關于400 Gbps DWDM技術大規模商用論證

鄭晶晶 黃飛 詹軍 童慶武

摘要：隨著互聯網流量的不斷增長，大帶寬網絡的需求也日益增長，研發和推廣更大容量的DWDM技術成為大勢所趨。目前，400 Gbps DWDM技術已經在實驗室和一些小規模商用環境中完成測試和部署。隨著400 Gbps關鍵技術不斷成熟、成本逐漸可控、供應鏈上下游日益支持，現階段400 Gbps DWDM技術已具備大規模商用的可行性。文章從關鍵技術論證、關鍵器件介紹、演進路線三個方面對400 Gbps DWDM技術大規模商用進行了論證。

關鍵詞：400 Gbps DWDM；商用；400 Gbps QPSK；L6T

doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2024.01.024

中圖分類號：TN 929.11? ? ? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? ? 文章編碼：1672-7274（2024）01-00-03

Demonstration of large-scale commercial use of 400 Gbps DWDM technology

ZHENG Jingjing， HUANG Fei， ZHAN Jun， TONG Qingwu

（Wuhan Fenghuo Technology Service Co.， Ltd.， Wuhan 430070， China）

Abstract： With the continuous growth of internet traffic， the demand for high bandwidth networks is also increasing， and the development and promotion of higher capacity DWDM technology has become a trend. Currently， the 400 Gbps DWDM technology has been tested and deployed in laboratories and some small-scale commercial environments. With the continuous maturity of 400 Gbps key technologies， cost controllability， and increasing support from upstream and downstream of the supply chain， 400 Gbps DWDM technology has the feasibility of large-scale commercial use at this stage. The article demonstrates the large-scale commercial use of 400 Gbps DWDM technology from three aspects： key technology demonstration， introduction of key components， and evolution path.

Key words： 400 Gbps DWDM; Commercial use; 400 Gbps QPSK; L6T

1? ?研究背景

2022年初，國家發改委聯合多部門啟動東數西算工程，這一工程的落地對全國基礎網絡的業務流向和建網思路都提出了新的需求。伴隨“數字中國”戰略的推進，算力規模和應用的急速增長對網絡帶寬資源提出了新的挑戰，以400 Gbps速率為代表的大容量全光網提上日程，業界普遍認為，400 Gbps速率會是繼100 Gbps之后的下一代黃金速率，生命周期預計會跨越十年。為此，產業界都在加速推進400 Gbps的成熟。

2? ?400 Gbps關鍵技術論證

400 Gbps光傳輸系統由5大模塊組成：400 Gbps相干光模塊、光放大、光交換、光系統、光纖光纜（見圖1、圖2）。

經過三代400 Gbps傳輸系統聯合驗證，400 Gbps超長距傳輸已聚焦到兩種碼型：PCS-16QAM、PM-QPSK（見圖3）。

C波段下，憑借B2B性能和較高的入纖功率，QPSK傳輸距離優于PCS-16QAM，性能與100 Gbps QPSK相當；G.652光纖中受強SRS效應、WDM器件插損增加以及L波段器件性能影響，QPSK在C6T+L6T下傳輸距離將明顯下降，評估與C4.8T+L4.8T下的PCS-16QAM+基本處于同一水平；G.654光纖中SRS效應降低明顯，性能主要受限L器件性能和WDM插損增加，但由于入纖功率的提高，傳輸距離將會延長。雖然目前技術都有發展路線，但仍然有諸多技術難點需要徹底解決。首先，SRS效應帶來的短波功率向長波轉移，C波段向L波段轉移，影響通道平坦度和OSNR一致性。其次，由此導致的系統非線性相位噪聲加劇，通道間/內噪聲干擾、SPM（自相位調制）/XPM（交叉相位調制）/FWM（四波混頻）等問題突出。還有近三十年來，光纖非線性補償難度一致是商用道路上需要明確取得突破的核心，國內廠商目前都在此攻堅。

小結：PM QPSK（128 GB）理論傳輸性能比PCS 16QAM（107 GB）好1 dB左右，兩種碼型常規EDFA配置下鏈路仿真、現網實測均能滿足干線1600 km以上無電中繼需求（保留5 dB以上系統OSNR余量）。產業鏈支持400 Gbps PM QPSK（128 GB）廠家比PCS 16QAM（107 GB）略多，烽火當前對于超長距400 Gbps可支持PCS 16QAM（107 GB）和PM QPSK（128 GB）兩種方案。

3? ?400 Gbps配套關鍵器件簡介

在光域進展方面，80×400 Gbps WDM系統實現需要C+L波段擴展，C6T產業鏈受200 Gbps QPSK驅動已完善成熟，C4.8T+L4.8T產業鏈在10 Gbps、100 Gbps海外市場推動下已完善成熟，C6T+L6T產業鏈受400 Gbps PM QPSK驅動處于完善過程中，當前主要依賴中國廠商實現；C4.8T+L4.8T一體化光器件取得進展，當前WSS、OCM海外廠家已經做到C4.8T+L4.8T一體化并已產品化，WSS支持ADD/DROP任意端口上下任意C4.8T+L4.8T波長；C4.8T+L4.8T一體化光器件進展將遠快于C6T+L6T，C6T+L6T一體化的WSS樣品預計最早在2024年下半年出現；激光器、EDFA C+L一體化進展緩慢，從工程實現角度而言，預計C4.8T+L4.8T比C6T+L6T更快面世。

光模塊：IPEC（國際光電委員會）于2022年10月25日正式發布《基于100 Gbps/Lane的100 Gbps和400 Gbps PAM4光模塊接口標準》。目前在400GE光模塊中，光口側主要使用4路*106 Gbps PAM4（400G-DR4、FR4、LR4）實現400 Gbps信號傳輸。國內成熟供應商光迅、中際等有自主可控產品技術儲備。

光纖光纜：長飛、烽火通信、亨通等有成熟產品支持。

集成電路及光芯片：在400 Gbps網絡中，集成電路和光芯片起著關鍵的作用，用于光信號的調制解調、光放大、光切換等功能。烽火通信、華為、中興等有成熟產品支持。

高速DSP：在400 Gbps網絡中，高速DSP通常用于光信號的調制解調和數字信號的處理，以實現高速、高效的數據傳輸和通信。日本NEL和美國Acacia、Inphi有成熟產品支持。

L6T EDFA：L6T放大器主要通過改變摻雜元素或者基質材料來擴展L波段放大帶寬，目前L6T放大器增益問題基本解決，產業鏈主要受限鉺纖廠家。OFS、Fibercore、長進激光、睿芯、銳光具備實用化L6T鉺纖生產能力，光迅、德科立已實現L6T EDFA的小批量樣產。

當前主要通過改變摻雜元素或者基質材料來擴展L波段放大帶寬。國外廠家的研究目前大部分仍停留在1 620 nm，近期研究進展基本都由國內廠商支持。前L6T放大器增益問題基本解決，但NF噪聲指數與C和L4.8T仍有1.5～2 dB的差距，這由鉺纖特性所決定的。L6T當前仍存在一定難題，EDFA鉺纖效率、SRS強效應、系統業務信道和輔助信道分布、SRS效應是C+L應用時需要重點關注和解決的問題^[1]。L4.8T在業界已經商用多年，技術和產業鏈非常成熟。L6T光器件當前仍處于小批量樣品階段，且僅國內在研究。烽火處于業界領先地位。

WSS波長光開關：當前WSS、OCM海外廠家已經做到C4.8T+L4.8T一體化并已產品化，WSS支持ADD/DROP任意端口上下任意C4.8T+L4.8T波長，C4.8T+L4.8T一體化光器件進展將遠快于C6T+L6T，C6T+L6T一體化的WSS樣品預計最早在2024年下半年出現。目前Finisar、Lumentu、Molex、海思、光迅、昂納等國產廠家主要提供C4.8T、C6T的9維、20維產品。

小結：40 Gbps在C+L波段的部署是當前業內關注和研究的焦點，涉及技術、產品和產業鏈。相干光模塊、EDFA、WSS等光器件在C6T、C4.8T+L4.8T已成熟并支持規模商用，L6T波段相干光模塊、EDFA有待產業鏈進一步成熟和完善。當前400 Gbps在C+L波段的部署本質上是在一根纖芯上兩套系統的疊加。關于C+L波段兩套器件的“有機”融合C4.8T+L4.8T WSS已有樣品，C6T+L6T預計最早在2024年下半年會出現樣品。成本方面，C6T、C4.8T+L4.8T EDFA、WSS與傳統C波段接近，L6T EDFA從實現方案來看比C波段EDFA高出不少。在C+L應用方式下系統的非線性管理和優化是一大難題，需要進行深入研究和驗證，另外，ITU-T標準還在討論中，預計2023年6月定稿發布。當前廠家宣稱的雙速率都是硬件支持速率，處于樣品階段。廠家主要包括光迅、索爾思、Finisar。

4? ?400 Gbps實驗網系統原型演進路線

2016年烽火通信開始布局400 Gbps預研，2018年全球首張400 Gbps OTN試商用網絡在北京聯通二平面建設，400 Gbps傳輸系統原型首次面世。2021年烽火通信在智利幫助Mundo客戶建設首張400 Gbps OTN骨干傳輸網?？紤]對方已成為當地TOP3固網運營商、第二大FTTH運營商，烽火采用先進的SDN管控平臺，滿足Telemetry、Netconf/Yang，整合Inspection Tool巡檢工具，提升運維能力，同時設計具有兼容后續800 Gbps高速傳輸技術特點，為南美首家部署試商用400 Gbps傳輸網絡做了良好示范。2023年初，烽火通信聯合中國電信研究院，基于電信上海-金華-河源-廣州G.654E光纜，采用最新第三代400 Gbps系統，通過118.75 GHz帶寬，107 G波特率的PCS-16QAM調制400 Gbps系統技術方案，利用現網實際鏈路在線實時傳輸，成功實現了從廣州出發在上海環回返回廣州。其中放大器全部采用純EDFA，全程無電中繼，路由全長3 820 km，實現業界最長驗證距離，打破了現網行業紀錄。而本次驗證中采用的107 Gbps系統具有更好的傳輸性能，相對于96 Gbps，傳輸距離提升30%以上；同時系統支持C波段和L波段，在C4.8T+L4.8T波段可實現80波大容量傳輸系統，容量翻倍，有力支撐了下一步400 Gbps干線商用。2023年5月17日在世界電信日期間，基于自主研發的400 Gbps QPSK光模塊，烽火通信向業界展示了全國首個400 Gbps 6 000 km無電中繼實時在線系統驗證成果，這標志著向產業成熟邁出關鍵一大步。本次驗證采用自研400 Gbps QPSK單盤、400 Gbps QPSK模塊及全自研Tbits級別的OTN處理芯片，實現了無電中繼6 000 km的極限傳輸距離。在現場測試中，系統采用了現網廣泛應用的G.652.D光纖，并基于C6T波段，通過EDFA+拉曼放大器驗證了多場景極限距離傳輸能力。測試結果表明，自研400 Gbps QPSK的性能完全可以滿足大容量、長距離傳輸需求，相較于200G QPSK，可達到“容量翻倍、距離不變”的效果。同時在試商用工程現場，基于湖北省內干線網絡光纜數據，采用了C+L波段和400 Gbps QPSK技術進行了現網長跨度模擬測試。實驗中，烽火通信實現了環回1100 km的傳輸距離驗證，系統的余量超過5 dB，線路利舊（全程G.652.D），且不新增節點；全程采用EDFA，系統性驗證了在維持現網網絡結構、維持現有運維習慣、維持主流光纜類型的情況下，400 Gbps QPSK可以滿足干線網絡的傳輸性能要求。

5? ?結束語

在和國內外運營商實驗網建設過程中，400 Gbps全光網已經在理論和實踐方面獲得了突破性進展，通過超長距實時傳輸驗證，初步明確400 Gbps QPSK技術路線，400 Gbps大規模商用技術路線選擇應綜合考慮“性能、產業、自主可控”因素，進行技術路線選擇，選擇性能滿足應用需求，產業支持度好，技術生命周期長，以實現自主可控、降低風險。

從2018年至今，烽火通信陸續與國內三大運營商完成多個C+L寬譜、單波400 Gbps長距離傳輸試點、系統性驗證了400 Gbps極限傳輸能力和現網部署預驗證，表明400 Gbps系統離正式商用部署更進一步，烽火通信400 Gbps QPSK無電中繼傳輸6 000 km是目前業界處于領先地位的商用方案。400 Gbps是個系統工程，烽火通信將在系統優化、光電聯動、智能運維等技術領域持續攻關，加速推進400 Gbps系統等商用。

目前，中國移動聯合烽火通信在內的10余個行業伙伴共同發布了《中國移動東數西算業務布局白皮書》；中國聯通寧夏分公司與烽火通信等50家生態合作伙伴簽署了“東數西算”戰略合作協議，進一步擴大了“東數西算”產業生態圈。烽火通信還將攜手全球運營商及行業合作伙伴，筑牢算力網絡全光底座，促進數字經濟新發展。

參考文獻

[1] 何樂，褚應波，戴能利，等.石英基L波段擴展摻鉺光纖及其放大性能[J].物理學報，2022， 71（15）：137-143.