超高速大容量光传输系统关键技术与产业发展研究

摘要：随着互联网新兴业务的兴起，数据流量迎来了爆炸式增长。围绕超高速大容量光传输系统中的超高速单波技术、扩展波段技术与新型光纤技术，详细介绍了其关键技术、发展现状以及相关产业发展情况，并对超高速大容量光传输系统关键技术与产业的未来发展方向进行了展望。

论文引用格式：
刘宇旸, 闫飞, 冯立鹏, 等. 超高速大容量光传输系统关键技术与产业发展研究[J]. 信息通信技术与政策, 2023, 49(10): 2-8.

0  引言

随着云计算、数字孪生和大数据等新业务的兴起与快速发展，全球网络流量迎来了爆炸式增长。Omdia预测^[1]，2017—2024年，移动网络与固定宽带网络的流量年复合增长率将高达28.7%。海量数据对于超高速大容量光传输系统以及光通信产业链提出了更高的要求与更大的挑战。

光纤传输容量可以通过提高单波速率与提升传输通道数两个方面进行提升^[2]。提高单波速率主要是通过提高符号速率与采用高阶调制格式；提升传输通道数主要依赖波分复用（Wavelength Division Multiplexing，WDM）与空分复用（Space Division Multiplexing，SDM）技术^[3]。WDM技术扩展了传输的波段与波长数量，而SDM技术则在空间的维度上提升了通道数，如采用以多芯光纤（Multi Core Fiber，MCF）或者少模光纤（Few Mode Fiber，FMF）为代表的新型光纤^[4-5]。上述方案已部分实现运营商现网部署。

本文将对超高速大容量光传输系统的关键技术进行讨论，包括超高速单波传输、扩展波段和新型光纤技术，以及相关技术的产业发展情况，同时也展望了各技术未来发展方向。

1 超高速单波传输

提高单波速率是提升传输容量的有效方案，一般可以通过提升传输信号的波特率与采用更高阶的调制解调技术来实现。高速单波技术已从当前的100/200 Gbit/s发展至即将商用的400 Gbit/s，未来单波速率会进一步增长以适应更大容量的需求。

1.1  超高速单波传输关键技术

1.1.1  高波特率与高带宽技术

实现相同单波速率，高波特率意味着可以使用更低阶的调制格式，实现更好的传输性能。高波特率技术的实现通常依赖于高带宽器件的支持，若器件带宽不够，会降低信号在传输过程中对于噪声的容忍度，且带宽受限会引入额外的码间干扰（Inter Symbol Interference，ISI），降低传输性能。常用的光电器件与芯片如电光调制器、光电探测器（Photodetector，PD）以及光数字信号处理（Digital Signal Processing，DSP）芯片等，都需要高带宽技术的支持。

在高带宽器件的制备方面，业界目前主要基于磷化铟（Indium Phosphide，InP）与硅光（Silicon Photonics，SiP）工艺推出高带宽光电器件产品。InP的优势在于带宽大，但成本高；SiP的优势在于尺寸、成本与功耗较低，但带宽存在瓶颈。业界也开始研究基于薄膜铌酸锂（Thin Film-Lithium Niobate，TF-LN）材料的器件（TF-LN具有大线性电光系数、高兼容度等优点）^[3,5]。

除材料本身，高带宽器件的性能也受限于封装工艺。传统的片上芯片模块（Chip-on-Die Module，CDM）封装中，高速信号传输路径较长且存在多处断点，使得信号端到端传输损失大,带宽受多处限制。目前，在采用的多芯片模块（Multi-Chip Module，MCM）封装中，驱动器、光DSP芯片与光子集成芯片（Photonic Integrated Circuit，PIC）同基板合封，降低了信号传输路径的长度，保障了合一器件的带宽。

同时，光DSP芯片的性能也影响了高波特信号的调制与解调。光DSP芯片可支持的最高波特率与芯片的制程有关联，现阶段的芯片制程工艺已经从16 nm、7 nm发展至当前的5 nm，并在未来可进一步发展至3 nm。随着单位面积下的逻辑门数量的提升，可支持的波特率也不断增高，目前可支持的波特率为64/90/140 GBaud甚至更高^[2]。此外，随着制程工艺的不断提高，光DSP芯片的性能不断提升且功耗不断降低。

1.1.2  高阶调制与解调技术

发射端与接收端的调制解调技术对整个光传输系统至关重要，通常有发射端的高阶调制格式技术、概率星座图成型（Probability Constellation Shaping，PCS）技术、前向纠错码（Forward Error Correction，FEC）技术与接收端的DSP技术。

高阶调制格式技术通过在传输符号中携带更多的比特信息来提高传输的单波速率。同时，高阶调制格式具有更高的频谱效率，更有效地利用频谱资源。然而，高阶调制信号抗噪声性能较差，尤其是随着调制阶数的增加，对传输信道的噪声更加敏感，进而带来更高的误码率。目前，运营商现网采用了正交相移键控（Quadrature Phase Shift Keying，QPSK）与正交幅度调制（16-ary Quadrature Amplitude Modulation，16-QAM）格式。高阶调制格式一般会与PCS技术结合使用，相较于传统均匀分布的星座图，PCS技术提升了传输的光信噪比（Optical Signal-to-Noise Ratio，OSNR）、实现了速率与频谱效率可调，进一步延长了传输距离。目前，PCS技术的引入推动了高速光传输系统进一步逼近香农极限。

FEC技术的两个重要指标是开销与门限值，一般FEC分为硬判决前向纠错码（Hard-Decision FEC，HD-FEC）与软判决前向纠错码（Soft-Decision FEC，SD-FEC）两种。典型的SD-FEC有开放FEC（Open-FEC，O-FEC）、 Turbo乘积码FEC（Turbo Product Codes-FEC，TPC-FEC）、低密度奇偶校验码FEC（Low Density Parity Check-FEC，LDPC-FEC）等，分别对应2.4×10^-2、3.75×10^-2与3.45×10^-2的判决门限与15.3%、27%与25%的开销；HD-FEC有通用前向纠错（Generic-FEC，G-FEC）与增强型FEC（Enhanced-FEC，E-FEC），分别对应8×10^-5、2.2×10^-3的判决门限与相同的6.7%的开销。FEC技术的引入进一步优化了单波系统的OSNR容限^[3]。

接收端的DSP技术虽然不能直接提高单波速率，但是可减弱甚至消除高阶调制格式与高波特率等方式引入的OSNR损伤。接收端DSP技术一般有发射端色散预补偿技术与接收端电域后补偿技术、同步算法、均衡算法、频偏估计、相位恢复与非线性补偿等。

1.2  超高速单波传输发展现状

单波传输速率已从100/200 Gbit/s，发展至当前的400 Gbit/s，未来会进一步发展至800 Gbit/s与1.2/1.6 Tbit/s。单波100 Gbit/s系统采用了QPSK调制格式，单波长200 Gbit/s新增了16-QAM调制格式，并进一步引入PCS技术来逼近香农极限^[6]。

近两年，单波400 Gbit/s传输系统的商业化进程已逐渐启动。400 Gbit/s传输系统除了采用如100/200 Gbit/s的技术外，还会引入扩展波段技术与大有效面积低损耗G.654.E光纤，来进一步提高传输容量与延长传输距离。产业界400/800 Gbit/s传输系统发展情况如表1所示。目前来看，~90 GBaud的800 Gbit/s产品已成熟，~130 GBaud的800 Gbit/s产品即将成熟。

表1   产业界400/800 Gbit/s传输系统发展情况

未来，随着容量提升的需求进一步增长，单波超800 Gbit/s技术会进一步向单波1.2 Tbit/s或1.6 Tbit/s发展，目前这两项技术尚在研究阶段，相关标准工作也有待启动。

1.3  高速单波技术的实际部署情况

100 Gbit/s传输系统为目前各运营商现网部署的主要速率，涵盖骨干网、省干网等场景。此外，各运营商仅在省内网络中少量部署200 Gbit/s传输系统。2019年，中国电信在长江中下游地区开展了省级骨干网超长距试验，采用了200 Gbit/s可重构光分插复用器（Reconfigurable Optical Add-Drop Multiplexer，ROADM）的网络^[7-8]。2021年，中国电信首次在现网开展长距离400 Gbit/s传输试验，结合大有效面积超低损G.654.E光纤实现了上海—广州无电中继1 910 km的传输^[9]。400 Gbit/s传输系统预计会在2023年底至2024年初逐步进行现网部署。

2 扩展波段传输

扩展波段传输是在常规波段（Conventional Band，C波段）传输技术上的一种延续与拓展，通过探索C波段外可用的传输带宽来进一步提高传输的波长数量,由此提升传输容量。目前，除C波段外，最常研究的是长波长波段（Long-wavelength Band，L波段），以及即将商用的扩展C+扩展L波段。

2.1  扩展波段传输关键技术

2.1.1  功率均衡技术

WDM传输系统通常存在由于受到受激拉曼散射（Stimulated Raman Scattering，SRS）的影响，功率会从短波长向长波长进行转移问题。尤其是传输的波段越宽、波长数量越多，SRS效应导致的功率转移问题则越大。SRS效应使得信号在传输后每个波长的功率不一致，进而影响了传输的OSNR。同时，功率转移具有累加性，若不进行功率补偿，则传输距离越长，接收端的短波长处的功率越低，长波长处的功率越高。对于即将成熟的扩展C+扩展L波段，SRS效应导致L波段的平均光功率也比C波段的平均光功率要高，且C波段的功率平坦度更差，使得扩展C+扩展L波段系统须进行必要的功率均衡。

功率均衡技术主要从静态和动态两个方向进行。从静态上，可以通过填充波来实现；从动态上，可以采用联合调节光放大器（Optical Amplifier，OA）增益、增益斜率与波长选择开关（Wavelength Selected Switch，WSS）衰减来实现。对于静态，传统C波段的业务波都是按需配置，无填充波道，而扩展C+扩展L波段的每个波道都需要填满。研究表明^[5]，扩展C+扩展L波段满配、C波段短波长处掉波5/10/15波时，OSNR劣化会逐渐增强，超过5 dB，甚至超过了系统OSNR的余量。因此，当业务波出现新增或减少时，可以在ROADM/OXC进行“真假波”互换，而假波一般可以通过光放大器产生。对于动态，一般会采用自动功率优化（Automatic Power Optimization，APO）算法来实现联合调节，该算法包括复用段级的功率调节，包括补偿波段间的功率不平坦，同时迭代调节C波段与L波段光放大器、功率斜率与WSS的通道衰减达到有效的功率管理。图1展示了仿真扩展C+扩展L波段系统功率均衡前后的对比。当SRS未补偿时，短波长处功率衰减明显；采用动态与静态联合补偿方案后，功率谱变得平坦。通过合理的功率均衡技术，功率转移效应大大减弱，为后续系统的商业化及实际部署提供了有效的解决方案。

2.1.2  光电器件技术

目前，扩展波段系统的光电器件还存在一些技术挑战。对于扩展C与扩展L波段，相关的光电器件技术挑战较小，扩展C波段相对成熟，扩展L波段即将成熟，少部分光电器件在优化中（见表2）^[3]。

表2   扩展C与扩展L波段关键器件产业化情况

对于即将商用的扩展C+扩展L波段系统，主要的技术难点集中于“一体化”系统相关的光电器件上^[5]。当前，扩展C+扩展L波段系统是分开调制、合并传输、分开放大与分开接收，使得该系统本质上是扩展C波段与扩展L波段系统的物理叠加。“一体化”架构的优势在于：系统架构更简单，仅需部署和运维一套系统；设备集成度与成本会大大改善，降低了占用空间，最大化机房利用率；“一体化”设备具有更高效的波长分配与管理机制。为了实现“一体化”系统方案，需要解决光模块中宽谱光源的问题；光调制与接收器的难点在于光转换单元（Optical Transponder Unit，OTU）波长相关性的问题；而光放大器主要考虑L波段的光放大器存在铒纤放大效率偏低问题，致使长波长处的增益劣化严重，进而使得传输信号在该波段处的OSNR急剧降低；WSS在“一体化”中可能存在带宽不足的问题。

2.2  扩展波段传输发展现状

C波段早期使用4 THz的80波系统，并进一步扩展至4.8 THz的96波系统与6 THz的120波系统。扩展C波段相较于传统的C波段传输容量可提升50%（保持其他参量不变的前提下）。当扩展C波段的频谱无法满足容量增长需求时，会进一步扩展频谱至L波段。L波段通常会和扩展C波段联合实现扩展C+扩展L波段传输系统。

未来，当扩展C+扩展L波段无法继续满足容量的提升后，除了采用SDM技术外，还可以继续扩展可用的频谱。如图2所示，从光纤的损耗谱上看，短波长波段（Short-wavelength Band，S波段）与C波段邻近，较适合于光纤传输，但需综合考虑功率管理、衰减与“一体化”以及产业链的全配套器件等；扩展波长波段（Extended-wavelength Band，E波段）在1 383 nm附近存在衰耗凸起，这在后续的光纤损耗补偿中需要进一步考虑；原始波段（Orignal Band，O波段）为零色散波段，光纤损耗较大，若未来长距离传输场景需要在S、C、L波段的基础上进一步扩展至O波段，应当在DSP的色散补偿层面与其他波段进行区分，并需进一步优化损耗补偿。目前，O波段的主要应用场景为城域接入层面，包括5G前传和中传、城域接入与县乡波分等，为了实现“最后一公里”或者“最后十公里”的高性能传输^[10]。

3 基于新型光纤的传输系统

3.1  G.654.E传输系统

当前，单波传输速率、传输波段与传输距离不断增长，光纤非线性和链路损耗是长距离光纤传输能力的主要限制因素。相较于G.652.D光纤，G.654.E光纤的有效面积增大了约50%，光纤非线性效应更低，可以提高1.5~2 dB的入纤功率。此外，G.654.E光纤衰减系数更低，传输链路损耗也更低。

中国电信在2021年首次完成了基于G.654.E光纤的单载波400 Gbit/s、24 Tbit/s传输容量、1 910 km传输距离的超长距WDM传输商用设备现网试验。整个G.654.E链路共26 个跨段，跨段距离在32~98 km之间^[9]。

总的来说，G.654.E超低损耗大有效面积光纤将会成为光纤通信网络骨干网络的主要选择，也是当前光纤通信技术发展的趋势。未来，骨干网容量升级至400/800 Gbit/s甚至更高时，G.654.E光纤会逐步替换现有的G.652.D光纤，在超高速系统中成为主要的传输光纤。

3.2  空分复用传输系统

为了进一步提升光传输的容量，业界开始探索基于新型光纤的SDM传输系统。SDM可采用MCF、FMF与多芯少模光纤实现。在光通信中，SDM光纤通常可以实现超大容量的光传输，通过将多个传输通道集成在一根光纤中实现网络结构的优化，一般应用于数据中心的海量数据互联以及减少海缆传输中的光缆体积等。以MCF为例，目前2~38 芯的MCF均被报道，114 个通道，光纤包层直径达318 μm^[11]。利用19芯6模或22芯光纤的传输容量已突破1 Pbit/s、10模光纤的最大传输容量可达400 Tbit/s、38芯3模光纤实现了10.66 Pbit/s的传输容量，相比于常规单模光纤容量上限（100 Tbit/s）提升了2个数量级^[12-14]。然而，此类大容量传输的距离被限制在几十公里，在运营商现网中应用还需兼顾传输距离及和现有设备的兼容性。

2022年，中国电信基于弱耦合MCF传输系统，采用不同调制格式的400 Gbit/s波分系统验证MCF在商用传输系统上的性能。如图3所示，基于69 GBaud的单波400 Gbit/s商用系统在7芯光纤中实现了350 km的实时传输，容量达179 Tbit/s，系统OSNR余量为2.88 dB。系统利用4.8 THz的波段，共传输64 个通道间隔为75 GHz的波长，包括8 个信号波和56 个虚拟波。首次在商业系统中超过单波400 Gbit/s MCF实时传输的可行性。

为了进一步增大容量，可以将MCF和多波段技术相结合。中国电信采用通道间隔为100 GHz的91.6 GBaud PCS-PDM-16-QAM 调制的400 Gbit/s设备和商用的11 THz扩展C波段+扩展L波段EDFA，实现了308 Tbit/s、1 260 km的实时多波段SDM系统传输。

4 结束语

各种互联网新兴业务的发展驱动着光传输网络容量的提升。当前，C波段100 Gbit/s系统已经商用部署，C波段200 Gbit/s也已经部分商用部署，扩展波段的400 Gbit/s即将于2023年底或2024年初开始商用。高速单波技术、扩展波段技术与新型光纤技术作为超高速大容量系统的关键技术正不断成熟，标准化工作逐步完备，各类商用设备与器件不断迈向新的高度。国内运营商联合各大厂商基于超高速单波技术、扩展波段技术与新型光纤技术的三大技术完成了超高速大容量系统实验室与现网的测试及试点。未来，随着人工智能等新技术的发展，超高速大容量光传输系统也会走向新的时代。

Research on key technologies and industrial development of ultra-high-speed and large-capacity optical transmission systems
LIU Yuyang¹, YAN Fei², FENG Lipeng¹, LYU Kai¹, FENG Zhenhua³, CHEN Huan³

(1. Research Institute of China Telecom Co.,Ltd., Beijing 102209, China; 2. China Telecom Communication Co.,Ltd., Beijing 100033, China; 3. ZTE Corporation, Wuhan 430073, China)

Abstract: With the rise of emerging internet businesses, data traffic has experienced explosive growth. Focusing on the ultra-high-speed single wave technology, extended band technology, and new optical fiber technology in ultra-high-speed and large-capacity optical transmission systems, this paper provides a detailed introduction to their key technologies, development status, and related industry advancements. It discusses the key technologies and future development directions of ultra-high-speed and large-capacity optical transmission systems.Keywords: ultra-high speed and large-capacity optical transmission; optical fiber communication system; single-wave rate; extended band; new optical fiber

本文刊于《信息通信技术与政策》2023年 第10期