李晗:面向算力网络的400G全光网技术创新与应用展望

李晗 面向算力网络的全光网发展 1 超高速400G光传输系统 颠覆性反谐振空芯光纤 3 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 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 面向算力网络构建400G新型全光底座 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 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 面向算力网络的全光网发展 1 超高速400G光传输系统 颠覆性反谐振空芯光纤 3 400G –光传输网的5G •波特率：~91GBd•波道间隔：100GHz，总谱宽8THz（C+L）•B2B OSNR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）•B 2 B O S N R容 限： 要 求~ 1 7 d B， 实 测~16dB（MSA）•传输距离可达>1500km •波特率：~67GBd•波道间隔：75GHz，总谱宽6THz（C波段）•B2B OSNR容限：要求~22.5dB，实测~20dB（MSA）、~21dB（CFP2）•传输距离<240km（逐点OXC模型） 16QAM满足DCI场景需求，传输性能提升可考虑城域部分应用 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PCS 2021.12至今：推动QPSK走向成熟 浙赣湘黔现网试点（2023.2）ü调制格式：QPSK模块ü光纤：G.652Dü放大：EDFA/拉曼EDFA混合ü波段：C6T/C6T+L6Tü5616km(2.2dB余量) 京津济宁现网试点（2018.8）ü调制格式：16QAMü光纤：G.654Eü放大：EDFAü波段：C6Tü603km (5.3dB余量) 实验室测试（2023.2）ü调制格式：QPSK原型机ü光纤：G.652D/G.654Eü放大：EDFAü波段：C6T+L6Tü7000km(2.46dB余量) 实验室拟现网测试（2022.8）ü调制格式：QPSK原型机ü光纤：G.652Dü放大：EDFA/拉曼EDFA混合ü波段：C6Tü3038km(4.5dB余量) 辽宁沈大现网试点（2021.11）ü调制格式：16QAM-PCSü光纤：G.652D/G.654Eü放大：EDFA/拉曼EDFA混合ü波段：C4T/C6Tü1077km@G.652D (6dB余量)1333km@G.654E (8.2dB余量) 实验室测试（2021.8)ü调制格式：16QAM-PCSü光纤：G.652D/G.654Eü放大：EDFA/拉曼EDFA混合ü波段：C4T/C6Tü1120km@G.652D(6dB余量)1700km@G.654E (7dB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 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，为构建算力网络的大带宽、低时延全光底座打下坚实基础 1673km湖南隆回←→贵州贵安试验网 5616km浙江宁波←→贵州贵安试验网 7000km实验室测试系统架构 基于G.652.D光纤实现400G QPSK5616km传输，创现网传输世界纪录 基于G.652.D光纤实现全球最长距离的经典商用场景80×400G QPSK1673km现网试验 基于G.654.E光纤实现400G QPSK7000km传输，是目前实验室测试的最高水平 •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 •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 •纯EDFA放大，C6T+L6T波段，无余量 明确QPSK是400G骨干长距传输技术方案 通过方案设计、理论分析、试验验证，400G QPSK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 完成现网链路设置下400G QPSK/16QAM-PCS 2018km性能对比 üQPSK较16QAM-PCS整体优势提升2dB：B2B OSNR容限1dB入纤功率1dBüQPSK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%+ 核心器件技术突破助力光通信产业走向宽谱新时代 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 核心器件及技术难点 l激光器：C6T扩展至C6T+L6T可调l调制器：带宽提升4倍，L波段损耗大l放大器：L波段长波增益低，SRS新考量lWSS：C6T扩展至C6T+L6T 400G器件级技术1 -高速光模块 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400G QPSK高性能传输 400G QPSK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 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 l进一步优化激光器增益区与选频光腔，推进ITL A由分体式向C6T+L6T一体化演进 l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/200G MSA和CFP2传输性能已基本持平 400G器件级技术2 -超宽谱有源模块：SRS影响L波段放大器设计 •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12 THz C6T+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 C6T波段与L6T波段放大器实物 现网试验传输后末端OSNR l100G时代光谱宽度仅有4 THz，影响可以忽略；400G时代光谱总宽度达12.5 THz，非常接近13.4 THz的SRS增益峰值 l理论仿真和实验测量：仿真可知，经过80km G.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 l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 400G器件级技术2 -超宽谱有源模块：C6T+L6T EDFA •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 •400G 80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 ü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 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C6T NF差异~1dB，并向C6T/L6T一体化演进 400G器件级技术3 -超宽谱有源模块：C6T+L6T WSS •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12THz C+L波段WSS演进 演进趋势 分体WSS无法实现波段间调度 向C6T+L6T一体化WSS演进 •优化光路设计，减小W SS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 面向算力网络的全光网发展 1 超高速400G光传输系统 颠覆性反谐振空芯光纤 3 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。 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。 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，是未来超高速光传输系统可能的理想介质 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 反谐振空芯光纤应当标准化、并面向规模商用演进 在通信领域，光纤作为大规模商用的产品必须标准化。以往实芯光纤只需统一模场直径等关键特性，无需限定掺杂和结构，即可实现互连互通。但反谐振空芯光纤变为以结构决定光纤特性，结构不同则无法直接互连，标准化更为重要。 如何设计反谐振光纤结构，以达到可商用的损耗水平？ 结构代替材料，生产流程巨变，如何进行工业化生产？ 生产流程变化后，需要反谐振空芯光纤仍然能够尽快达到原实芯单模光纤可比拟的拉丝长度，实现低成本规模量产。 五花八门的反谐振空芯光纤结构必须实现归一与标准化，为大规模工业生产铺平道路。 中国移动在反谐振空芯光纤及其传输系统方面的研究进展 中国移动与北京大学、暨南大学等伙伴从光纤设计与拉制、面向空芯光纤的光通信系统攻关、产业生态和标准化等方面深度合作，联合推进空芯光纤及其光传输系统技术发展 系统技术攻关 产业生态与标准 光纤设计与拉制 •从反谐振空芯光纤的全新关键参数特性出发，自底向上重构信道模型，开展信道容量极限估计、新物理维度的系统架构、关键光器件等关键方向研究 •希望凝聚产业共识，通过学术和产业组织，协同全产业共同突破反谐振空芯光纤大规模工业化制备难题，通过标准化进程，引导方案归一，加快应用进展 •深入研究空芯光纤损耗物理损伤机制，以及公里级拉制中微纳精度复杂结构调控，联合研发团队暨南大学已提出了连体管式（CTF）、圆弧管式（STF）反谐振空芯光纤结构 •当前进展： •当前进展： •当前进展：已在STF上实现0.28dB/km@1290nm的损耗，单次拉制长度可≥5km，居全球第一阵营 ①首个空芯光纤非线性系数上限测量（OFC 2023W4D.3）②首个超高功率入纤功率的40×800G实时传输实验（OFC 2023，W4H.7） ①推动空芯光纤工业制备成为中国光学工程学会5大产业难题 ②在CCSA牵头和联合牵头立项3项空芯光纤研究课题，涵盖光纤、器件和系统。 提出了利用高阶调制测量非线性相移的HCF非线性系数测量方法 提出了利用高阶调制测量非线性相移的空芯光纤超低非线性系数测量方法，首次实现了空芯光纤克尔非线性系数的上限测定：n2,kerr< 2.20×10-23m2/W 首