李晗:面向算力网络的400G全光网技术创新与应用展望

面向算力网络的400G全光网技术创新与应用展望 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9月6日 目录 1 面向算力网络的全光网发展 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 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 1 面向算力网络的全光网发展 2 超高速400G光传输系统 3 颠覆性反谐振空芯光纤 光网络迎来第五次重大技术变革，400G代际演进迈入宽谱通信新时代 400G–光传输网的5G SDH2.5GWDM10GWDM/OTN100GOTN400GOTN 1989 1996 20032013 2023 调 波制 特阶偏 率数振 16QAM16QAM-PCS 概率星座整形 PCS映射机制 QPSK 调 波制 特阶偏 率数振 67×4×2 =536𝐺𝑏/� 134×2×2 =536𝐺𝑏/� •波特率：~67GBd •波道间隔：75GHz，总谱宽6THz（C波段） •B2BOSNR容限：要求~22.5dB，实测 ~20dB（MSA）、~21dB（CFP2） •传输距离<240km（逐点OXC模型） •波特率：~91GBd •波道间隔：100GHz，总谱宽8THz（C+L） •B2BOSNR容限：要求~18.5dB，实测 ~17.5dB（MSA） •传输距离<720km（逐点OXC模型） •波特率：~130GBd •波道间隔：150GHz，总谱宽12THz（C+L） •B2BOSNR容限：要求~17dB，实测 ~16dB（MSA） •传输距离可达>1500km 16QAM满足DCI场景需求，传输性能提升可考虑城域部分应用 16QAM-PCS可覆盖城域传输主要场景QPSK支持骨干长距/超长距传输 6 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 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 基于G.652.D光纤实现400GQPSK5616km 传输，创现网传输世界纪录 •EDFA/喇曼混合放大，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 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 在光通信领域发展的十字路口，定义400G骨干全光网进入宽谱时代，统一和引导400G全产业链向C6T+L6T宽谱架构演进，实现130GBd调制器、宽谱EDFA、WSS等关键器件和有源模块技术突破 1新器件 1新波段 1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 核心器件及技术难点 激光器：C6T扩展至C6T+L6T可调 调制器：带宽提升4倍，L波段损耗大 放大器：L波段长波增益低，SRS新考量 WSS：C6T扩展至C6T+L6T 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 ~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，支持400G超1500km传输 400GQPSK光模块均为MSA固定模块，以满足长距传输性能为主，封装形式有待优化 C+L-ITLA C-ITLA L-ITLA 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 MSA固定模块可插拔相干CFP可插拔相干CFP2 在传输性能基本不变或满足系统要求的前提下向可插拔、小型化 、低功耗演进，100G/200GMSA和CFP2传输性能已基本持平 •此前L6T放大器尚属空白，铒离子在L波段长波增益难以提升、放大效率低，体积相比C6T放大器提升60% •频谱扩展至12THzC6T+L6T后，受激拉曼散射效应（SRS）带来的功率转移问题凸显，但也减小了L波段长波的等效跨损，补偿L长波由于NF和增益较差丢失的性能，缓解对L波段放大器性能要求 100G时代光谱宽度仅有4THz，影响可以忽略；400G时代光谱总宽度达12.5THz，非常接近13.4THz的SRS增益峰值 理论仿真和实验测量：仿真可知，经过80kmG.652D传输，应产生约7dB的功率差；实验重点验证了SRS问题，实测最长波+3dB，最短波-4.3dB，与仿真基本一致，此为400G带来的全新问题 现网试验：利用SRS效应对L波段放大器设计，即使存在~3dB的NF差距，仍然可以实现~0.5dB的末端OSNR平坦度 C6T波段与L6T波段放大器实物 SRS增益谱与波段设置实测SRS对C4T和C6T+L6T的影响 现网试验传输后末端OSNR •联合产业集中攻关，国内主流厂家已支持分立式12THzEDFA，后续向小型化、C+L一体化演进 •400G80波系统性能目前受限于L波段EDFA的噪声系数，需进一步提升L6T-EDFA性能 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 •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 1 面向算力网络的全光网发展 2 超高速400G光传输系统 3 颠覆性反谐振空芯光纤 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 反谐振空芯光纤 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。 实芯石英介质折射率约为1.46介质光速≈真空光速/1.46 极限1时延 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 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 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