王东:面向算力网络的新型全光网技术发展及关键器件探讨

面向算力网络的新型全光网技术发展及关键器件探讨 王东 中国移动研究院基础网络技术研究所2023年9月7日 目录 400G新型全光网关键技术及进展 2 1 全光网总体架构与发展趋势 算力网络光网先行 中国移动锚定“世界一流信息服务科技创新公司”新定位，系统打造“5G+算力网络+智慧中台”新型信息基础设施，创新构建“连接+算力+能力”新型信息服务体系，力争实现“网络无所不达、算力无所不在、智能无所不及”，助力全社会提升运用新一代信息技术的效益和效率 关键技术 400G 大管道 低时延 OXC 全光组网 光底座是算力网络的重要组成 核心要求 大带宽 三个无所 SDN 光网络是算力网络的重要基础和坚实底座 算力网络发展驱动光网络技术变革 东数西算作为典型场景，对超大带宽、超长距离、低时延方面提出更高的要求面向算力网络对光传送网提出新的需求，光网络需转型升级构建承载算力的光底座 超长距离(>1500km)+海量数据 西部地区 东部地区 场景 需求 东数西算：超低时延 东数西存：海量数据 东数西训：大带宽 东数西渲：超低时延 容量：100G无法满足需求 400G势在必行 时延：骨干:<20ms 省内/区域:<5ms 城域:<1ms 44 超大容量、灵活传送、低时延是新型全光网匹配算力网络发展需求的三大关键特征面向东数西算枢纽连接，构建400G高速互联的基于OXC的新一代光电联动全光网 1ms时延圈 5ms时延圈 20ms时延圈 面向算力网络构建基于OXC的光电联动新型全光网 接入 OTN/OXC OTN/OXC OTN/OXC OTN PON 400G 地市省域/区域骨干 构建三级时延圈，OXC+400G是新型全光网两大核心技术 目录 400G新型全光网关键技术及进展 2 1 全光网总体架构与发展趋势 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 400G–光传输网的5G SDH2.5GWDM10GWDM/OTN100GOTN400GOTN 1989 1996 20032013 2023 如何有效进一步提升传输性能和集成度 调制码型子载波数量 放大器新光纤 400G是指单波长能够承载400G类型业务的传输技术 调制格式是超高速传输的最关键技术，直接决定系统的技术方向面向多种竞争调制格式，收敛调制格式是400G面临的首要问题 10G 40G 100G 200G 400G 400G技术路线 NRZ ODB P-DPSK RZ-DQPSK PM-QPSK PM-QPSK PM-16QAM PM-QPSK PM-16QAM-PCS(100/112.5GHz) PM-16QAM PM-32QAM 16QAM 16QAM-PCS QPSK 概率星座整形PCS映射机制 •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 PM-64QAM 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) 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,We3c1.5.9 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 构建世界最长距离400G光传输技术试验网络 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 明确QPSK是400G骨干长距传输技术方案 完成现网链路设置下400GQPSK/16QAM-PCS2018km性能对比 QPSK较16QAM-PCS整体优势提升2dB：B2BOSNR容限1dB 入纤功率1dB 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%+ 通过方案设计、理论分析、试验验证，400GQPSK相对16QAM-PCS整体性能提升2dB、传输距离提升50%+，明确成为骨干长距传输解决方案 系统配置 现网场景 浙江宁波→湖南邵阳2018km 跨段数 32 >22dB占比 56.25% >25dB占比 28.13% 混合拉曼放大数量 8 被测调制格式 QPSK16QAM-PCS 面向1500+公里80波长距传输的骨干网需求，相比100G，400G面临全方面的技术革新，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 400G超高速光传输面临哪些技术挑战 重大挑战 OSNR容限劣化至少6dB 器件带宽提升至少3倍 波段范围增加至少200% 400G调制格式的选型直接决定调制器技术方案，QPSK对调制器要求更为严苛 高带宽调制器的突破推动信号符号率从~30GBd提升四倍至~130GBd，满足400GQPSK高性能传输 100G QPSK@50GHz 200G QPSK@75GHz 400G短距 16QAM@75GHz 400G中距 16QAM-PCS@100GHz 400G长距 QPSK@150GHz 400G关键技术1-高速调制器&ITLA ~30GB ~60GB ~60GB ~90GB ~130GB C6T与L6T分体式ITLA性能已满足规模应用需求，线宽<150kHz可满足400G系统需求进一步优化激光器增益区与选频光腔，推进ITLA由分体式向C6T+L6T一体化演进 C-ITLA 性能：线宽<150kHz，已可支持 C+L-ITLA ~130GBdQPSK超2000km传输 L-ITLA 集成度：业界ITLA目前均为C/L波段分体式，向12THz一体化演进 400G关键技术2-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 •SRS造成的功率转移，减小了L波段长波的等效跨损，可补偿L长波由于NF和增益较差丢失的性能，缓解了对L波段放大器性能的要求 •C6T+L6T400G现网试验结果表明：即使存在~3dB的NF差距，仍然可以实现~0.5dB的末端OSNR平坦度 SRS对L波段放大器设计的影响 系统拓扑 传输性能 •现网链路：贵州贵安←→湖南隆回 •系统配置：C6T+L6T，80波400GQPSK，纯EDFA放大 •放大器：C6T噪声系数最小3.96dB、L6T最大6.86dB，差距~3dB •末端OSNR：平均22.2dB，C+L波段最大~22.4dB，最小 ~21.9dB，平坦度~0.5dB 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 •方法：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 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 •首次实现单载波800G1000km@G.654.E、单通道电域多子载波800G2000km@G.654.E 800G进展 限) 1500km(极 1000km(5dB裕量) 1300km(5dB裕量) 2018km(极限) G.654.E+拉曼EDFA混合放大G.654.E+纯拉曼放大 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（ECOC2021） 基于95GBd的64QAM-PCS800G，采用G.654.E+纯拉曼放大，可实现2018km极限传输（ECOC2022） 800G技术实验室验证进展传输2000km后，800G信号收端光谱 ECOC2021,We3C1.5ECOC2022,Tu1A.117 800G技术路线和系统架构仍需进一步研究 •技术路线攻关：800G存在多种调制码型、器件速率等潜在路线，G.652D是否还能满足需求、G.654E截止波长应如何修订、拉曼放大器应用前景，均需从系统层面统筹研究并明确技术方案 •系统架构研究：是否维持单纤80波、是否扩展S波段还需持续探索