400G全光网技术演进及应用展望

400G全光网技术演进及应用展望 李晗 中国移动集团级首席专家 中国移动研究院基础网络技术研究所2023年6月14日 目录 1 全光网需求与发展趋势 2 超高速400G光传输系统 3 颠覆性反谐振空芯光纤 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 面向算网基础设施构建 完善算网资源布局，夯实算力网络底座，增强设施供给能力 主线二 面向业务融合创新 实现算网高效协同，支持CHBN业务融合发展，创新平台服务能力 主线三 面向创新技术引领 实现创新技术引领，打造原创技术策源地，深化技术赋能能力 中国移动算力网络总体策略 算力基础设施 边缘算力 中心算力大区算力 光网络基础设施 PON SPN OTN 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 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 1ms时延圈 5ms时延圈 20ms时延圈 接入 OTN OTN/OXC OTN/OXC OTN/OXC OTN 400G 地市省域/区域骨干 核心需求 超大带宽 超低时延 面向算力网络构建全光底座 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 目录 1 全光网需求与发展趋势 2 超高速400G光传输系统 3 颠覆性反谐振空芯光纤 400G–光传输网的5G SDH2.5GWDM10GWDM/OTN100GOTN400GOTN 1989 1996 20032013 2023 16QAM 16QAM-PCS QPSK 调 波制 特阶 率数 概率星座整形 PCS映射机制 偏振 调 波制 特阶偏 率数振 �×�×�𝟓�×�×� =𝟓��𝑏/�=𝟓��𝑏/� •波特率：~67GBd •波道间隔：75GHz，总谱宽6THz •传输距离<600km •概率星座整形(PCS)算法→波特率↑~91GBd •波道间隔：100GHz，总谱宽8THz •传输距离达~1000km •采用QPSK，波特率：~130GBd •波道间隔：150GHz，总谱宽12THz •传输距离可达>1500km 400G是指单波长能够承载400G类型业务的传输技术 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PCS2021.12至今：推动QPSK走向成熟 京津济宁现网试点 （2018.8） 调制格式：16QAM 光纤：G.654E 放大：EDFA 波段：C6T 603km(5.3dB余量) 实验室测试 （2021.8) 调制格式：16QAM-PCS 光纤：G.652D/G.654E 放大：EDFA/拉曼EDFA混合 波段：C4T/C6T 1120km@G.652D(6dB余量)1700km@G.654E(7dB余量) 辽宁沈大现网试点 （2021.11） 调制格式：16QAM-PCS 光纤：G.652D/G.654E 放大：EDFA/拉曼EDFA混合 波段：C4T/C6T 1077km@G.652D(6dB余量)1333km@G.654E(8.2dB余量) 实验室拟现网测试 （2022.8） 调制格式：QPSK原型机 光纤：G.652D 放大：EDFA/拉曼EDFA混合 波段：C6T 3038km(4.5dB余量) 实验室测试 （2023.2） 调制格式：QPSK原型机 光纤：G.652D/G.654E 放大：EDFA 波段：C6T+L6T 7000km(2.46dB余量) 浙赣湘黔现网试点 （2023.2） 调制格式：QPSK模块 光纤：G.652D 放大：EDFA/拉曼EDFA混合 波段：C6T/C6T+L6T 5616km(2.2dB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 中国移动400G技术研究历程 ECOC2019,W.1.A. ECOC2019,Tu1A.1. ScientificReports,9(17162),2019. OFC2023,W2B.16. ECOC2019,We3c1.5.7 •基于现网G.652.D光纤实现C6T波段400GQPSK5616km传输，创现网传输世界记录 •基于G.654.E光纤实现C6T+L6T波段400GQPSK7000km传输，是目前实验室测试的最高水平 实验室传输纪录 400GQPSK极限传输技术试验 现网传输纪录 宁波←→贵安现网试点路由 G.652.D光纤+EDFA/部分拉曼放大，C6T/C6T+L6T 2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2.2dB 6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 C6T+L6T400GQPSK环路传输系统 G.654.E光纤+纯EDFA放大，C6T+L6T 总计7000km，跨段数70，每环路10*100km，过系统后OSNR余量为2.45dB 经1673kmG.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 现网配置 C+L波段性能遍历 业务加载 全球最长陆地距离的纯EDFA80×400GQPSK1673公里现网实时传输 东数西存：5G日志留存跨域查询 贵安←→隆回现网试点路由 G.652.D光纤+纯EDFA放大，C6T+L6T 总计1673km，跨段数30，预留光纤维护余量(0.06dB/km) >6dB 背靠背OSNR容限C6T：~15.9dB，~15.8dBL6T：~16.4dB，~15.8dB 末端OSNR：平均可达22.2dB，余量~6.4dB 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 400G 渲染前渲染后 东视西渲：横店影视基地原片渲染项目 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400GQPSK高性能传输 400G时代变革1-超高速光器件 oDSP 新封装：分立→集成 ~30GBd 符号速率 ~130GBd 频谱整形 优化滤波代价 非线性补偿 光电合封有效优化器件带宽 新算法：线性→线性+非线性高精度非线性补偿算法提升性能 新工艺：14nm→5/7nm 提升数字信号处理能力与数据吞吐量 采用400GQPSK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 宽谱放大器 宽谱光收发机 厂家B-分体 4.1~6.5dB 5.6~6.9dB 厂家A-分体 •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 厂家C-一体 4.3~6.5dB 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 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12THz 400G时代变革2-超宽谱有源模块 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C6TNF差异~1dB，并向C6T/L6T一体化演进。 C+L波段WSS演进 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 光层架构 链路损伤 网络运维 400G时代变革3-超宽带光系统架构 •难点：C波段（1套）→C+L波段（2套） •方法：光层向一体化演进，降低运维难度 •难点：标准跨段SRS最大功率转移>7dB •方法：功率倾斜、放大器斜率配置均衡SRS •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 目录 1 全光网需求与发展趋势 2 超高速400G光传输系统 3 颠覆性反谐振空芯光纤 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 实芯单模光纤反谐振空芯光纤 极限1容量 损耗 衰减已达0.142dB/km理论极限 带宽 可用频谱15~18THz，当前已用12THz 非线性 非线性影响彻底凸显，不能依靠增加功率增加传输距离，单波入纤功率需≤6dBm 预期衰减极限<0.1dB/km可用频谱超100THz 非线性系数低3-4个数量级，非线性效应可忽 略，单波入纤功率可增加1000倍以上 光纤通信系统进一步提升性能面临极限 极限2时延 介质光速 SiO2折射率约为1.46 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 介质光速≈真空光速/1.46 介质光速≈空气光速/真空光速光纤时延降低1/3 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 2002年/巴斯大学 首个反谐振空芯光纤，损耗500dB/km 2010年/巴斯大学汪滢莹 损耗降低46个数量级至40dB/km 2017年/南安普顿大学 损耗首次进入10dB/km内（7.7dB/km） 2018年/北工大与中科院物理所丁伟/汪滢莹团队损耗首次进入低损耗区间（2dB/km） 2022年/南安普顿大学 论文报道0.174dB/km，口头已达0.138dB/km 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 在通信领域，光纤作为大规