基本建立，当前正处于样机研发阶段•50G PON系统相比10G GPON，需采取多项全新技术方案，以满足系统各项指标要求 50G PON系统需支持多代共存 中国移动已部署全球最大GPON网络和网关，GPON短时期内不会退网，50G PON部署需考虑三代PON同ODN共存，因此，未来部署50G PON重点考虑采用上行波长1286±2nm选项 新器件：DML+TEC 挑战 挑战 p传统ONU侧使用的DML激光器均为20nm宽带波长 方案 进展 ü在ONU发射机中加入TEC温控，控制激光器输出波长范围在4nm以内 ü已有6波长合分波器样品，但隔离度不足 FTTR技术架构及基于光层OAM的集中管控机制 •随着家庭业务的快速发展，光纤进一步延伸到房间，基于P2MP架构，打造家庭全光底座，实现千兆无缝覆盖•FTTR作为光接入网的延伸，PON的光层OAM机制需向FTTR延伸以构建集中管控型高等级网络 WiFi一张网管理通道（Mf接口，基于MQTT协议） 基于光层OAM的管控架构及管控机制 协同组网提升体验 FTTx的延申对管控架构和能力提出新需求，两段P2MP网络需满足集中统一管控•Me：实现OLT对SFU的光链路层管控功能，延伸PON层OAM管控能力•Mf：实现FTTR网络主从设备WiFi一张网管控能力及家庭网络高速数据采集 •PON+FTTR智能协同，实现具备网络切片能力的端到端智能化千兆光接入网•光+WLAN协同，实现WiFi组网可调度，增强千兆Wi-Fi体验 [1]DechaoZhang,JinglongZhu, et al., Fiber-to-the-Room (FTTR): A Key Technology for F5G and Beyond, vol.15 issue.9, JOCN 2023[2]JinglongZhu,JunweiLi, et al., First Field Trial of FTTR Based on Native Management and Control Architecture for 5G Small Cell Backhaul, OFC 2023, Paper W2A.13 FTTR线缆技术发展 根据应用场景对FTTR从设备供电的难易程度，FTTR ODN需新增远程供电能力，需进一步推进技术方案完善及产业成熟 从设备远程供电需求 pToB场景，吸顶/悬挂式从设备需求强烈，本地供电不易p家庭场景，面板式从设备更加美观，本地供电不易 光电混合接口：小型化、光电接口合一2 供电位置/动态功率管理34 光电混合缆 p《通信用引入光缆第4部分：光电混合缆》p扁平型和圆形为主，电压范围48V~56V（略高于人体安全电压36V）p主要匹配ToB场景需求 p主设备和光插座均可提供远程供电能力，可按需选择p当前系统暂不支持电源管理。需研究实现机制和功能，网络层可视 pSC接头行标已发布，XC接头行标通过征求意见稿pSC可最大限度复用现有产业链，电触点位置外置，存在触碰风险pXC电触点位置内置且尺寸更小，标准未定，产业链暂不成熟 前沿技术- 800G高速互联前沿研究探索 开展800G前沿技术研究，持续推进传输性能提升 ü基于90GBd的64QAM-PCS单载波800G，采用G.654.E+混合放大，可实现1000km+极限传输（ECOC 2021）ü基于95GBd的64QAM-PCS 800G，采用G.654.E+纯拉曼放大，可实现2018km极限传输（EC