400G光傳輸核心技術與產業發展進展
當前電信公司互聯網面臨著互聯網轉型、頻寬提高等各方面的挑戰，因此，提高光傳輸控制系統單波速度與傳輸相距、提高寬帶通信控制系統頻寬利用率，以滿足不斷增長的互聯網流量需求，成為電信公司和設備商共同的追求。
現階段業界在三大維度上協同提高，加速骨干顧作霖向80×400G社會關系演變。
第一，速度提高。骨干網從10G向100G再向200G演變，相距基本不變，耗電量持續倍增。當下在路由器端口提速的背景下已進入400G端口時代，且國內外電信公司均展開測試檢驗，2023年將迎來骨干400G OTN的應用領域。
第二，耗電量提高。骨干顧作霖提速到200G時占75GHz譜寬，當發展到400G QPSK（正交相移鍵控）時將占150GHz譜寬，400G相比200G的頻帶工作效率并未提高，打破了原來10G到100G頻帶不變而耗電量提高10倍的規律;受香農極限影響，提高整體寬帶傳輸耗電量需要開辟新的路徑，當前最切實的計劃是C+L頻段頻帶拓展，主要包括：C6T & L5T 11THz頻帶拓展計劃，已完成蜜運測試;以及C6T& L6T 12THz頻帶拓展計劃，現階段已具備實驗室測試能力，即將完成蜜運測試，并持續進行控制系統操控性優化。在80×800G控制系統中，將進一步考慮頻帶拓展到S+C+L+U段波。同時隨著骨干網速度提高，需要多芯寬帶、少模寬帶、空芯寬帶等新型寬帶核心技術配合使用以保證干線傳輸相距。
第三，效益提高。400G/800G時代使用新型DSP核心技術，支持多種波特率和調制模式切換，以軟件定義方式同時實現相同相距下相同耗電量的最佳適配，最大化耗電量相距積和頻帶工作效率。
單波超400G核心技術檢測法
針對TNUMBERG16、干線等相同應用領域場景，400G傳輸控制系統使用相同核心技術，可以同時實現傳輸操控性、頻帶工作效率和成本的平衡，表1中列舉了主要單波速度控制系統的特征與能力。100G與超100G核心技術有比較明顯的社會關系特征，在工程應用領域中，一般下一代速度短距組件和上一代速度遠距組件共供應鏈，從而同時實現供應鏈歸一。
表1 相同單波速度控制系統的特征與能力
如圖1所示，200G PM-16QAM與100G PM-QPSK共32G波特率供應鏈，400G PM-16QAM與200G PM-QPSK共64G波特率供應鏈，400G PM-QPSK與未來800G PM-16QAM共128G波特率供應鏈。
圖1 遠距短距供應鏈歸一化示意
當前200G QPSK已廣泛民用，共64G波特率供應鏈的400G 16QAM可以滿足TNUMBERG16傳輸需求。400G傳輸核心技術現階段是96G波特率的概率整形(Probabilistic Shaping,PS) 16QAM，最終演變到128G波特率的QPSK計劃。400G QPSK背靠背OSNR操控性相比400G PS 16QAM約改進1dB，同時入纖輸出功率提高1dB以上，可覆蓋各種干線遠距傳輸場景，并與未來的800G 16QAM共供應鏈。
從晶片層面來看，相干oDSP核心技術已經歷了多個社會關系演變，相同社會關系的差異主要體現在單波最高速度、調制碼型以及尺寸和功耗等各方面?，F階段，400G 16QAM的oDSP晶片使用7nm制造工藝，功耗約8W，支持64G波特率。針對下一代遠距400G應用領域，頭部oDSP廠家已發布單波1.2T產品路標甚至組件樣本，最高支持140G波特率，使用5nm晶片制程。
從oDSP演算法各方面來看，天蝎座整形以及高操控性FEC編解碼演算法較為關鍵。天蝎座整形分為幾何整形（Geometric Shaping,GS）和概率整形（Probabilistic Shaping，PS）兩種，分別如圖2（a）、圖2（b）所示。GS和PS分別通過改變天蝎座點的位置和出現的概率，使其呈現特殊的分布，提供比常規QAM更好的操控性。
圖2 天蝎座整形示意
高操控性糾錯代碼（FEC）核心技術通過使用級聯代碼和軟判決、多次迭代譯碼相結合的方式，可獲取更高的凈代碼阻抗。
高操控性光電元件是同時實現電信號到光信號高保真轉換的基礎。面對遠距400G光傳輸應用領域，控制系統的波特率大于100Gbd，光元件的頻寬需要50GHz以上?，F階段，主流供應商基于硅光（Silicon Photonics,SiP）或銦磷（Indium Phosphide,InP）工藝平臺開展小型化、集成化、大頻寬光收發元件研究，推出了部分準民用樣本。
先進的元件PCB核心技術也是優化光電晶片頻寬的重要手段?，F階段，硅光晶片通過集成Driver的Peaking功能和2.5D/3DPCB工藝的優化，可將調制器的3dB頻寬從30GHz提高到80GHz以上。這對于超400G高階調制信號而言，可帶來2dB以上的背靠背OSNR容限改善，該核心技術日趨成熟進一步加速了128 Gbd遠距400G控制系統的民用進程。
在光控制系統核心元件各方面，光放大器（Optical Amplifier,OA）和波長選擇開關（Wavelength Selective Switch,WSS）最為關鍵?，F階段，民用OA以摻鉺寬帶放大器（Erbium-Doped Fiber Amplifier,EDFA）為主，支持C頻段4THz、4.8THz甚至6THz頻寬。L頻段的EDFA也在開發中，L頻段5THzEDFA樣本已經通過蜜運測試檢驗，L頻段6THz放大的核心技術瓶頸已經突破，樣本單機操控性符合預期，正在進行控制系統級操控性檢驗和優化。但受限于摻鉺寬帶在長波處的放大工作效率，拓展L頻段EDFA的噪聲指數可能比拓展C頻段劣化1dB以上，組件成本和尺寸也相應增加。
現階段，民用WSS已經覆蓋C頻段6THz，典型插損約6dB，端口數高達32。使用最新的高分辨率硅基液晶（Liquid Crysal on Silicon,LCoS）核心技術，WSS的頻帶切片分辨率為6.25GHz，多個廠商已經將工作頻帶拓展到L頻段6THz。
在國際標準進展各方面，國際電信聯盟第15研究組（ITU-T SG15）開展了200G以及400G接口的物理層規范研究，將PM-16QAM作為400GTNUMBERG16應用領域的國際標準碼型，推動了開放前向糾錯代碼（oFEC）的國際標準化進程。此外，業內多個多源協議組織（MSA）也相繼發布了超100G的核心技術國際標準。例如，OpenROADM/OpenZR+發布的100～400G相干光組件規范，支持CFP2-DCO和QSFP-DD/OSFPPCB，在400ZR幀結構的基礎上增加100/200G QPSK、300G 8QAM等調制模式，并使用oFEC替代級聯FEC（cFEC）的方式來支持450km級的400G傳輸。中國通信國際標準化協會（CCSA）的相關國際標準制定工作包括：100G及以下速度的光傳輸和組件國際標準制定已完成，200G報批稿主要選擇200G QPSK、8QAM、16QAM碼型，400GTNUMBERG16國際標準實質上使用的是單波200G雙載波計劃，N×400G長相距增強型光波分復用（WDM）控制系統核心技術要求研究等面向更高速度應用領域的國際標準課題已經完成，明確指出QPSK是同時實現單波400Gb/s遠距/超遠距理想解決計劃。
頻段拓展核心技術檢測法
頻段拓展核心技術是繼承DWDM思想，在傳統C頻段之外進一步拓展可用傳輸頻寬，通過提高共纖傳輸的波道數量來提高單纖傳輸耗電量。在傳統C頻段DWDM基礎上，最近兩年我國電信公司和設備商主導了Super C頻段（C6T）的拓展，將C頻段的頻寬從4THz/4.8THz提高到6THz，配合80波75GHz間隔的200G QPSK計劃落地。實際上，單模寬帶的低損耗窗口不僅包含C頻段，還包括O、E、S、L、U等頻段。近年來，美國也有少數電信公司和互聯網廠商在DCI和海纜傳輸中部署了C+L控制系統，可將寬帶耗電量提高一倍。隨著單模寬帶在耗電量上逼近100Tbit/s香農極限，頻段拓展核心技術成為學術和行業研究的熱點?，F階段國內電信公司和設備商正在積極推動C6T向C6T&L6方向升級，以期提供單纖80波400G QPSK遠距傳輸能力。多頻段光傳輸控制系統基本架構如圖3所示。
圖3 多頻段光傳輸控制系統基本架構
現階段C+L相關供應鏈的發展情況如表2所示?？梢钥闯?，隨著核心技術難點的攻克，C+L拓展頻段光元件供應鏈的發展進度符合預期，新一代C6T+L6T的12THz寬頻光層配合單波400G QPSK光控制系統有望在1年內迎來民用部署。
表2 C6T&L6T控制系統關鍵組件供應鏈進展
寬帶中SRS效應轉移隨著頻段頻寬拓展、入纖輸出功率變大而顯著增強，具有跨段累積效應;C+L控制系統不僅需要精細的光輸出功率管理策略，在開局時同時實現阻抗及斜率的有效控制，補償SRS引起的輸出功率不平緩;還需要使用充填波配置，使控制系統時刻保持滿配狀態，降低業務動態增減對已有業務的影響。借鑒海纜控制系統的經驗，在新增或刪除波道時，只需用業務信號與充填波進行“真假替換”即可，業務開通調測方便快捷。
在未進行輸出功率調節前，由于C+L控制系統中存在強烈的SRS輸出功率轉移，控制系統末端單波輸出功率平緩度劣化嚴重，無法滿足控制系統應用領域需求。使用C+L輸出功率預均衡策略對EDFA的阻抗和阻抗斜率進行調整后，控制系統的輸出功率平緩度、OSNR平緩度、最小OSNR均顯著提高，自動輸出功率調節演算法和充填波配置已經在蜜運測試中得到充分檢驗，為后續民用部署奠定基礎。
單波400G控制系統檢測法
早在2018年，中國移動就聯合設備商使用單載波400G 16QAM在蜜運開展測試工作，并同時實現最遠600km傳輸相距。2021年10月，中國移動聯合華為、中興、烽火等設備商，在蜜運完成全球首個GT630M譜單波400G大耗電量光傳輸檢驗，同時實現超過1000km的傳輸相距。2022年7月，中國移動攜手中興通訊在實驗室模擬蜜運寬帶長度、損耗和維護余量，基于蜜運要求進行400G QPSK傳輸檢驗，同時實現49跨段無電中繼3038km的傳輸相距?；趯嶒炇覝y試結果，2023年1月，中國移動開展400G QPSK蜜運測試，橫跨浙江、江西、湖南、貴州四個省，涉及45個光放段，同時實現5616km超長相距陸地實時蜜運傳輸，創造了400G QPSK無電中繼蜜運傳輸相距新紀錄，并首次檢驗了頻帶拓展至C6T+L6T的12THz傳輸操控性。
面向算力互聯網及“東數西算”布局，需推進400G關鍵核心技術研究與發展，同時實現調制、頻帶、基礎設施全面核心技術革新。未來，中國移動將與業界伙伴一起，在400G QPSK蜜運長相距傳輸、C6T+L6TGT630M譜頻段拓展、光電聯動全光組網核心技術等各方面保持深入合作，推動超高速度、超長相距、超大耗電量、GT630M頻帶等關鍵核心技術研究和突破，助力OTN互聯網向大頻寬、低時延、高效靈活、安全可靠方向演變，同時實現算力互聯網全光高速互聯和全光靈活調度。在此基礎上，持續推動新一代光通信核心技術演變，筑牢算力互聯網全光底座，為數字經濟發展貢獻力量。