单波400G长距光传输技术白皮书

单波400G长距光传输技术白皮书 中兴通讯版权所有未经许可不得扩散第1页 单波400G长距光传输 技术白皮书 单波400G长距光传输技术白皮书 版本 日期 作者 审核者 备注 V1.0 2023/05/21 冯振华、陈欢 陈勇 第一版 2023ZTECorporation.Allrightsreserved. 2023版权所有中兴通讯股份有限公司保留所有权利版权声明： 本文档著作权由中兴通讯股份有限公司享有。文中涉及中兴通讯股份有限公司的专有信息，未经中兴通讯股份有限公司书面许可，任何单位和个人不得使用和泄漏该文档以及该文档包含的任何图片、表格、数据及其他信息。 本文档中的信息随着中兴通讯股份有限公司产品和技术的进步将不断更新，中兴通讯股份有限公司不再通知此类信息的更新。 目录 1.光网络演进逻辑与规律5 1.1.网络流量持续增长，承载接入面临带宽和时延压力5 1.2.传输距离不变速率容量翻番，持续降低单比特成本7 1.3.性能尺寸成本兼顾，可插拔低功耗光模块成主流9 1.4.短距应用先行，新一代模块提升上一代长距传输能力12 1.5.架构持续创新，推动光网智能化提升运维体验13 2.光网络演进挑战16 2.1.光系统损伤对速率敏感17 2.2.高阶码型传输距离受限18 2.3.光电器件带宽受限需新材料新封装19 2.4.带宽扩展引入新难题21 3.长距400G光传输关键技术22 3.1.高速相干光模块22 3.1.1.先进DSP芯片与算法23 3.1.2.高速相干光器件25 3.2.扩展C+L波段光系统26 3.2.1.L波段波长分配27 3.2.2.L波段光器件28 3.2.3.C+L光传输系统架构29 3.2.4.C+L光功率管理34 3.2.5.400GC+L光传输性能评估与对比35 4.长距400G技术进展与应用建议38 4.1.400G相关标准与产业链进展38 4.2.单波400G长距传输相关试点和验证40 4.3.典型应用场景分析与建议44 5.总结与展望45 6.参考文献47 7.缩略语48 1.光网络演进逻辑与规律 长期以来光网络作为网络流量承载的基础管道网络，体现在“大容量、高速率、长距离”刚性管道能力提供方面；然而近期随着4k视频、云网融合、“东数西算”等应用和需求的普及和发展，光网络正向高品质综合业务网演进，特色为“智能化、小颗粒、精细化”灵活业务处理方面。伴随通信网络几乎每10年一代的行业周期，如图1.1所示，从3G、4G到5G甚至6G时代，光网络也经历了一系列的转变和演进，本章节将分析总结其演进升级的内在逻辑与基本规律。 图1.1.网络代际演进示意图 1.1.网络流量持续增长，承载接入面临带宽和时延压力 网络流量的快速增长给承载接入带来的巨大带宽压力，始终是光网络提速扩容的最根本动力。根据Cisco预测2017-2022年全球IP流量复合年增长速率(CAGR)为26%，其中到2022年视频类业务占比达71%[1]。相比于固网，移动网络流量年增速更快达到46%，而平均移动接入带宽年增速仅27%，Omdia预测2019-2024年网络流量预测结果[2]也表明近几年流量增速CAGR接近30%，ITU更是预测在2020-2030年移动流量的复合年增长速率高达55%[3]，如图1所示，可见未来几年网络带宽增长需求十分强劲。网络流量的激增主要得益于宽带中国、FTTx、东数西算、数字经济等国家战略或重大工程驱使下，以大视频、多用户、高突发为主要特征的新应用和新业务需求大幅增长，当前主要以云计算、 物联网、高清视频、工业互联等应用为主，面向未来6G，网络应用将进一步关注3D沉浸 式体验，以扩展现实（XR）、智慧交互、全息通信、数字孪生等为代表的新应用将成主流[3]。 图1.2.ITU预测全球移动流量增长趋势（Source:ITU-R研究报告） 新的应用和业务，在进一步丰富我们生活、方便我们工作的同时，反过来也对网络的带宽，时延，可靠性等指标提出了更高的要求。研究表明[4]，这些面向6G的新应用对显示、带宽、时延和可靠性方面的要求如表1.1所示。海量数据、宽带连接是未来应用的基本属性，网络应该提供大容量传输，同时确保低时延和高可靠，保证业务实时性和安全性，这些指标需要新的通信技术、网络架构、运维系统支持，因此网络升级演进是必然的。 表1.1.新应用对网络性能需求 应用 云化XR 全息通信 智慧交互 显示 8K 16K -- 带宽 1Gb 1~10Gb >10Gb 时延 5~20ms 1~5ms <1ms 可靠性 -- 99.999% 99.99999% 1.2.传输距离不变速率容量翻番，持续降低单比特成本 光传送、接入网络因采用高频光载波调制信号可在低损耗光纤信道中多路同时传输，具有带宽高、容量大、抗干扰强、绿色节能、无电中继距离长等优点，作为通信网络和信息社会的基石，在数据信息承载和传送方面发挥着越来越重要的作用。回顾光通信技术、产业发展里程，如表1.2所示，长距光通信系统基本遵循着4-5年一代的发展规律，新一代系统相比于上一代在单波速率、单纤容量上都有2-4倍的提升。在100G以前，光模块主要依赖强度调制直接探测技术，线路上采用色散补偿模块或色散补偿光纤来克服色散的影响实现长距传输。自100G开始，QAM调制结合数字相干探测成为业界主流趋势，利用强大的数字信号处理（DSP）技术补偿信号在光纤传输及模块收发信道中的各种线性损伤，如色散、PMD、带宽限制、skew等，这使得单波高速信号长距传输成为可能，并且通过扩展波特率和调制码型阶使得单波速率还能持续演进。 表1.2.长距光通信技术演进及关键系统特征 时间 1998 2002 2007 2013 2018 2023 2028 单波速率 2.5G 10G 40G 100G 200G 400G 800G 系统容量 0.2T 0.8T 3.2T 8T 16T 32T 64T 波特率(Gbd) 2.5 10 20 32 64 128 192/256 波段 C4T C6T C+L12T S+C+L18T 光纤 G652.D G652.D/G654E等 调制解调 强度调制直接检测/DCM 高阶调制相干检测/无DCM 交叉维度与设备形态 2-4维，FOADM 9-20维，ROADM 20-32 维，OXC 32维及以上，OXC，OXC级联 考虑到光网络实际部署及新旧设备升级替换过程中，运营商机房、线路站点的物理位置，光纤链路的长度都难以改变，因此光网络设备升级需要保证尽可能利旧现有光纤及站点基础设施，不更改光纤类型、站点分布，以最大化节约建网成本，因此，单波速率提升、光纤容量提升的同时保证传输距离几乎不变是波分光传输系统演进的重要逻辑。另外，从过去网络运营实践经验来看，每一代系统单纤保证至少80波基本也是刚性需求，即速率升级，波道数量不能降低这样才能保证容量倍增。保证传输距离不变，速率提升就需要采用高波特率的低阶调制，意味着占用更宽的波道，这就要求光传输系统的带宽持续扩展。在100GQPSK时代，80波只需要C波段4THz带宽，进入200GQPSK时代，80波需要占用6THz频谱，对应扩展C++波段，而进入400GQPSK时代后，80波系统将要占用12THz带宽，意味着需要配合L++波段扩展。第三方面，随着单波提速和容量倍增的同时，光传输设备的单比特成本逐步降低以维持总基建开支相对恒定。如图1.3所示，根据Dell’Oro机构分析[5]，波分长距光传输系统的单位比特成本在过去10年基本保持每年20%下降，这样可降低运营商的投资压力使之保持合理的利润回报以增加网络扩容建设投资以应对每年30%网络流量增长。可见，单比特成本降低是光传输网络提速演进的重要前提和原始驱动力之一， 这主要得益于单纤容量倍增，光系统成本不变，但单波速率提升后，光模块、光器件数量显著下降，平均每比特成本下降。传输距离不变是光网络升级基本需求，速率和容量翻番是演进特征，持续降低单比特成本是网络升级动力源泉，也是新技术商用成功的前提。 图1.3.波分长距光传输系统容量及单位比特成本演进情况（Source:Dell’Oro) 1.3.性能尺寸成本兼顾，可插拔低功耗光模块成主流 光网络区别于数据通信很重要的因素是光网络需要兼顾性能尺寸功耗和成本，这主要体现在光传输系统相干光模块的形态上。100G时代早期，相干光模块主要是嵌入式MSA形态，如5x7寸，后来到4x5寸，主要采用分立相干光器件，如调制器，接收机，Driver,TIA,ITLA，相干DSP芯片等组装而成，尺寸较大，功耗较高。后来随着芯片、器件集成和封装技术的突破和发展，相干光器件集成度显著提高，支持热插拔的CFP甚至CFP2相干光模块应运而生，此时相干光模块主要由三件套（CDM+ICR+ITLA)结合相干DSP芯片构成。进一步地，随着InP,SiP集成平台的成熟，CDM+ICR可封装成ICRM(一般是SiP路线)，CDM+ICR+ITLA封装成TROSA(一般是InP路线)，器件/组件集成度进一步提升， 成本功耗也得以下降。最近两年，2.5D/3D封装工艺的成熟，ICRM+DSP共封装成MCM也已成为可能，有效改善光模块有效带宽10%以上，目前已在200G,400G相干产品中规模应用。与此同时，作为相干光模块的核心之一，DSP芯片的性能、功耗、面积也随着CMOS芯片工艺的进步而显著改善，如表1.3所示。每一代新的CMOS工艺都会在PPA(性能，功耗，面积）方面带来明显的改善[6]，如7nmDSPASIC芯片，相比于其上一代16nm工艺，性能改善约30%，功耗降低60%，面积降低70%，这不仅使得一些更先进的DSP整形或均衡算法能在芯片中实现，增加DSP的性能或功能，而且使得整体功耗降低，从而使得尺寸更小的可插拔模块成为可能[7]，如OSFP,QSFP-DD等，如表1.4所示。 表1.3.CMOS工艺节点演进及性能改善 2011年40nm->28nm 2015年28nm->16nm 2018年 16nm->7nm 2020年 7nm->5nm 2022年5nm->3nm 性能(%) 50 60 30 15 10 功耗(%) -40 -60 -60 -30 -20 面积(%) -26 -50 -70 -45 -42 尽管经过10余年的发展，相干光模块仍然保持高性能和低功耗两种形态继续演进，前者一般是对应MSA固定封装形态，后者对应可插拔形态，但当前运营商在节能减排、低碳环保的压力下，对低功耗模块需求更加迫切，一些交换机，路由器等设备受限于面板槽位及端口，对模块尺寸也有更明确的要求。据统计在国内近年来发货相干光模块中，可插拔形态的模块占比高达90%以上。当然，OTN电信市场与传统数通市场不同，电信市场对传输距离有明确要求，因此模块在尺寸功耗降低的同时还得保证性能，这主要是通过先进制程DSP芯片来保证。尽管步入5nm后CMOS工艺的红利在逐步减小[6]，基于IEEE国际器件与系统路标（IRDS)，芯片制程工艺仍然可持续进步，如2025年有望实现2.1nm，2028年进 入1.5nm,2031年进入1nm。无疑这将继续支持相干DSP芯片持续提速、降功耗，为B400G相干光模块保持小型化可插拔形态奠定可能性。 表1.4.相干光模块形态基本参数 模块形态 尺寸(长宽高/mm) 功耗限制 (W) 图片示例 MSA(5x7’) 177.8*127*33 90 MSA(4x5’) 127*101.8*25 45 CFP 144.8*82*13.6 32 CFP2 107.5*41.5*12.4 24 QSFP-DD 89.4*18.3*8.5 15 OSFP 100.4*22.9*13.0 30 1.4.短距应用先行，新一代模块提升上一代长距传输能力 图1.4.单波400G系统主要特征及传输能力 同一相干光模块支持多速率、多调制格式，可支持不同应用场景也是光传输系统演进的重要特点。