王东：新型400G全光网技术及演进探讨

新型400G全光网技术及演进探讨 中国移动研究院王东2023年11月25日 目录 400G高速光传输技术及进展 超400G光传输前沿技术探讨 1 2 2 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 光网络是算力网络的重要基础和坚实底座，面向算力网络对光网络在超大带宽、超长距离、超低时延方面提出的更高要求，需转型升级构建承载算力的新型全光底座 3 400G–光传输网的5G •光网络已迎来以400G宽谱传输为标志的第五次重大技术变革 •已启动全球最大规模集采和部署，开启400G商用元年 SDH2.5GWDM10GWDM/OTN100GOTN400GOTN 1989 1996 20032013 2023 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) 构建覆盖全国的新型400G全光网：400G骨干网+400G城域网4 400G系统面对超高速率、超宽频谱和新型信道损伤等全新挑战，通过光器件、有源模块和光系统架构三大技术变革实现骨干网由100G到400G的代际演进 400G骨干网的三大技术挑战和变革 1新器件 2新波段 3新损伤 符号率：~30GBd→~130GBd，提升四倍C波段→C+L波段，扩展三倍SRS转移：100G<1dB→400G~7dB，增加6dB 1超高速光器件 2超宽谱有源模块 3超宽带光系统架构 光电合封、高性能DSP、先进工艺共同推动符号率从~30GBd提升到~130GBd 优化器件设计与材料工艺，减小EDFA、WSS在C/L波段性能差异，向C+L一体化演进 自适应SRS均衡，破解动态网络运维难题，力争功率平坦度<±0.5dB 5 构建世界最长距离400G光传输技术试验网络 发布世界最长距离400G光传输现网技术试验网络，召开3次技术发布会，推进实现400G长距传输3项试验纪录，为拉动400G加快成熟、构建算力网络的大带宽低时延全光底座打下坚实基础 5616km浙江宁波←→贵州贵安试验网7000km实验室测试系统架构1673km湖南隆回←→贵州贵安试验网 基于G.652.D光纤实现400GQPSK5616km 传输，创现网传输世界纪录 •EDFA/拉曼混合放大，光纤维护余量0.06dB/km，过系统后OSNR余量2.2dB 基于G.654.E光纤实现400GQPSK7000km 传输，是目前实验室测试的最高水平 •纯EDFA放大，C6T+L6T波段，无余量 基于G.652.D光纤实现全球最长距离的经典商用场景80×400GQPSK1673km现网试验 •纯EDFA放大，C6T+L6T波段，光纤维护余量0.06dB/km，过系统后余量6.4dB 6 400G骨干网规模商用加速产业发展 •业界首次400GQPSK技术规模商用，推动全光网进入400G时代 •将进一步推进超宽谱系统、C+L一体化、模块性能提升等技术演进 超宽谱系统 高速率模块 C+L一体化 oDSP 信号光 DummyLight光 频谱整形 优化滤波代价 非线性补偿 填充波+自适应均衡抑制SRS功率转移产生的性能劣化 模块B2BOSNR容限优化~1dBL波段EDFA噪声系数提升 目标：C+L一体化的ITLA、EDFA、WSS等核心关键器件 现状：已实现C+L一体化WSS •L6T光放大器噪声系数仍需进一步优化，力争达到与C6T差异~1dB •协同攻关EDFA、WSS、ITLA等模块和器件C+L一体化，进一步简化光层系统复杂度 7 C6T+L6T波段~12THz 传输距离>1500km C4T+L4T波段~8THz 传输距离~1000km 400G中短距技术路线：省域网络 面向省域传输场景，存在400G16QAM-PCS、QPSK两条潜在技术路线，应重点结合传输能力和部署成本综合考虑 波特率~91GBd 波特率~130GBd 16QAM-PCSQPSK 省域网络部署OLP保护引入4.5~5dB插损，16QAM-PCS传输能力难以满足全国所有省份应用需求QPSK相比16QAM-PCS整体性能提升2dB：B2BOSNR容限1dB、入纤功率1dB，可以覆盖省域所有场景 省域网络400G技术路线选择 •方案一：将16QAM-PCS、QPSK收敛至一种调制格式，所有省域场景采用统一技术 •方案二：16QAM-PCS、QPSK两种技术方案并存，面向不同省域需求选择使用 8 C6T波段/C+L波段 C6T波段~6THz 400G中短距技术路线：城域网络 面向城域传输场景，存在400G16QAM、16QAM-PCS两条潜在技术路线，应重点结合频谱效率和低成本部署综合考虑 波特率~67GBd 波特率~91GBd 16QAM16QAM-PCS 传输距离~720km （逐点OXC模型） 传输距离~240km （逐点OXC模型） 城域网络部署需考虑OXC组网和OLP保护引入代价，16QAM可以低成本满足数据中心互联及城域网部分需求16QAM-PCS相比16QAM传输性能提升4dB，可覆盖城域传输主要场景 16QAM-PCS存在C6T60波、C4T+L4T80波、C6T+L6T120波三种方案，城域网是否引入C+L仍待研究 •相比现有C波段系统，C+L引入SRS转移问题，需配置填充波长、SRS功率均衡，增加网络部署和运维管理复杂度 •C+L目前为分立式光层系统，考虑城域OXC组网对波长灵活调度需求，更需向一体化演进 9 目录 400G高速光传输技术及进展 超400G光传输前沿技术探讨 1 2 10 重用130GBd产业链推进单波800G传输 •基于16QAM码型可重用400G时代130GBd产业链实现单波800G传输，在采用G.652.D光纤+纯EDFA放大+满波配置的系统模型下，具备880km（11×22dB）极限传输能力 实验架构 •C6T+L6T，2个真波+78填充波 •G.652.D光纤+纯EDFA放大 系统末端误码率与净余量vs通道 经11跨光纤传输后，C6T+L6T全波段通道性能逼近FEC纠错门限4.4×10-2，且系统末端最小 净余量（扣除通道代价）已低至0.16dB，基本不具备进一步延长传输距离的空间11 重用400G时代130GBd产业链难以满足800G骨干长距传输需求，需进一步提升800G信号波特率以提高系统性能 800G长距传输需更高速率光电器件技术突破 •800G信号符号率从130GBd提升至180GBd，传输距离可提升30%（~900km→~1200km） •800G时代G.654.E光纤相比G.652.D预计将带来较大的性能提升 •克尔非线性效应+更低的SRS功率转移 •80km传输SRS功率转移：G.654.E~3dB，G.652.D~7dB 预计180GBd及以上波特率将是超长距800G的主流符号率，需进一步推动光电器件向更高波特率突破 12 •800G时代G.652.D无法满足长距骨干需求，G.654.E成为更佳选择。 •但面对潜在的S+C+L超宽谱应用，需解决现有G.654.E光纤指标与宽谱系统间的失配问题，实现截止波长、宏弯损耗等参数性能的改善 ITU-TG.654.E截止波长定义：1530nm 向更低截止波长演进 控制长波宏弯损耗 G.654.E 消水峰 截止波长应向≤1470nm演进 实现对S/L波段光纤参数定义 消除水峰扩展G.654.E应用范围 G.654.E作为800G时代更佳选择仍需深度匹配宽谱系统需求 ITU定义：<1530nm（不满足C6T需求）企标定义：<1522nm G.654.E目前仅针对C波段定义了传输损耗、宏弯损耗等关键指标 此前缺乏宽谱应用需求，工艺上未对G.654.E水峰进行处理 13 •为探索超Tb/s单波及S+C+L波段满波配置下单模实芯光纤的信道极限，联合业界开展了单波净速率超Tb/s的S+C+L多波段满波配置超宽带实验 •在2×75kmG.654.E光纤上采用纯掺杂光纤放大的形式，实现了总容量144.67Tb/s的单波超Tb/s级满波验证 Results 单波净速率超1Tb/s的S+C+L多波段满波配置超宽带实验 •符号率115GBd，通路间隔125GHz，总谱宽19.5THz（156波）：S7.5T(1460-1522nm)+C6T(1524-1572nm)+L6T(1575-1626nm) •S波段采用32QAM-PCS+16QAM-PCS，C与L波段采用64QAM-PCS，平均单波速率分别为0.778Tb/s、1.03Tb/s与1.01Tb/s 14 反谐振空芯光纤的趋势和方向 反谐振空芯光纤能够在波导内实现空气/真空导光，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，为智算网络和分布式大模型提供全新的高性能底座，有望改变半个世纪以来基于实芯光纤的光通信行业 实芯光纤 自光纤发明以来，光纤都是实芯光纤，光的传播与拘束可采用射线光学的全内反射机理解释。 极限1时延 实芯石英介质折射率约为1.46介质光速≈真空光速/1.46 介质光速≈空气光速/真空光速 传输时延降低1/3，突破固有时延极限 反谐振空芯光纤 空气/真空是最佳导光介质，反谐振空芯光纤基于反谐振反射机理对光进行束缚和传播。 极限2容量 空气导光使得非线性系数降低3-4个数量级，直接突破限制容量的非线性香农极限 15 小结 400G超长距已启动规模商用，明确QPSK为400G骨干长距传输方案，国内主流厂家就激光器、EDFA、WSS等核心器件全面支持12THzC6T+L6T波段，光通信迈入宽谱时代。400G中短距存在不同应用场景，近期将明确技术路线 面向下一代光通信，长距800G需从C+L进一步向C+L+S多波段探索，G.654.E光纤、180G以上高波特率器件等核心技术需产业协同开展前沿研究 16 谢谢！