400G長距啟航在即，800G應(yīng)用前景可期！

  隨著5G、物聯(lián)網(wǎng)、云計算等的快速發(fā)展，數(shù)據(jù)流量呈現(xiàn)指數(shù)級增長，對網(wǎng)絡(luò)帶寬提出了更高要求。提升光傳輸系統(tǒng)單波速率與傳輸距離、提高光纖通信系統(tǒng)帶寬利用率，以滿足不斷增長的網(wǎng)絡(luò)流量需求，成為運營商和設(shè)備商的共同追求。400G技術(shù)作為下一代骨干網(wǎng)的核心承載技術(shù)，具備更高傳輸速率、更大帶寬、更好擴展性等優(yōu)勢，能夠滿足大數(shù)據(jù)中心和通信網(wǎng)絡(luò)日益增長的需求，提供更多的數(shù)據(jù)傳輸通道，更好地支持高密度集成和低能耗解決方案。

  目前，我國400G技術(shù)探索和產(chǎn)業(yè)發(fā)展如火如荼，展現(xiàn)出了廣闊的應(yīng)用前景，2023年有望迎來400G規(guī)模商用的元年。雖比高飛雁，猶未及青云。在400G有條不紊推進的同時，更高速率——800G/1.6T也在研發(fā)和推進中，特別是人工智能點燃算力需求，帶動光產(chǎn)品更新迭代，目前已有800G光模塊交付，預(yù)計不久將大規(guī)模進入數(shù)通市場，而更高水平的1.6T產(chǎn)品也已提上日程。

  值此400G步入規(guī)模商用、800G/1.6T蓄勢待發(fā)的關(guān)鍵節(jié)點，通信世界全媒體特推出“高‘光’時刻即將到來400G/800G開啟網(wǎng)絡(luò)新紀元”專題策劃，通過匯集ICT圈的專家、學(xué)者“聲音”，共同推進400G產(chǎn)業(yè)成熟、加快800G/1.6T技術(shù)研發(fā)，聚力點亮光通信的高光時刻。

  信息技術(shù)的快速演進與發(fā)展，激發(fā)新興業(yè)務(wù)與應(yīng)用不斷涌現(xiàn)，新型算力、AI、5G、6G等推動網(wǎng)絡(luò)流量持續(xù)高速增長。作為新型基礎(chǔ)設(shè)施承載底座，光纖通信網(wǎng)絡(luò)骨干線路傳輸技術(shù)不斷革新演進，單通路傳輸速率持續(xù)提升，根據(jù)Omdia公司預(yù)測，未來2~3年超100Gbit/s（不含100Gbit/s）速率網(wǎng)絡(luò)將占據(jù)超過60%的全球相干光傳輸整體市場份額。

  本文重點探討了400Gbit/s和800Gbit/s技術(shù)發(fā)展態(tài)勢，同時分析了超高速傳輸“C+L”波段擴展關(guān)鍵技術(shù)進展，最后對超高速傳輸技術(shù)的未來發(fā)展進行了展望。

  400Gbit/s長距應(yīng)用即將啟動

  400Gbit/s技術(shù)繼承了與100Gbit/s類似的高階調(diào)制、偏振復(fù)用、相干接收、數(shù)字信號處理等關(guān)鍵技術(shù)，并在發(fā)展過程中逐步改善提升傳輸能力。

  首先，單載波400Gbit/s技術(shù)采用了基于64GBaud器件的PM-16QAM方案，特別是2016年OIF（光互聯(lián)論壇）立項400ZR項目后，400Gbit/sPM-16QAM方案成為整個業(yè)界關(guān)注的熱點。鑒于400Gbit/s單載波PM-16QAM方案采用與200Gbit/sPM-OPSK方案相近的波特率，DSP（數(shù)字信號處理）等核心芯片和器件能夠重用，兩者協(xié)同發(fā)展能在骨干網(wǎng)超長距和城域、數(shù)據(jù)中心互聯(lián)等場景形成差異化的應(yīng)用優(yōu)勢。

  其次，單載波400Gbit/s技術(shù)采用90GBaud左右光電器件，并結(jié)合PCS（概率星座整形）技術(shù)實現(xiàn)了更長的傳輸距離，主流設(shè)備廠商都有相關(guān)產(chǎn)品，并且在現(xiàn)網(wǎng)已有部分應(yīng)用。

  另外，單載波400Gbit/s技術(shù)采用128GBaud左右光電器件基于PM-QPSK調(diào)制格式已基本成熟，是目前產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的焦點。高性能算法技術(shù)（如損傷補償、高性能FEC）的突破，使得PM-QPSK單載波400Gbit/s的50GHz等效背靠背OSNR（光信噪比）容限性能可以達到11dB左右，從而獲得和當前基于PM-QPSK的100Gbit/s相近的傳輸性能，能夠覆蓋大部分國內(nèi)干線傳輸場景，是較為理想的單波400Gbit/s長距/超長距解決方案。

  CCSA（中國通信標準化協(xié)會）目前正在進行單波超長距400Gbit/s的標準化工作，運營商在2023年開展了多次實驗室和現(xiàn)網(wǎng)測試驗證，其中中國移動近期還啟動了國內(nèi)首次400Gbit/sPM-QPSK集采測試，預(yù)計超長距400Gbit/s即將開啟規(guī)模商用。

  800Gbit/s技術(shù)標準有序推進

  隨著400Gbit/s產(chǎn)業(yè)化的逐步推進，業(yè)界將科研聚焦點逐步轉(zhuǎn)向800Gbit/s及更高速率的技術(shù)研發(fā)和測試驗證，IEEE、OIF、CCSA等標準化組織陸續(xù)開展相關(guān)標準的研究制定工作。

  國內(nèi)外主要傳輸設(shè)備廠商從2019年開始陸續(xù)發(fā)布面向800Gbit/s、1.2Tbit/s及1.6Tbit/s等速率的DSP芯片。國內(nèi)運營商和設(shè)備廠商等也聯(lián)合開展了多次800Gbit/s技術(shù)試驗驗證。

  目前來看，采用90~100GBaud光電器件、基于PCS-64QAM調(diào)制是目前800Gbit/s較為成熟的方案，可以支持城域內(nèi)較短距離傳輸以及數(shù)據(jù)中心互聯(lián)等應(yīng)用場景。采用120GBaud或更高波特率器件、基于PM-16QAM調(diào)制格式的800Gbit/s是目前標準組織重點關(guān)注的技術(shù)方案。

  為滿足未來網(wǎng)絡(luò)部署的數(shù)百至數(shù)千千米長距傳輸需求，800Gbit/s技術(shù)將從多個方面推進技術(shù)革新，包括采用抗噪聲能力更強的低階調(diào)制格式，采用高性能補償算法，采用增強型FEC技術(shù)等增強系統(tǒng)抗噪聲和損傷的能力，采用超低損、大有效面積光纖以及混合放大、全拉曼放大等多維技術(shù)手段，進一步優(yōu)化傳輸信道，減少傳輸過程中的損傷和噪聲，顯著增強長距/超長距傳輸能力。

  “C+L”波段拓展技術(shù)加速演進

  目前基于90GBaud的400Gbit/s系統(tǒng)一般支持100GHz左右的通道間隔，后續(xù)支持長距/超長距基于128GBaud的400Gbit/s系統(tǒng)，需要占用150GHz的通道間隔。在單波400Gbit/s傳輸能力增加的同時，頻譜效率會有所下降，800Gbit/s系統(tǒng)也面臨類似問題。為了滿足長距離傳輸需求，同時兼顧傳輸容量和效率，擴展C/C+波段和擴展L波段是當前超高速傳輸系統(tǒng)發(fā)展的重要方向。

  目前業(yè)界積極推動“C+L”波段拓展的技術(shù)革新和應(yīng)用探索。在信號放大方面，目前EDFA的放大頻帶已經(jīng)從C波段4THz擴展到6THz，支持L波段6THz高功率增益均衡放大的EDFA還有待于進一步成熟完善；在功率均衡方面，目前正在探索基于光放大器的自適應(yīng)功率迭代算法、填充波道等方式，以及其他類型的均衡機制；在“C+LWSS”一體化方面，支持多個波段的WSS并不存在重大技術(shù)障礙，關(guān)鍵是優(yōu)化LCoS（硅基液晶）、透鏡、光柵和WSS內(nèi)部其他組件的波長響應(yīng)，目前已實現(xiàn)12THz一體化的WSS器件；在網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃設(shè)計方面，基于“C+L”擴展波段的超高速光傳輸系統(tǒng)新的架構(gòu)、功率管理算法及性能評估手段為網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃設(shè)計以及運營維護帶來一些新變化，同時“C+L”兩個波段部分器件也在短期內(nèi)無法一體化也將會帶來一些影響，目前業(yè)界正積極推動相關(guān)研究探索。

  長期來看，“C+L”一體化是更為理想的技術(shù)方案，設(shè)備成本和集成度也有望極大改善，未來發(fā)展值得期待。

  總結(jié)與展望

  從高速光通信的整體發(fā)展態(tài)勢來看，400Gbit/s長距啟航在即，800Gbit/s應(yīng)用前景可期。新型算力、5G、6G、AI等創(chuàng)新業(yè)務(wù)與應(yīng)用推動網(wǎng)絡(luò)流量快速增長，光傳輸網(wǎng)絡(luò)持續(xù)向更高速率、更大容量、更長距離等方向發(fā)展演進。

  除了單波長速率不斷邁向更高的1.2Tbit/s、1.6Tbit/s之外，還應(yīng)結(jié)合多波段擴展、空分復(fù)用、空芯光纖等擴容技術(shù)，進一步提升光纖通信網(wǎng)絡(luò)的傳輸能力，夯實新型基礎(chǔ)設(shè)施底座，助力我國數(shù)字經(jīng)濟高質(zhì)量發(fā)展。

  作者：中國信息通信研究院技術(shù)與標準研究所 湯瑞 趙鑫