“后400G”全光网技术创新及演进_全光网络技术

通信世界网消息（CWW）光传送网是综合承载各项业务的信息“大动脉”，是整个信息基础设施的“承重墙”。面向“东数西算”、“东数西存”等算力网络典型场景需求，中国移动构建了基于“400G+OXC（光交叉连接）”的新型全光网，夯实算力网络全光底座。面向“后400G”时代，技术难度、芯片器件要求进一步提升，超高速光传输在传统骨干网追求大容量、长距离的基础上，从新场景、新系统、新介质等多个维度开展技术研究。

400G是复杂的系统性工程难题。相比100G时代，400G面临器件速率提升4倍、频谱宽度提升3倍系统SRS功率转移提升6dB等新的技术挑战。中国移动协同产业合作伙伴从器件、模块、系统等维度开展技术攻关，实现了100G到400G的代际性技术突破，提出基于QPSK（正交相移键控）低阶调制、130GBd高波特率、“C6T+L6T”超宽谱的新型400G骨干网技术体系以满足1500km超长距传输，发布了目前世界最长距离（5616km）400G光传输技术试验网，推进实现三大400G长距传输世界纪录，全面论证了400G QPSK技术路线的优势与可行性。

近日，中国移动贯通“北京—内蒙”全球首条400G省际骨干网链路，正式开启骨干400G OTN（光传送网）全光网络规模商用元年。面向400G技术的未来发展，后续应进一步推进“C+L”一体化器件，简化光层系统复杂度，优化系统的SRS自动管理能力。

未来，针对光传送网进一步向更高速率、更大容量、更长距离的光传输技术演进，以及传统实芯光纤面临固有的时延极限与非线性香农极限，“产学研”应协同从重用性技术、延长线技术、颠覆性技术三大维度开展“后400G”关键技术研究。

重用性技术：面向数据中心互联的中短距800G

国内外正在推进64G波特率的短距400G，用于数据中心间的高速光互联。400G超长距骨干网的应用拉动了130GBd波特率技术、器件和产业成熟，为百千米内800G部署扫清了物理层最大难题，推进数据中心间高速互联等大容量、中短距传输场景向800G演进。当前，基于16QAM码型可重用400G时代130GBd波特率产业链，在“G.652.D光纤+纯EDFA放大+满波配置”的系统模型下，已实现880km的满波极限传输。通过重用超长距400G在130GBd高波特率器件、“C6T+L6T”宽谱光层、超宽谱SRS功率均衡等方面的技术创新成果，将快速推动面向数据中心间高速互联的中短距800G技术和系统成熟。

延长线技术：超高速多波段传输

从光通信的代际技术发展来看，在系统容量增长的同时满足长距离传输需求是基本要求。因此，沿着当前技术发展路线，进一步提升单通道速率并扩展可用波段是实现该基本要求的主要手段。

光电器件需支持20 0 G Bd量级波特率，以满足“后400G”时代单通道速率提升对应的长距传输能力需求。从单波速率来看，130GBd代际采用基于概率星座整形的DP-64QAM调制格式，最高可支持1.2Tbit/s单波速率，但其传输性能在满足现网工程运维余量条件下仅可支持短距数据中心光互联场景。

中长距和超长距光传输需采用更高波特率和低阶调制格式。参照400G传输模型初步估算，单波800Gbit/s系统需要达到200GBd波特率才可满足中长距传输（约1000km）需求，达到260GBd波特率大约可满足超长距传输（大于1500km）需求。若单波速率进一步提升到1.2Tbit/s，则需要达到200GBd波特率以满足城域传输（小于600km）需求，260GBd波特率大约可满足中长距传输需求。

当前，海外机构和厂商已可实现256 GSa/s高速AD/DA（模数数模转换）和Serdes（解串器），并在向超300 GSa/s演进。未来在技术上应进一步推动200GBd及更高波特率的调制器、接收机、AD/DA、Serdes、TIA等核心光电器件的演进与发展。

Tbit级高速传输单纤是否仍需满足80波以上的容量要求是未来需要明确的技术策略。光层系统需在“C6T+L6T”基础上扩展新的波段，以满足“后400G”时代单通道波特率提升对应的单纤大容量传输需求。当单波波特率达到200GBd以上时，通道间隔对应增加到225GHz～275GHz。若继续保持80波方案，系统频谱总宽度将达到18THz～22THz，即仍需在当前400G系统采用的12THz“C6T+L6T”方案基础上新扩展6THz~10THz频谱。

在C与L波段外，相邻可用波段有S波段（1460nm—1520nm）和U波段（1630nm—1675nm）。系统波段的扩展需要综合考虑光纤、放大、发射接收等光层核心组件的频谱情况。从光放大器的角度看，S波段与U波段均无成熟的掺杂光纤放大器。但是，S波段光放大已有较多实验室研究报道，存在掺铥氟硅酸盐光纤和掺铋石英光纤两条技术路线，基本可以达到6THz以上的增益宽度和25dB以上的增益，具有向商用演进的前景。从发射接收的角度看，InP方案仅能支持C/L波段，TF-LiNbO方案则具备向“E+S+C+L”演进的能力。因此，TF-LiNbO调制器结合S波段具备一定的发展潜力。

除单波速率和扩展波段外，光纤也是影响传输性能的主要因素之一。对于当前单模光纤的衰减谱，S波段和U波段具备基本相当的损耗特性。采用G.652.D光纤，受传输损耗、非线性和受激拉曼散射的影响，传输距离难以超过600km；而采用G.654.E光纤，由于更低的传输损耗、更大的有效模场面积和更低的受激拉曼散射，传输距离可延伸30%以上。考虑到更高的单波速率和更宽的频谱，在复杂的线性与非线性传输损伤耦合相互作用下，G.654.E在“后400G”时代具有更广的应用前景。

但需要注意的是，“后400G”时代频谱的进一步扩展也给已有的G.654.E光纤带来全新挑战，一是目前ITU-T定义的G.654.E光纤截止波长为小于1530nm，在S波段以及C6T波段的短波处光纤不再具备理想单横模特性，由此产生的模间干扰将成为光通信系统的新型传输损伤，需要将截止波长延伸至1470nm；二是此前G.654.E光纤未考虑低水峰的工艺设计，这将显著增大S波段传输损耗，形成对G.654.E光纤原有衰耗优势的抵消。

由此可见，面向“后400G”时代的新波段扩展，G.654.E截止波长、消水峰等特性及C波段外的关键技术指标需进一步研究。

颠覆性技术：空芯光纤及其传输系统

鉴于实芯单模光纤已经趋近非线性香农极限，提升传输容量面临边际效应，光通信容量慢增长与信息流量快增长间的矛盾日益凸显，亟需探索全新的光纤理论体系。面对这一重大挑战，反谐振空芯光纤基于反谐振理论，以空气替代实芯石英介质，有望从根本上破解非线性香农极限带来的通信容量瓶颈。

反谐振空芯光纤在导光机理和结构上的变革为其带来了四项优势：一是空芯光纤中光速约为实芯单模光纤中光速的1.5倍，接近真空光速，可降低1/3通信时延；二是空芯光纤非线性系数相比实芯单模光纤可降低至少3个数量级，从而大幅提升光纤容量；三是空芯光纤理论衰减小于实芯单模光纤理论衰减极限，可显著延长光纤通信距离；四是空芯光纤的可用频谱可至少扩展至390nm，具备跨波段应用的巨大潜力。

反谐振空芯光纤的包层结构经历了多次演变。第一根反谐振光纤在2002年由巴斯大学提出，包层采用竹篮型（Kagome）结构。2010年，巴斯大学汪滢莹和Benabid提出内摆线结构，Kagome光纤损耗降至40dB/km。2011年，俄罗斯科学院Pryamikov和Kolyadin等人提出单圈管式包层结构。2017年，优化后的单圈管空芯光纤损耗降至7.7dB/km。2014年，中科院物理所与北京工业大学丁伟、汪滢莹团队首次给出反谐振导光模型，并于2017年进一步完善为可定量分析的多层反谐振模型，指出降低损耗的最佳途径是增加包层玻璃壁层数。巴斯大学和南安普顿大学团队同期分别提出嵌套管式空芯光纤（NANF）结构，并预测超低损耗特性。在理论研究的基础上，2018年中科院物理所与北京工业大学丁伟、汪滢莹团队研制出第一根多层玻璃壁空芯光纤，取名“连体管式光纤”，损耗2dB/km，打破当时纪录。2018—2020年，英国南安普顿大学ORC中心的空芯光纤小组研制出6节点嵌套管的NANF-6光纤，损耗降至0.28dB/km。2024年，该小组继续优化得到5节点双层嵌套管空芯光纤（DNANF-5），并给出损耗降至0.11dB/km的最新进展。至此，反谐振空芯光纤在损耗上已经超越了实芯普通单模光纤的理论极限。

在基于空芯光纤的光通信系统研究方面，2019年，北京大学联合北京工业大学和中科院物理所完成了220m低损耗连体管空芯光纤10Gbit/s速率传输，阐明了反谐振空芯光纤在模式纯度和低损耗两个方面的优势。2020年，南安普顿大学将反谐振空芯光纤的传输窗口扩展到O-L全波段。2022年，意大利都灵理工和南安普顿大学在实验室搭建空芯光纤环路，将数据传输的距离提高到4025km，再次证明空芯光纤的优异性能。2021年，暨南大学联合南京大学展示了反谐振光纤中偏振模纯净的优点，可用于高保真的量子态传输。2022年，中国移动联合北京大学、暨南大学，实现了在200m反谐振空芯光纤上单波5W量级入纤功率的超高速实时传输试验，支持了空芯光纤超低非线性损伤传输的理论。同年，中国移动联合北京大学、暨南大学，提出基于高阶调制非线性相移估计的空芯光纤克尔非线性系数测量理论，首次实现了空芯光纤克尔非线性系数的上限测定。2023年，中国移动进一步提出利用空芯光纤的超低背向瑞利散射机理，开发方向维度，首次实现基于光纤的无损伤同波长单纤双向超高速传输。

面向反谐振空芯光纤及其通信系统，未来应从光纤、系统、标准化等方面攻关：一是深入研究空芯光纤损耗物理损伤机制，以及千米级拉制中微纳精度复杂结构调控，攻关反谐振空芯光纤结构设计；二是从反谐振空芯光纤的全新关键参数特性出发，自下向上重构信道模型，研究匹配反谐振空芯光纤新型物理机制的光器件、光算法与光系统；三是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。

站在400G骨干网已正式商用的全球光通信领域重要发展节点，后续应进一步推动“C+L”光层一体化演进与SRS效应管理技术研究，这是促进400G技术更加完善需要解决的关键问题。面向“后400G”时代技术发展，短期内可基于400G QPSK产业链，加速中短距单波800G技术成熟，满足数据中心互联或城域网场景应用需求；中期需体系化开展更高波特率、更宽频谱的超高速多波段系统技术研究，实现面向骨干网应用的超长距、大容量800G/B800G技术攻关突破；长期来看，受制于单模实芯光纤固有的时延极限与非线性香农极限，需围绕具备技术颠覆性的反谐振空芯光纤及通信系统展开前沿研究，探索“下一个五十年”的光通信产业发展方向。

*本文刊载于《通信世界》

总第942期 2024年4月25日 第8期