多波段光传输系统基本架构 单波400G系统研究进展
作者：李允博 张德朝 李晗 葛大伟 左铭青 王东
单位：中国移动通信集团有限公司研究院
当前运营商网络面临着网络转型、带宽提升等方面的挑战，因此，提升光传输系统单波速率与传输距离、提高光纤通信系统带宽利用率，以满足不断增长的网络流量需求，成为运营商和设备商共同的追求。
目前业界在三大维度上协同提升，加速骨干光网向80×400g代际演进。
01 速率提升
骨干网从10g向100g再向200g演进，距离基本不变，容量持续倍增。当下在路由器端口提速的背景下已进入400g端口时代，且国内外运营商均展开测试验证，2023年将迎来骨干400g otn的应用。
02 容量提升
骨干光网提速到200g时占75ghz谱宽，当发展到400g qpsk（正交相移键控）时将占150ghz谱宽，400g相比200g的频谱效率并未提升，打破了原来10g到100g频谱不变而容量提升10倍的规律；受香农极限影响，提升整体光纤传输容量需要开辟新的路径。 当前最切实的方案是c+l波段频谱拓展，主要包括：c6t & l5t 11thz频谱扩展方案，已完成现网测试；及c6t& l6t 12thz频谱扩展方案，目前已具备实验室测试能力，即将完成现网测试，并持续进行系统性能优化。 在80×800g系统中，将进一步考虑频谱扩展到s+c+l+u段波。同时随着骨干网速率提升，需要多芯光纤、少模光纤、空芯光纤等新型光纤技术配合使用以保证干线传输距离。
03 效益提升
400g/800g时代采用新型dsp技术，支持多种波特率和调制模式切换，以软件定义方式实现不同距离下不同容量的最佳适配，最大化容量距离积和频谱效率。 备注：400g是骨干网应用的必然选择吗？
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单波超400g技术研究进展
针对城域、干线等不同应用场景，400g传输系统采用不同技术，可以实现传输性能、频谱效率和成本的平衡，表1中列举了主要单波速率系统的特征与能力。100g与超100g技术有比较明显的代际特征，在工程应用中，一般下一代速率短距模块和上一代速率长距模块共产业链，从而实现产业链归一。 表1 不同单波速率系统的特征与能力
如图1所示，200g pm-16qam与100g pm-qpsk共32g波特率产业链，400g pm-16qam与200g pm-qpsk共64g波特率产业链，400g pm-qpsk与未来800g pm-16qam共128g波特率产业链。
图1 长距短距产业链归一化示意 当前200g qpsk已广泛商用，共64g波特率产业链的400g 16qam可以满足城域传输需求。400g传输技术目前是96g波特率的概率整形(probabilistic shaping,ps) 16qam，最终演进到128g波特率的qpsk方案。400g qpsk背靠背osnr性能相比400g ps 16qam约改进1db，同时入纤功率提升1db以上，可覆盖各种干线长距传输场景，并与未来的800g 16qam共产业链。
从芯片层面来看，相干odsp技术已经历了多个代际演进，不同代际的差异主要体现在单波最高速率、调制码型以及尺寸和功耗等方面。目前，400g 16qam的odsp芯片采用7nm制造工艺，功耗约8w，支持64g波特率。针对下一代长距400g应用，头部odsp厂家已发布单波1.2t产品路标甚至模块样品，最高支持140g波特率，采用5nm芯片制程。
从odsp算法方面来看，星座整形以及高性能fec编解码算法较为关键。星座整形分为几何整形（geometric shaping,gs）和概率整形（probabilistic shaping，ps）两种，分别如图2（a）、图2（b）所示。gs和ps分别通过改变星座点的位置和出现的概率，使其呈现特殊的分布，提供比常规qam更好的性能。
图2 星座整形示意 高性能纠错编码（fec）技术通过采用级联编码和软判决、多次迭代译码相结合的方式，可获取更高的净编码增益。 高性能光电器件是实现电信号到光信号高保真转换的基础。面对长距400g光传输应用，系统的波特率大于100gbd，光器件工作波段的频宽需要50ghz以上。目前，主流供应商基于硅光（silicon photonics,sip）或铟磷（indium phosphide,inp）工艺平台开展小型化、集成化、大带宽光收发器件研究，推出了部分准商用样品。
先进的器件封装技术也是优化光电芯片带宽的重要手段。目前，硅光芯片通过集成driver的peaking功能和2.5d/3d封装工艺的优化，可将调制器的3db带宽从30ghz提升到80ghz以上。这对于超400g高阶调制信号而言，可带来2db以上的背靠背osnr容限改善，该技术日趋成熟进一步加速了128 gbd长距400g系统的商用进程。
在光系统核心器件方面，光放大器（optical amplifier,oa）和波长选择开关（wavelength selective switch,wss）最为关键。目前，商用oa以掺铒光纤放大器（erbium-doped fiber amplifier,edfa）为主，支持c波段4thz、4.8thz甚至6thz带宽。l波段的edfa也在开发中，l波段5thzedfa样品已经通过现网测试验证，l波段6thz放大的技术瓶颈已经突破，样品单机性能符合预期，正在进行系统级性能验证和优化。但受限于掺铒光纤在长波处的放大效率，扩展l波段edfa的噪声指数可能比扩展c波段劣化1db以上，模块成本和尺寸也相应增加。 目前，商用wss已经覆盖c波段6thz，典型插损约6db，端口数高达32。采用最新的高分辨率硅基液晶（liquid crysal on silicon,lcos）技术，wss的频谱切片分辨率为6.25ghz，多个厂商已经将工作频带扩展到l波段6thz。 在标准进展方面，国际电信联盟第15研究组（itu-t sg15）开展了200g以及400g接口的物理层规范研究，将pm-16qam作为400g城域应用的标准码型，推动了开放前向纠错编码（ofec）的标准化进程。此外，业内多个多源协议组织（msa）也相继发布了超100g的技术标准。例如：
openroadm/openzr+发布的100～400g相干光模块规范，支持cfp2-dco和qsfp-dd/osfp封装，在400zr帧结构的基础上增加100/200g qpsk、300g 8qam等调制模式，并采用ofec替代级联fec（cfec）的方式来支持450km级的400g传输。
中国通信标准化协会（ccsa）的相关标准制定情况如下：100g及以下速率的光传输和模块标准制定已完成，200g报批稿主要选择200g qpsk、8qam、16qam码型，400g城域标准实质上采用的是单波200g双载波方案，n×400g长距离增强型光波分复用（wdm）系统技术要求研究等面向更高速率应用的标准课题已经完成，明确指出qpsk是实现单波400gb/s长距/超长距理想解决方案。
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波段扩展技术研究进展
波段扩展技术是继承dwdm思想，在传统c波段之外进一步扩展可用传输带宽，通过提高共纤传输的波道数量来提升单纤传输容量。在传统c波段dwdm基础上，最近两年我国运营商和设备商主导了super c波段（c6t）的扩展，将c波段的带宽从4thz/4.8thz提升到6thz，配合80波75ghz间隔的200g qpsk方案落地。 实际上，单模光纤的低损耗窗口不仅包含c波段，还包括o、e、s、l、u等波段。近年来，美国也有少数运营商和互联网厂商在dci和海缆传输中部署了c+l系统，可将光纤容量提升一倍。随着单模光纤在容量上逼近100tbit/s香农极限，波段扩展技术成为学术和行业研究的热点。 目前国内运营商和设备商正在积极推动c6t向c6t&l6方向升级，以期提供单纤80波400g qpsk长距传输能力。多波段光传输系统基本架构如图3所示。
图3 多波段光传输系统基本架构
目前c+l相关产业链的发展情况如表2所示。可以看出，随着技术难点的攻克，c+l扩展波段光器件供应链的发展进度符合预期，新一代c6t+l6t的12thz宽频光层配合单波400g qpsk光系统有望在1年内迎来商用部署。 表2 c6t&l6t系统关键组件产业链进展
光纤中srs效应转移随着波段带宽扩展、入纤功率变大而显著增强，具有跨段累积效应；c+l系统不仅需要精细的光功率管理策略，在开局时实现增益及斜率的有效控制，补偿srs引起的功率不平坦；还需要采用填充波配置，使系统时刻保持满配状态，降低业务动态增减对已有业务的影响。借鉴海缆系统的经验，在新增或删除波道时，只需用业务信号与填充波进行“真假替换”即可，业务开通调测方便快捷。 在未进行功率调节前，由于c+l系统中存在强烈的srs功率转移，系统末端单波功率平坦度劣化严重，无法满足系统应用需求。采用c+l功率预均衡策略对edfa的增益和增益斜率进行调整后，系统的功率平坦度、osnr平坦度、最小osnr均显著提升，自动功率调节算法和填充波配置已经在现网测试中得到充分验证，为后续商用部署奠定基础。
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单波400g系统研究进展
早在2018年，中国移动就联合设备商采用单载波400g 16qam在现网开展测试工作，并实现最远600km传输距离。
2021年10月，中国移动联合华为、中兴、烽火等设备商，在现网完成全球首个超宽谱单波400g大容量光传输验证，实现超过1000km的传输距离。
2022年7月，中国移动携手中兴通讯在实验室模拟现网光纤长度、损耗和维护余量，基于现网要求进行400g qpsk传输验证，实现49跨段无电中继3038km的传输距离。
2023年1月，基于实验室测试结果，中国移动开展400g qpsk现网测试，横跨浙江、江西、湖南、贵州四个省，涉及45个光放段，实现5616km超长距离陆地实时现网传输，创造了400g qpsk无电中继现网传输距离新纪录，并首次验证了频谱扩展至c6t+l6t的12thz传输性能。
面向算力网络及“东数西算”布局，需推进400g关键技术研究与发展，实现调制、频谱、基础设施全面技术革新。在此基础上，持续推动新一代光通信技术演进，筑牢算力网络全光底座，为数字经济发展贡献力量。
无线传感器网络节点硬件的模块化设计
AI智能客服机器人能帮企业做什么
远场透镜天线型反射衰减测量系统
评论:PC或将灭绝吗?
如何使用Python进行数学建模
多波段光传输系统基本架构 单波400G系统研究进展
为什么加拿大迟迟未正式表态是否禁用华为
联想官宣乐檬K12系列将于12月9日正式发布
Niantic Labs凭借《Pokemon GO》上榜十大游戏开发商
通用汽车与特斯拉在自动驾驶安全机制上的博弈
华为云正式提出云原生2.0的概念
oled显示屏手机有哪些?oled显示屏优缺点分析
唯捷创芯2023年营收预计增长28.8%，净利润增长77.93%
米尔科技mbed 开发板 介绍
TDK杂散场稳健型ASIL C级霍尔效应位置传感器适用于高速电机
伺服电机的特性曲线概述
Novell携手IBM推出DB2软件装置
为什么VR行业会如同过山车般大起大落？
RISC-V公测平台发布·在SG2042上配置Jupiter+Octave科学计算环境
Fusion混合信号FPGA扩展温度范围型器件
单位：中国移动通信集团有限公司研究院
当前运营商网络面临着网络转型、带宽提升等方面的挑战，因此，提升光传输系统单波速率与传输距离、提高光纤通信系统带宽利用率，以满足不断增长的网络流量需求，成为运营商和设备商共同的追求。
目前业界在三大维度上协同提升，加速骨干光网向80×400g代际演进。
01 速率提升
骨干网从10g向100g再向200g演进，距离基本不变，容量持续倍增。当下在路由器端口提速的背景下已进入400g端口时代，且国内外运营商均展开测试验证，2023年将迎来骨干400g otn的应用。
02 容量提升
骨干光网提速到200g时占75ghz谱宽，当发展到400g qpsk（正交相移键控）时将占150ghz谱宽，400g相比200g的频谱效率并未提升，打破了原来10g到100g频谱不变而容量提升10倍的规律；受香农极限影响，提升整体光纤传输容量需要开辟新的路径。 当前最切实的方案是c+l波段频谱拓展，主要包括：c6t & l5t 11thz频谱扩展方案，已完成现网测试；及c6t& l6t 12thz频谱扩展方案，目前已具备实验室测试能力，即将完成现网测试，并持续进行系统性能优化。 在80×800g系统中，将进一步考虑频谱扩展到s+c+l+u段波。同时随着骨干网速率提升，需要多芯光纤、少模光纤、空芯光纤等新型光纤技术配合使用以保证干线传输距离。
03 效益提升
400g/800g时代采用新型dsp技术，支持多种波特率和调制模式切换，以软件定义方式实现不同距离下不同容量的最佳适配，最大化容量距离积和频谱效率。 备注：400g是骨干网应用的必然选择吗？
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单波超400g技术研究进展
针对城域、干线等不同应用场景，400g传输系统采用不同技术，可以实现传输性能、频谱效率和成本的平衡，表1中列举了主要单波速率系统的特征与能力。100g与超100g技术有比较明显的代际特征，在工程应用中，一般下一代速率短距模块和上一代速率长距模块共产业链，从而实现产业链归一。 表1 不同单波速率系统的特征与能力
如图1所示，200g pm-16qam与100g pm-qpsk共32g波特率产业链，400g pm-16qam与200g pm-qpsk共64g波特率产业链，400g pm-qpsk与未来800g pm-16qam共128g波特率产业链。
图1 长距短距产业链归一化示意 当前200g qpsk已广泛商用，共64g波特率产业链的400g 16qam可以满足城域传输需求。400g传输技术目前是96g波特率的概率整形(probabilistic shaping,ps) 16qam，最终演进到128g波特率的qpsk方案。400g qpsk背靠背osnr性能相比400g ps 16qam约改进1db，同时入纤功率提升1db以上，可覆盖各种干线长距传输场景，并与未来的800g 16qam共产业链。
从芯片层面来看，相干odsp技术已经历了多个代际演进，不同代际的差异主要体现在单波最高速率、调制码型以及尺寸和功耗等方面。目前，400g 16qam的odsp芯片采用7nm制造工艺，功耗约8w，支持64g波特率。针对下一代长距400g应用，头部odsp厂家已发布单波1.2t产品路标甚至模块样品，最高支持140g波特率，采用5nm芯片制程。
从odsp算法方面来看，星座整形以及高性能fec编解码算法较为关键。星座整形分为几何整形（geometric shaping,gs）和概率整形（probabilistic shaping，ps）两种，分别如图2（a）、图2（b）所示。gs和ps分别通过改变星座点的位置和出现的概率，使其呈现特殊的分布，提供比常规qam更好的性能。
图2 星座整形示意 高性能纠错编码（fec）技术通过采用级联编码和软判决、多次迭代译码相结合的方式，可获取更高的净编码增益。 高性能光电器件是实现电信号到光信号高保真转换的基础。面对长距400g光传输应用，系统的波特率大于100gbd，光器件工作波段的频宽需要50ghz以上。目前，主流供应商基于硅光（silicon photonics,sip）或铟磷（indium phosphide,inp）工艺平台开展小型化、集成化、大带宽光收发器件研究，推出了部分准商用样品。
先进的器件封装技术也是优化光电芯片带宽的重要手段。目前，硅光芯片通过集成driver的peaking功能和2.5d/3d封装工艺的优化，可将调制器的3db带宽从30ghz提升到80ghz以上。这对于超400g高阶调制信号而言，可带来2db以上的背靠背osnr容限改善，该技术日趋成熟进一步加速了128 gbd长距400g系统的商用进程。
在光系统核心器件方面，光放大器（optical amplifier,oa）和波长选择开关（wavelength selective switch,wss）最为关键。目前，商用oa以掺铒光纤放大器（erbium-doped fiber amplifier,edfa）为主，支持c波段4thz、4.8thz甚至6thz带宽。l波段的edfa也在开发中，l波段5thzedfa样品已经通过现网测试验证，l波段6thz放大的技术瓶颈已经突破，样品单机性能符合预期，正在进行系统级性能验证和优化。但受限于掺铒光纤在长波处的放大效率，扩展l波段edfa的噪声指数可能比扩展c波段劣化1db以上，模块成本和尺寸也相应增加。 目前，商用wss已经覆盖c波段6thz，典型插损约6db，端口数高达32。采用最新的高分辨率硅基液晶（liquid crysal on silicon,lcos）技术，wss的频谱切片分辨率为6.25ghz，多个厂商已经将工作频带扩展到l波段6thz。 在标准进展方面，国际电信联盟第15研究组（itu-t sg15）开展了200g以及400g接口的物理层规范研究，将pm-16qam作为400g城域应用的标准码型，推动了开放前向纠错编码（ofec）的标准化进程。此外，业内多个多源协议组织（msa）也相继发布了超100g的技术标准。例如：
openroadm/openzr+发布的100～400g相干光模块规范，支持cfp2-dco和qsfp-dd/osfp封装，在400zr帧结构的基础上增加100/200g qpsk、300g 8qam等调制模式，并采用ofec替代级联fec（cfec）的方式来支持450km级的400g传输。
中国通信标准化协会（ccsa）的相关标准制定情况如下：100g及以下速率的光传输和模块标准制定已完成，200g报批稿主要选择200g qpsk、8qam、16qam码型，400g城域标准实质上采用的是单波200g双载波方案，n×400g长距离增强型光波分复用（wdm）系统技术要求研究等面向更高速率应用的标准课题已经完成，明确指出qpsk是实现单波400gb/s长距/超长距理想解决方案。
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波段扩展技术研究进展
波段扩展技术是继承dwdm思想，在传统c波段之外进一步扩展可用传输带宽，通过提高共纤传输的波道数量来提升单纤传输容量。在传统c波段dwdm基础上，最近两年我国运营商和设备商主导了super c波段（c6t）的扩展，将c波段的带宽从4thz/4.8thz提升到6thz，配合80波75ghz间隔的200g qpsk方案落地。 实际上，单模光纤的低损耗窗口不仅包含c波段，还包括o、e、s、l、u等波段。近年来，美国也有少数运营商和互联网厂商在dci和海缆传输中部署了c+l系统，可将光纤容量提升一倍。随着单模光纤在容量上逼近100tbit/s香农极限，波段扩展技术成为学术和行业研究的热点。 目前国内运营商和设备商正在积极推动c6t向c6t&l6方向升级，以期提供单纤80波400g qpsk长距传输能力。多波段光传输系统基本架构如图3所示。
图3 多波段光传输系统基本架构
目前c+l相关产业链的发展情况如表2所示。可以看出，随着技术难点的攻克，c+l扩展波段光器件供应链的发展进度符合预期，新一代c6t+l6t的12thz宽频光层配合单波400g qpsk光系统有望在1年内迎来商用部署。 表2 c6t&l6t系统关键组件产业链进展
光纤中srs效应转移随着波段带宽扩展、入纤功率变大而显著增强，具有跨段累积效应；c+l系统不仅需要精细的光功率管理策略，在开局时实现增益及斜率的有效控制，补偿srs引起的功率不平坦；还需要采用填充波配置，使系统时刻保持满配状态，降低业务动态增减对已有业务的影响。借鉴海缆系统的经验，在新增或删除波道时，只需用业务信号与填充波进行“真假替换”即可，业务开通调测方便快捷。 在未进行功率调节前，由于c+l系统中存在强烈的srs功率转移，系统末端单波功率平坦度劣化严重，无法满足系统应用需求。采用c+l功率预均衡策略对edfa的增益和增益斜率进行调整后，系统的功率平坦度、osnr平坦度、最小osnr均显著提升，自动功率调节算法和填充波配置已经在现网测试中得到充分验证，为后续商用部署奠定基础。
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单波400g系统研究进展
早在2018年，中国移动就联合设备商采用单载波400g 16qam在现网开展测试工作，并实现最远600km传输距离。
2021年10月，中国移动联合华为、中兴、烽火等设备商，在现网完成全球首个超宽谱单波400g大容量光传输验证，实现超过1000km的传输距离。
2022年7月，中国移动携手中兴通讯在实验室模拟现网光纤长度、损耗和维护余量，基于现网要求进行400g qpsk传输验证，实现49跨段无电中继3038km的传输距离。
2023年1月，基于实验室测试结果，中国移动开展400g qpsk现网测试，横跨浙江、江西、湖南、贵州四个省，涉及45个光放段，实现5616km超长距离陆地实时现网传输，创造了400g qpsk无电中继现网传输距离新纪录，并首次验证了频谱扩展至c6t+l6t的12thz传输性能。
面向算力网络及“东数西算”布局，需推进400g关键技术研究与发展，实现调制、频谱、基础设施全面技术革新。在此基础上，持续推动新一代光通信技术演进，筑牢算力网络全光底座，为数字经济发展贡献力量。
无线传感器网络节点硬件的模块化设计
AI智能客服机器人能帮企业做什么
远场透镜天线型反射衰减测量系统
评论:PC或将灭绝吗?
如何使用Python进行数学建模
多波段光传输系统基本架构 单波400G系统研究进展
为什么加拿大迟迟未正式表态是否禁用华为
联想官宣乐檬K12系列将于12月9日正式发布
Niantic Labs凭借《Pokemon GO》上榜十大游戏开发商
通用汽车与特斯拉在自动驾驶安全机制上的博弈
华为云正式提出云原生2.0的概念
oled显示屏手机有哪些?oled显示屏优缺点分析
唯捷创芯2023年营收预计增长28.8%，净利润增长77.93%
米尔科技mbed 开发板 介绍
TDK杂散场稳健型ASIL C级霍尔效应位置传感器适用于高速电机
伺服电机的特性曲线概述
Novell携手IBM推出DB2软件装置
为什么VR行业会如同过山车般大起大落？
RISC-V公测平台发布·在SG2042上配置Jupiter+Octave科学计算环境
Fusion混合信号FPGA扩展温度范围型器件