高速全光网和新型光纤关键技术探讨.pdf

高速全光网和新型光纤关键技术探讨张德朝中国移动研究院基础网络技术研究所2023年9月5日2目录算力网络驱动全光网发展1新型全光网关键技术演进23主线三面向创新技术引领主线一面向算网基础设施构建主线二面向业务融合创新完善算网资源布局，夯实算力网络底座，增强设施供给能力实现算网高效协同，支持CHBN业务融合发展，创新平台服务能力实现创新技术引领，打造原创技术策源地，深化技术赋能能力中国移动提出“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中国移动算力网络总体策略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光网络基础设施SPNOTNPON算力基础设施边缘算力大区算力中心算力4面向算力网络对光网络的新需求，通过五大关键技术举措，推进超大带宽、灵活调度、泛在接入、前沿技术创新，构建基于400G高速互联的灵活高效的新型全光网技术架构面向算力网络构建新型全光底座接入省域/区域骨干OTN/OXCOTN/OXCOTN PON地市20ms时延圈5ms时延圈1ms时延圈400GOTN/OXC新型全光架构灵活高效+三级时延圈超大带宽400G灵活调度OXC+ODU+fgOTN泛在接入50G PON+FTTR前沿技术800G+空芯光纤及系统5目录算力网络驱动全光网发展1新型全光网关键技术演进2-超大带宽-泛在接入-前沿技术6超大带宽-400G超高速光传输面临哪些技术挑战面向1000+公里长距传输的骨干网基本需求，400G超高速光传输系统需开展多维度技术攻关，破解单通道速率提升带来的传输能力下降难题重大挑战器件带宽提升至少3倍OSNR容限劣化至少6dB波段范围增加至少200%7100G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京津济宁现网试点（2018.8）调制格式：16QAM光纤：G.654E放大：EDFA波段：C6T603km(5.3dB余量)实验室测试 （2021.8)调制格式：16QAM-PCS光纤：G.652D/G.654E放大：EDFA/拉曼EDFA混合波段：C4T/C6T1120kmG.652D(6dB余量)1700kmG.654E(7dB余量)辽宁沈大现网试点 （2021.11）调制格式：16QAM-PCS光纤：G.652D/G.654E放大：EDFA/拉曼EDFA混合波段：C4T/C6T1077kmG.652D(6dB余量)1333kmG.654E(8.2dB余量)实验室拟现网测试（2022.8）调制格式：QPSK原型机光纤：G.652D放大：EDFA/拉曼EDFA混合波段：C6T3038km(4.5dB余量)实验室测试（2023.2）调制格式：QPSK原型机光纤：G.652D/G.654E放大：EDFA波段：C6T+L6T7000km(2.46dB余量)浙赣湘黔现网试点（2023.2）调制格式：QPSK模块光纤：G.652D放大：EDFA/拉曼EDFA混合波段：C6T/C6T+L6T5616km(2.2dB余量)20182021.11：基于16QAM重点推动PCS2021.12至今：推动QPSK走向成熟OFC 2023,W2B.16.ECOC 2019,W.1.A.Scientific Reports,9(17162),2019.ECOC 2019,We3c1.5.ECOC 2019,Tu1A.1.世界最长距离400G光传输技术试验网络基于现网G.652.D光纤实现C6T波段400G QPSK 5616km传输，创现网传输世界记录全球最长距离的纯EDFA经典商用场景80 400G QPSK 1673km现网试验面向经典商用场景G.652.D光纤+EDFA/部分拉曼放大，C6T/C6T+L6T2月：总计5616km，跨段数90，预留光纤维护余量(0.06dB/km)，过系统后OSNR余量为2.2dB6月：总计6028km，跨段数98，预留光纤维护余量(0.06dB/km)，过系统后OSNR余量为2.1dB宁波贵安现网试点路由技术极限能力探索贵安隆回现网试点路由 G.652.D光纤+纯EDFA放大，C6T+L6T 总计1673km，跨段数30，预留光纤维护余量(0.06dB/km)，过系统后OSNR余量6.4dB400G关键技术1-QPSK是400G骨干长距传输技术方案16QAM-PCSQPSK波特率64GBd 91GBd性能相比16QAM从22dB提升到17dB波特率64GBd 130GBd性能相比16QAM从22dB提升到16dB100GHz间隔，8THz总谱宽150GHz间隔，12THz总谱宽核心器件决定代际，解决130GBd技术难点，通过方案设计、理论分析、试验验证，400G QPSK相对16QAM-PCS有50%+的性能提升，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性能对比链路：现网链路设置下的真实 QPSK/16QAM-PCS性能比较QPSK较16QAM-PCS整体优势提升2dB：B2B OSNR容限1dB 入纤功率 1dBQPSK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%+10400G关键技术2-超高速光器件从100G到400G时代，高带宽光电器件、高性能DSP算法、先进芯片制造工艺共同推动信号符号率从30GBd提升四倍至130GBd，满足400G QPSK高性能传输符号速率130GBd 30GBd超高速400G QPSK调制器/接收机新封装：分立集成光电合封有效优化器件带宽oDSP新算法：线性线性+非线性高精度非线性补偿算法提升性能频谱整形非线性补偿优化滤波代价新工艺：14nm5/7nm提升数字信号处理能力与数据吞吐量400G关键技术3-超宽谱有源模块：C6T+L6T EDFA此前6THz L波段放大器尚属空白，铒离子在L波段长波增益难以提升，L6T放大效率低、体积大联合产业集中攻关，国内主流厂家已支持分立式12THz EDFA，但仍需进一步提升性能，并向小型化、C+L一体化演进性能：总体可用，由于体积更小、铒纤更短，厂家A比厂家B/C差0.41.5dB集成度：厂家A/B仍为C6T、L6T分体，厂家C为C6T+L6T同模块实现下一步目标：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一体化演进厂家A4.16.5dB5.66.9dB4.36.5dB厂家B厂家CL6T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400G关键技术3-超宽谱有源模块：C6T+L6T WSS发展现状 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 40dB 向C6T+L6T一体化WSS演进 优化光路设计，减小WSS体积；提升LCoS像素密度，改善一体化WSS的滚降特性演进趋势分体WSS无法实现波段间调度一体化WSS可实现C+L全波段调度13400G关键技术4-超宽带光系统架构光层架构链路损伤网络运维难点：C波段（1套）C+L波段（2套）方法：光层向一体化演进，降低运维难度难点：标准跨段SRS最大功率转移7dB方法：功率倾斜、放大器斜率配置均衡SRS当前：静态环境均衡后波道平坦度2.5dB未来：平坦度调至0.5dB，并研究动态场景下SRS自适应均衡方案12THz频谱导致光层从1套到2套，同时受激拉曼散射（SRS）成为了新的链路损伤，给系统传输性能和网络运维能力带来全新挑战14400G关键技术5-光纤技术选择：G.652D vs G.654E相比同缆G.652.D光纤，G.654.E承载的同速率系统OSNR余量均有提升（1.82-2.76dB），传输距离可提升30%以上0369OSNR 余量（dB）G.652.DG.654.E200G 16QAM100G200G QPSK400G 16QAMp 100G DP-QPSK：OSNR余量平均提升2.39dB(1539.6km)p 200G DP-16QAM/QPSK：OSNR余量平均分别提升1.82dB(16QAM，1058.9km)/2.76dB(QPSK，1539.6km)p 400G DP-16QAM：G.654.E系统相对G.652.D系统，OSNR余量平均提升1.87dB(136.5km)2.39dB1.82dB2.76dB1.87dB155.5dB OSNR余量容限400G关键技术5-光纤技术选择：G.652D vs G.654E400G时代，采用QPSK在传统G.652D光纤基于EDFA放大可以传输1500km以上，可以满足绝大多数场景需求；G.654E光纤可以延长30%以上的传输距离，满足更长距离场景需求 带工程余量情况:基于G.652D光纤，QPSK无电中继距离可达1652km，基本满足绝大多数应用需求；基于G.654E光纤，可达2245km，传输距离进一步增加36%极限传输距离：在4.2E-2的FEC容限下，G.652D传输3000km，G.654E传输可达5000km实验室超长距环路验证G.652D与G.654.E性能对比400G QPSK环路，C6T+L6T，EDFA，跨损22dB传输前和传输5000km后的光谱4.2E-216泛在接入-构建50G PON+FTTR智能协同的新型光接入网技术架构提出PON+FTTR智能协同的新一代光接入网架构，进一步延伸光底座到房间打造千兆入算光锚点从设备光层OAM管理主设备光层OAM管理原生原生管控管控通道通道进展：联合业界实现中国产业对50G PON代际技术和标准的引领，50G PON技术架构和标准体系已基本确立推进：需攻关50G突发模式光电器件，满足高功率预算需求PON 构建万兆光接入进展：联合业界引领FTTR技术、标准和产业发展，提出基于光层OAM的FTTR系统架构推进：引领FTTR技术产业发展，收敛分歧加速标准化，尽快规模商用FTTR 增强千兆光覆盖1750G PON技术发展20222023?20192021ITU-T G.9804系列标准立项第一版G.9804国际标准发布，研发原型机并测试开展非对称样机实验室测试与现网试点测试持续完善系统性能，满足商用要求商用试点2024开发对称型样机并开展现网试点测试10G GPON50G PON使用纯模拟信号处理技术路发射光功率较低，无需光放大器路ONU侧为宽带激光器，无需制冷路采用RS FEC码型，纠错容限为1E-3路oDSP：50G速率信号对传输损伤更敏感，需采用数字信号处理技术路SOA：EML/DML存在饱和输出瓶颈，需添加SOA外置光放大器路TEC：为实现三模波分共存，上行波长为窄带选项，ONU发射机需添加TEC路LDPC：为进一步提升接收灵敏度，选用纠错能力为1E-2的LDPC FEC码型路50G PON国际标准体系已基本建立，当前正处于样机研发阶段50G PON系统相比10G GPON，需采取多项全新技术方案，以满足系统各项指标要求1850G PON系统需支持多代共存中国移动已部署全球最大GPON网络和网关，GPON短时期内不会退网，50G PON部署需考虑三代PON同ODN共存，因此，未来部署50G PON重点考虑采用上行波长12862nm选项三代共存波长规划支持三代共存的上行波长新器件：DML+TEC新线路：六波长WDM挑战p 传统ONU侧使用的DML激光器均为20nm宽带波长方案在ONU发射机中加入TEC温控，控制激光器输出波长范围在4nm以内挑战p 支持6波长复用解复用，MPM封装对器件体积要求高p 上行相邻波段间隔仅为2nm，对滤波器斜率要求很高进展已有6波长合分波器样品，但隔离度不足19FTTR技术架构及基于光层OAM的集中管控机制随着家庭业务的快速发展，光纤进一步延伸到房间，基于P2MP架构，打造家庭全光底座，实现千兆无缝覆盖FTTR作为光接入网的延伸，PON的光层OAM机制需向FTTR延伸以构建集中管控型高等级网络OLT 主设备上行光口FTTHFTTRSplitter Splitter 下行光口从设备从设备从设备1 Dechao Zhang,Jinglong Zhu,et al.,Fiber-to-the-Room(FTTR):A Key Technology for F5G and Beyond,vol.15 issue.9,JOCN 20232 Jinglong Zhu,Junwei Li,et al.,First Field Trial of FTTR Based on Native Management and Control Architecture for 5G Small Cell Backhaul,OFC 2023,Paper W2A.13家庭全千兆覆盖千兆Wi-Fi物理层光层OAM通道（Me接口，基于OMCI演进）WiFi一张网管理通道（Mf接口，基于MQTT协议）PON+FTTR智能协同，实现具备网络切片能力的端到端智能化千兆光接入网 光+WLAN协同，实现WiFi组网可调度，增强千兆Wi-Fi体验FTTx的延申对管控架构和能力提出新需求，两段P2MP网络需满足集中统一管控 Me：实现OLT对SFU的光链路层管控功能，延伸PON层OAM管控能力 Mf：实现FTTR网络主从设备WiFi一张网管控能力及家庭网络高速数据采集基于光层OAM的管控架构及管控机制协同组网提升体验管控通道20FTTR线缆技术发展根据应用场景对FTTR从设备供电的难易程度，FTTR ODN需新增远程供电能力，需进一步推进技术方案完善及产业成熟 OLT 从设备-吸顶式从设备-面板式光插座从设备-吸顶式3412主设备从设备远程供电需求pToB场景，吸顶/悬挂式从设备需求强烈，本地供电不易p家庭场景，面板式从设备更加美观，本地供电不易光电混合缆p通信用引入光缆 第4部分：光电混合缆p扁平型和圆形为主，电压范围48V56V（略高于人体安全电压36V）p主要匹配ToB场景需求光电混合接口：小型化、光电接口合一pSC接头行标已发布，XC接头行标通过征求意见稿pSC可最大限度复用现有产业链，电触点位置外置，存在触碰风险pXC电触点位置内置且尺寸更小，标准未定，产业链暂不成熟XC接头SC接头（I型、II型）供电位置/动态功率管理p主设备和光插座均可提供远程供电能力，可按需选择p当前系统暂不支持电源管理。需研究实现机制和功能，网络层可视1234主设备远程供电光插座远程供电圆型扁平型21前沿技术-800G高速互联前沿研究探索开展800G前沿技术研究，持续推进传输性能提升首次实现单载波800G 1000kmG.654.E、单通道电域多子载波 800G 2000kmG.654.E ECOC 2021,We3C1.5 ECOC 2022,Tu1A.1800G技术实验室验证进展传输2000km后，800G信号收端光谱800G进展G.654.E+拉曼EDFA混合放大G.654.E+纯拉曼放大1500km(极限)2018km(极限)1000km(5dB裕量)1300km(5dB裕量)基于90GBd的64QAM-PCS单载波800G，采用G.654.E+混合放大，可实现1000km+极限传输（ECOC 2021）基于95GBd的64QAM-PCS 800G，采用G.654.E+纯拉曼放大，可实现2018km极限传输（ECOC 2022）22800G技术路线和系统架构仍需进一步研究技术路线攻关：800G存在多种调制码型、器件速率等潜在路线，光纤层面G.652D是否还能满足需求、G.654E截止波长应如何修订，均需从系统层面统筹研究并明确技术方案系统架构研究：是否维持单纤80波、是否扩展S波段还需持续探索400G QPSK-2套光层800G 超长距-3套光层？S4T？23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。极限2容量极限1时延实芯石英介质折射率约为1.46介质光速 真空光速/1.46介质光速 空气光速/真空光速传输时延降低1/3，突破固有时延极限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。衡量性能的关键指标：损耗衡量规模商用的关键指标：拉丝长度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？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。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。25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光纤设计与拉制产业生态与标准如何突破反谐振空芯光纤降损及大规模工业化制备难题?系统技术攻关 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：已在STF上实现0.28dB/km1290nm的损耗，单次拉制长度可5km，居全球第一阵营 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 当前进展：首个空芯光纤非线性系数上限测量（OFC 2023 W4D.3）首个超高功率入纤功率的40800G实时传输实验（OFC 2023，W4H.7）CCSA三项空芯光纤研究课题 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 当前进展：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 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。26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 2.2010-23m2/W 最大入纤功率：5.6W1548.515nm 信号速率：DP-64QAM，400Gb/s HCF长度：1km HCF链路损耗（含连接头）：5.1 dBOFC2023,paper W4D.3实芯光纤空芯光纤27首个多波长的超高功率800G实时传输实验28dBm入纤下，190m长空芯光纤 800G PCS-64QAM实时信号传输，扫波后均未观察到明显的非线性代价（25 dBm入纤时，G.654.E在27 dBm时，800G超误码率门限，而空芯光纤的纠前BER与BTB基本一致；l BTB的BER和OSNR代价在极大入纤功率时可观察到0.25dB由5m单模尾纤造成的非线性损伤，空芯光纤由非线性引起的OSNR代价 0 dBBER versus 入纤功率由光纤非线性引起的OSNR代价 versus 入纤功率G.652D空芯光纤G.654E40波系统性能测试28小结l QPSK为400G 骨干长距传输方案，采用QPSK在传统G.652D光纤基于EDFA放大可以传输1500km以上，可以满足绝大多数场景需求，G.654E光纤可以延长30%以上的传输距离，满足更长距离场景需求l 50G PON+FTTR智能协同是下一代光接入网的技术架构，实现端到端网络切片和业务差异化承载，保障用户体验l 反谐振空芯光纤作为颠覆性技术展现出了可塑造下一个50年光通信产业的巨大潜力，但仍需从理论、工艺、标准化和系统等多个层面进行研究和推进谢 谢！