高速全光网和新型光纤关键技术探讨

高速全光网和新型光纤关键技术探讨 张德朝 中国移动研究院基础网络技术研究所2023年9月5日 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 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 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 3 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 1ms时延圈 5ms时延圈 20ms时延圈 接入 OTN OTN/OXC OTN/OXC OTN/OXC PON 400G 地市省域/区域骨干 新型全光架构 灵活高效+三级时延圈 超大带宽400G 灵活调度OXC+ODU+fgOTN 泛在接入50GPON+FTTR 前沿技术800G+空芯光纤及系统 4 目录 1算力网络驱动全光网发展 新型全光网关键技术演进 2 -超大带宽 -泛在接入 -前沿技术 5 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 重大挑战 OSNR容限劣化至少6dB 波段范围增加至少200% 器件带宽提升至少3倍 6 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 ECOC2019,W.1.A. ECOC2019,Tu1A.1. ScientificReports,9(17162),2019. OFC2023,W2B.16. ECOC2019,We3c1.5.7 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400GQPSK5616km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80×400GQPSK1673km现网试验 技术极限能力探索 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 面向经典商用场景 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)，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，400GQPSK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 波特率64GBd→91GBd 性能相比16QAM 从~22dB提升到~17dB 16QAM-PCS QPSK 完成现网链路设置下400GQPSK/16QAM-PCS2018km性能对比 链路：现网链路设置下的真实QPSK/16QAM-PCS性能比较 QPSK较16QAM-PCS整体优势提升2dB：B2BOSNR容限1dB1dB 入纤功率 QPSK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%+ 100GHz间隔，8THz总谱宽 波特率64GBd→130GBd 性能相比16QAM 从~22dB提升到~16dB 150GHz间隔，12THz总谱宽 400G关键技术2-超高速光器件 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 符号速率 ~30GBd ~130GBd oDSP 频谱整形 优化滤波代价 非线性补偿 新封装：分立→集成 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 10 400G关键技术3-超宽谱有源模块：C6T+L6TEDFA •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 厂家A 厂家B 厂家C 5.6~6.9dB 4.1~6.5dB 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集成度：厂家A/B仍为C6T、L6T分体，厂家C为C6T+L6T同模块实现 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 400G关键技术3-超宽谱有源模块：C6T+L6TWSS •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12THzC+L波段WSS演进 发展现状 演进趋势 向C6T+L6T一体化WSS演进 •优化光路设计，减小WSS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 分体WSS无法实现波段间调度一体化WSS可实现C+L全波段调度 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 光层架构 链路损伤 网络运维 •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 13 400G关键技术5-光纤技术选择：G.652DvsG.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 100GDP-QPSK：OSNR余量平均提升2.39dB(1539.6km) 200GDP-16QAM/QPSK： OSNR余量平均分别提升1.82dB(16QAM，1058.9km)/2.76dB(QPSK，1539.6km) 400GDP-16QAM： G.654.E系统相对G.652.D系统，OSNR 余量平均提升1.87dB(136.5km) 9 G.652.D G.654.E 2.39dB 2.76dB 1.82dB 1.87dB OSNR余量（dB） 6 3 0 100G 200G16QAM 200GQPSK400G16QAM 14 400G关键技术5-光纤技术选择：G.652DvsG.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 G.652D与 G.654.E性能对比 4.2E-2 400GQPSK环路，C6T+L6T，EDFA，跨损22dB 实验室超长距环路验证 5.5dBOSNR余量容限 传输前和传输5000km后的光谱 •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 15 泛在接入-构建50GPON+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 从设备光层OAM管理主设备光层OAM管理 原生管控通道 PON·构建万兆光接入 FTTR·增强千兆光覆盖 •进展：联合业界实现中国产业对50GPON代际技术和标准的引领，50GPON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 •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 16 50GPON技术发展 •50GPON国际标准体系已基本建立，当前正处于样机研发阶段 •50GPON系统相比10GGPON，需采取多项全新技术方案，以满足系统各项指标要求 ITU-TG.9804 系列标准立项 第一版G.9804国际标准发布，研发原型机并测试 开展非对称样机实验室测试与现网试点测试 开发对称型样机并开展现网试点测试 持续完善系统性能，满足商用要求 商用试点 20192021 20222023 2024? ONU侧为宽带激光器，无需制冷路 oDSP：50G速率信号对传输损伤更敏感，需采用数字信号处理技术 10GGPON 50GPON TEC：为实现三模波分共存，上行波长为窄带选项，ONU发射机需添加TEC 使用纯模拟信号处理技术 发射光功率较低，无需光放大器路 采用RSFEC码型，纠错容限为1E-3路 SOA：EML/DML存在饱和输出瓶颈，需添加SO