2023-06-27

400G光传输技术研究进展

  当前,电信网络面临网络改造和带宽提升的挑战。因此,提高光传输系统的单波速率和传输距离,提高光纤通信系统的带宽利用率,已成为运营商和设备商的共同追求,以满足不断增长的网络流量需求。

  目前,业界正从三个主要方面展开合作,加速骨干光网络迈向80*400G时代的演进。

  内容目录:

1.         速率提升

2.         容量提升

3.         效率提升

4.         单波 400G+ 技术(Single-Wavelength 400G+ Technology)的研究进展

5.         波段扩展技术(Waveband Extension Technology)的研究进展

   速率提升:

  骨干网从10G演进到100G,再到200G,传输距离基本保持不变,但容量不断倍增。在路由器端口提速的大背景下,400G端口时代已经来临,各电信运营商均已启动测试验证。预计在2023年,骨干网络将实现应用。

      容量提升:

  骨干光网络提速到200G时,占用的频谱宽度为75GHz。当发展到400G QPSK(正交相移键控)时,其占用的频谱宽度将达到150GHz。与200G相比,400G的频谱效率并没有提高,打破了从10G100G容量增加十倍而频谱不变的规律。由于受到香农极限的影响,要提高整体光纤传输能力,就必须开辟新的传输路径。

  目前最切实可行的解决方案是扩展 C+L 频段频谱,包括已完成网络测试的 C6T L5T 11THz 频谱扩展计划,以及目前已具备实验室测试能力、即将完成网络测试的 C6T L6T 12THz 频谱扩展计划,系统性能的持续优化也在进行中。

  在 80*800G 系统中,将进一步考虑将频谱扩展到 S+C+L+U 波段。同时,随着骨干网速度的提高,需要结合使用多芯光纤、少模光纤、中空芯光纤等新型光纤技术,以确保长距离传输距离。

  效率提升

  在400G/800G时代,采用新的DSP技术,可以支持多种波特率和调制模式切换,并实现在不同距离下适应不同容量的最佳传输,从而进一步优化光传输系统的性能和灵活性,应对不断增长的通信需求。

  针对城域网和干线网等不同应用场景,400G 传输系统采用了多种技术,以实现传输性能、频谱效率和成本之间的平衡。表 1 列出了主要单波速率系统的特点和功能。100G 100G+ 技术之间存在明显的代际特征。在工程应用中,下一代短距离模块和上一代长距离模块通常在产业链中并存,从而实现产业链的统一。

单波速率(Gbit / s) /

时间间隔(GHz)

调制格式

波段和频道数

传输距离(km

应用场景

100/50

PM-QPSK

C/CE/C6T

(80/96/120)

Over 2000

Trunk

200/50

PM-16QAM

Over 600

Metropolitan

PS-16QAM

800-1000

200/75

PM-QPSK

C6T (80)

Over 2000

Trunk

400/75

PM-16QAM

C/CE/C6T(53/64/80)

About 400

Metropolitan or DCI

400/100

PS-16QAM

CE/C6T(48/60)

About 800

Metropolitan core

800/112.5

PS-64QAM

CE/C6T(40/53)

About 200

Metropolitan or DCI

400/150

PM-QPSK

C6T&L6T(80)

Over 1500

Trunk

800/150

PM-16QAM

C6T&L6T(80)

About 400

Metropolitan

1:不同单波速率系统的特点和功能

  

  如表 1 所示,200G PM-16QAM 100G PM-QPSK 共享 32G 波特率产业链、400G PM-16QAM 200G PM-QPSK 共享 64G 波特率产业链以及 400G PM-QPSK 和未来的 800G PM-16QAM 共享 128G 波特率产业链都有规范化表示。

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1:短程和远程产业链的规范化表述


 

  目前,200G QPSK 已得到广泛应用,64G 波特率的 400G 16QAM 可满足城域传输需求。400G 传输技术目前采用的是 96G 波特率的概率整形(PS16QAM,最终将发展为 128G 波特率的 QPSK 方案。与 400G PS 16QAM 相比,400G QPSK 的背对背 OSNR 性能提高了约 1 dB,输入功率提高了 1 dB 以上。这也使其能够应用到各种长距离传输场景,并与未来的 800G 16QAM 产业链兼容。

 

  在芯片层面,相干 oDSP 技术经历了几代演进,代与代之间的差异主要体现在最高单波率、调制编码类型以及尺寸和功耗等方面。目前,400G 16QAM oDSP 芯片采用 7 纳米制造工艺,功耗约为 8W,支持 64G 波特率。针对下一代长距离 400G 应用,领先的 oDSP 制造商已经发布了单波 1.2T 产品路线图甚至模块样品,支持高达 140G 波特率,采用 5nm 芯片工艺。

oDSP 算法来看,星座造型(Constellation Shaping)和高性能 FEC 编解码算法更为关键。星座造型分为几何整形(GS)和概率整形(PS),如图 2a)和图 2b)所示。GS PS 通过改变星座点的位置和出现概率,使其呈现特殊分布,从而提供比传统 QAM 更好的性能。

图片.png

2. 星座造型示意图

  高性能纠错编码(FEC)技术可通过结合使用级联编码和软决策、多重迭代解码来获得更高的净编码增益。

  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。面对长距离 400G 光传输应用,系统的波特率大于 100Gbd,光器件工作频带的带宽需要大于 50GHz。目前,主流供应商基于硅光子(SiP)或磷化铟(InP)工艺平台开展小型化、集成化和大带宽光收发器件的研究,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,硅光芯片通过集成驱动器峰值功能和优化 2.5D/3D 封装工艺,可将调制器的 3dB 带宽从 30GHz 提高到 80GHz 以上。这可以为 400G 以上的高阶调制信号带来超过 2dB 的背对背信噪比容差改善,而该技术的日益成熟则进一步加快了 128 Gbd 长距离 400G 系统的商业化进程。

     光放大器(OA)和波长选择开关(WSS)是光学系统的核心部件。目前,商用 OA 主要是掺铒光纤放大器(EDFA),支持 C 波段 4THz4.8THz 甚至 6THz 带宽。L 波段 6THz 放大的技术瓶颈已经突破,样品性能符合预期,系统级性能正在验证和优化。然而,受限于掺铒光纤在长波段的放大效率,扩展 L 波段 EDFA 的噪声指数可能比扩展 C 波段差 1 dB 以上,模块成本和体积也相应增加。

 

  目前,商用 WSS 已覆盖 C 波段 6THz,典型插入损耗约为 6dB,端口数多达 32 个。采用最新的高分辨率硅基液晶(LCoS)技术,WSS 频谱切片分辨率达到 6.25GHz,多家制造商已将工作频段扩展到 L 波段 6THz

      国际电信联盟第 15 研究组(ITU-T SG15)对 200G 400G 接口的物理层规范进行了规定,将 PM-16QAM 确定为400G 城域应用的标准调制方式,推动了开放式前向纠错编码(oFEC)的标准化进程。此外,业内多个多源协议组织(MSA)也发布了 100G+ 的技术标准。例如:

l   OpenROADM/OpenZR+ 发布 100~400G 相干光模块规范,支持 CFP2-DCO QSFP-DD/OSFP 封装,在 400ZR 帧结构中增加 100/200G QPSK300G 8QAM 等调制模式,使用 oFEC 代替级联 FECcFEC),支持 450km 400G 传输。

 

l   中国通信标准化协会(CCSA)已制定了相关标准: 100G 及以下速率的光传输和模块标准制定工作已经完成,200G 送审稿主要选择 200G QPSK8QAM16QAM 码型,400G 城域标准基本采用单波

 

  波段扩展技术的研究进展

  波段扩展技术继承了波分复用技术(DWDM),在传统C波段基础上进一步扩展可用传输带宽,通过增加同纤传输信道数来提高单纤传输能力。

 

  在传统 C 波段 DWDM 的基础上,近两年国内运营商和设备商又主导了超 C 波段(C6T)的拓展,将 C 波段的带宽从 4THz/4.8THz 提升到 6THz,同时落地了 80 75GHz 间隔的 200G QPSK 方案。事实上,单模光纤的低损耗窗口不仅包括 C 波段,还包括 OESL U 波段。近年来,美国的一些运营商和互联网厂商也在 DCI 和海底光缆传输中部署了 C+L 系统,可使光纤容量翻倍。随着单模光纤容量接近 100Tbit/s 的香农极限,频段扩展技术已成为学术界和产业界研究的热点。目前,国内运营商和设备商都在积极推动 C6T C6T&L6 的升级,以提供单纤 80 400G QPSK 长距离传输能力。多频段光传输系统的基本架构如图 3 所示。

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3.多波段光传输系统的基本结构

  随着技术难关的攻克,C+L 增频光器件供应链的发展进度符合预期,新一代 C6T+L6T 12THz 宽带光层单波 400G QPSK 光系统有望在 1 年内迎来商用部署。

  光纤中的 SRS 效应会随着带宽的扩大和输入功率的增加而显著增强,并在各段之间产生累积效应。在 C+L 系统中,不仅需要精确的光功率管理策略在开始时有效控制增益和斜率,还需要通过填充波配置补偿 SRS 造成的功率不均匀。此外,还需要始终保持完整的配置状态,以减少动态业务增长对现有业务的影响。借鉴海底光缆系统的经验,在增加或删除信道时,可以用填充波替代业务信号,实现 "真假替代",从而方便业务激活和测试。在功率调整之前,由于 C+L 系统的 SRS 功率传递较强,系统末端的单波功率平坦度严重恶化,无法满足系统的应用要求。C+L 功率预均衡策略可调整 EDFA 的增益和增益斜率,从而显著改善功率平坦度、OSNR 平坦度和最小 OSNR。自动功率调整算法和填充波配置已在现场测试中得到充分验证,为后续的商业部署奠定了基础。


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