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专题丨大容量光传输技术进展与 400G C+L 系统研究
作者简介
冯振华
中兴通信股份有限公司高级工程师，主要从事高速相干光通信算法与系统相关的预研和技术开发等工作。
尚文东
中兴通信股份有限公司高级工程师，主要从事高速相干光通信算法与系统相关的预研和技术开发等工作。
陆 源
山东省邮电规划设计院有限公司传输网支撑中心主任，主要从事传输网络规划、系统设计、新技术演进发展等工作。
王朝晖
中兴通信股份有限公司工程师，主要从事高速相干光通信算法与系统相关的预研和技术开发等工作。
施 鹄
中兴通信股份有限公司光系统总工程师，主要从事高速相干光传输系统相关的预研和产品开发等工作。
陈 勇
中兴通信股份有限公司 OTN 产品规划总工程师，主要从事高速相干光模块、设备相关的产品规划和架构设计等工作。
论文引用格式：
冯振华, 尚文东, 陆源, 等. 大容量光传输技术进展与 400G C+L 系统研究[J]. 信息通信技术与政策, 2021,47(12):48-61.
∗基金项目：国家重点研发计划项目（No.2018YFB1800905）资助
大容量光传输技术进展与 400G C+L 系统研究*
冯振华1 尚文东1 陆源2 王朝晖1 施鹄1 陈勇1
（1. 中兴通讯股份有限公司，武汉 430223；2. 山东省邮电规划设计院有限公司，济南 250031）
摘要：分析了长距光传输系统容量提升的三大途径，围绕单波超400G、波段扩展及空分复用三大技术热点介绍其研究进展及标准化动态，对比空分复用和波段扩展的应用前景；之后，针对波段扩展系统开展单波 400G C+L 实时传输试验研究，验证了功率均衡对功率平坦度和传输代价的改善效果。研究表明，相比于空分复用，短期内C+L波段扩展应用更具实用价值；对于 400G C+L 传输系统，功率均衡可改善系统的OSNR瓶颈，并控制L波段的非线性代价。
关键词：大容量传输；400G C+L；扩展波段
中图分类号：TN929.11 文献标识码：A
引用格式：冯振华, 尚文东, 陆源, 等. 大容量光传输技术进展与400G C+L系统研究[J]. 信息通信技术与政策, 2021,47(12):48-61.
doi：10.12267/j.issn.2096-5931.2021.12.007
0 引言
随着5G、云计算、移动互联、超高清视频等带宽密集型业务的快速发展，网络流量将持续保持高速增长。据Cisco预测[1]，从2017年到2022年，全球IP数据流量年复合增长率（Compound Annual Growth Rate，CAGR）将高达26%。与此同时，互联网用户对网络接入带宽的要求也进一步提升，预计在2018—2023年间全球固定接入速率和移动接入速率将分别保持20%和27%的CAGR增长率[2]。毫无疑问，作为信息和流量的承载底座，光通信基础设施将在带宽扩容和单波提速方面面临巨大压力。
基于光场5个独立的物理维度和香农容量公式，可知提升光传输系统单纤容量主要有3条途径：一是提升单波速率；二是压缩信道间隔，提高频谱利用效率；三是复用更多的信道数量。提升单波速率的技术手段主要依靠先进的光数字信号处理（Optical Digital Signal Processing，oDSP）和纠错编码（Forward Error Correction，FEC）算法来改善高阶调制格式的接收性能，其次是借助于时分复用（Time Division Multiplexing，TDM）或频分复用（Frequency Division Multiplexing，FDM）方式来提高信号的波特率。压缩信道间隔可能会导致信道间串扰 （Inter Channel Interference，ICI）或码间干扰（Inter Symbol Interference，ISI），从而带来串扰代价或滤波代价，牺牲传输性能。虽然采用超奈奎斯特技术（Faster Than Nyquist，FTN）对信号频谱进行压缩并在收端采用超强的最大似然序列估计（Maximum Likelihood Sequence Estimation，MLSE）算法可以较大程度地缓解传输代价[3]，但这会对相干收发机的oDSP芯片算法实现和功耗带来不小的挑战，其实用性受到产业界质疑。对于信道复用方式，波分复用（Wavelength Division Multiplexing，WDM）和偏振复用（Polarization Division Multiplexing，PDM）技术的应用极大地提高了通信系统的容量，并且还可通过波段扩展的方式进一步挖掘单模光纤的带宽潜能。此外，以多芯、少模光纤为代表的空分复用（Space Division Multiplexing，SDM）技术已被证明是实现下一代超大容量光传输的重要途径。
本文将对大容量长距光传输系统热点技术的研究进展进行阐述，包括单波超400G、波段扩展及空分复用技术；从学术界最新进展、产业相关动态和行业标准进展等方面梳理大容量光传输的技术发展趋势和产业现状；对比空分复用和波段扩展传输技术的商用前景，然后针对单波 400G C+L 系统开展实时传输试验研究，验证功率均衡对功率平坦度和传输代价的改善效果。
1 单波超400G技术研究进展
1.1 超400G传输进展
针对超400G技术，学术界目前主要聚焦新型oDSP算法设计和离线试验验证以冲刺更高的单波速率或传输距离。近年来，主流设备商成为超高速大容量光通信研究的主力军，进展迅猛，具有代表性的试验结果如表1所示。目前，单波速率已突破1.6 Tbit/s，传输距离达180 km。整体来看，采用高阶码型和高波特率提高单波速率的同时需要配合使用新型低损耗光纤和低噪声放大才可以支持更长传输距离。在产业化方面，各主流设备商都竞相发布超高速传输产品，联合运营商客户开展验证展示其在超400G方面的传输能力[11]。最近Infinera 在1600 km G654E光纤上实现了双载波1.6 Tbit/s信号长距实时传输，展示了单波超400G技术现网商用部署的巨大潜力。
表1 单波超400G主要试验进展
超400G在无中继系统中的应用也是一大热点。2017年，研究人员采用遥泵放大（Remote Optical Pumping Amplifer，ROPA）技术首次实现了单波400G单跨无中继传输403 km；2019年，采用单根光纤泵浦结构，单波400G无中继传输纪录被延长到482 km；2020年，光迅公司报道了单波500G无中继实时传输距离可达431 km。在2021年世界光纤通信大会（Optical Fiber Communication，OFC）上，光迅公司利用优化高阶拉曼泵浦、前向和后向遥泵技术，在超低损耗大有效面积光纤上实现了创纪录的单载波800 Gbit/s无中继404.39 km（跨段损耗达63.49 dB）实时传输[12]。
1.2 超400G关键技术长距400G传输技术分为两代，目前是96GBaud的概率整形（Probabilistic Shaping，PS）16QAM，最终演进到128GBaud的QPSK方案，背靠背OSNR性能相比于上一代约改进1 dB，同时入纤功率提升1 dB以上。目前，少数厂家已完成96GBaud 400G试验试点，但要在实际工程中兑现长距离传输能力，仍需在以下关键技术上取得突破。
1.2.1 oDSP技术从芯片层面讲，相干oDSP技术主要经历了5个代际演进，每个阶段的技术特征如表2所示。不同代际的差异主要体现在单波最高速率、调制码型以及尺寸和功耗等方面。目前，400G 16QAM的oDSP芯片，采用7 nm制造工艺，功耗约8 W，支持64GBaud波特率。针对下一代长距400G应用，头部oDSP厂家已发布单波1.2 T产品路标，波特率最高支持140GBaud，采用5 nm芯片制程，预计2022年下半年面世。表2 相干DSP芯片代际演进情况
在超400G oDSP算法方面，星座整形、多电子载波调制以及高性能FEC编解码算法最为关键。星座整形分为几何整形（Geometric Shaping，GS）和概率整形（Probabilistic Shaping，PS）两种，分别如图1（ a）、（b）所示[13]。GS和PS分别通过改变星座点的位置和出现的概率，使其呈现特殊的分布，提供比常规QAM更好的性能。相比于GS，PS被业界更广泛接纳并成功应用到多款商用oDSP芯片中，显著改善部分调制模式的传输性能。例如，200G PS-16QAM模式的典型背靠背OSNR容限可达15.5 dB，相比于200G 16QAM性能改善2 dB以上。研究还表明，在部分场景下联合使用PS和GS，传输性能可进一步改善。
多电子载波调制技术，也可称为数字子载波复用技术（Digital Sub-Carrier Multiplexing，DSCM），其核心思想是在数字域将高速信号切分成多个低速信号，然后调制到不同的子载波上，通过FDM的方式复用形成高波特率信号[14]。图2为实测采用了4电子载波技术的91.6GBaud 400G相干光信号发端光谱。采用DSCM的好处是，一方面增强高波特率信号对色散和滤波的容忍程度，另一方面实现自相位调制（SelfPhase Modulation，SPM）与四波混频（Four Wave Mixing，FWM）的平衡以增强非线性容忍度，提升传输距离。目前，该技术被多厂家采纳并成功应用于商用oDSP芯片中。
FEC技术通过采用级联编码和软判决、多次迭代译码相结合的方式，获取更高的净编码增益。表3列出了当前常用FEC算法的性能。主要分为两大类，一类是以开源互通为目标，如C-FEC和O-FEC分别被选作400 ZR标准和Open ZR+标准的推荐算法；另一类是以TPC和LDPC为代表的私有算法，主要目标是实现厂家独有的高性能译码，如当前的商用FEC算法纠前误码门限已接近4e-2，净编码增益高达12 dB。值得注意的是尽管在PS系统中，在学术上纠前误码门限并不是衡量软判FEC算法性能的客观指标，但实际工程中纠前BER仍是便于测量、易于理解的最直观的FEC性能指标。表3 不同FEC算法参数与性能对比
1.2.2 超高波特率信号产生在给定的速率下，提高波特率可降低系统等效的调制阶数或允许使用更强的FEC算法，有助于延长传输距离。因而，高波特率信号产生技术对于提升400G传输距离至关重要。商用系统的波特率提升得益于DAC采样速率和带宽的提升，从第一代65 nm DAC芯片可实现40 Gsa/s~56 Gsa/s采样速率，16 GHz带宽，到如今的7 nm DAC芯片，可提供150 Gsa/s采样速率，40 GHz带宽，近10年内DAC性能得到明显改善[15]。商用高速CMOS DAC普遍采用分段式电流舵结构，晶体管的特征频率决定了它的带宽上限仅为60 GHz左右[16]。另一方面，DAC的有效分辨率（ENOB）也是一个重要参数。最新商用产生96GBaud信号的7 nm CMOS DAC的平均ENOB可达到5.5 bit，预计该指标短期内难以有明显突破。
为了进一步提高DAC的带宽和采样速率，可采用BiCMOS工艺来制作模拟复用（Analog Multiplexer，AMux）DAC，不过目前这种技术仅停留在实验室水平。例如，Nokia Bell实验室研究员利用采样率为128Gsa/s的SiGe DAC，在ENOB>4@45 GHz，6 dB带宽为43 GHz的条件下产生了128GBaud的单波1.55 Tbit/s超高速信号[8]。又如，NTT基于InP双异质结二极管技术制作出模拟带宽大于110 GHz的AMux器件，采样速率高于190 Gsa/s，可产生波特率高达192GBaud的QPSK和160GBaud 8QAM信号[17]。借鉴示波器中的带宽增强技术，采用频率交织（FI）的方式，利用多个低速DAC将每路数字信号转换成模拟电信号然后通过电域混频方式也可实现超高速信号的产生。2016年，Nokia Bell Lab基于这种技术实现带宽高达100 GHz，采样率为240 Gsa/s的DAC，可产生190GBaud的 PAM4信号[18]。最近华为基于商用仪表，通过交织的方式产生了波特率高达220GBaud的QPSK信号以及138GBaud的1.7 Tbit/s PS-400QAM信号[19]。
在电域中，通过扩展DAC采样率和带宽来提升信号波特率最终都不可避免地会受电子瓶颈的限制。利用超信道（Super-Channel）的概念，借助于等间隔的多波长光频梳，可在光域产生多光子载波（Optical SubCarrier Multiplexing，OSCM）实现多路低速信号的频谱拼接，等效提升光信号的波特率和带宽。例如，查尔默斯理工大学采用一个孤子光频梳产生了8 Tbit/s的超信道，传输距离高达2100 km[20]。相比于常规的单载波方案，基于多光子载波的方式使用了多套光器件，短期内在系统成本上不占优势。考虑到光器件易于集成，以及光复用在带宽扩展上的潜力，这种多光子载波产生高波特率信号方案将为产生单通道3.2 Tbit/s及以上高速信号提供可行的思路。表4总结并比较产生高波特率信号的不同方案，考虑带宽扩展性和可集成性，短期内AMux-DAC具有较高的商用可行性，而长期看，多光子载波技术在产生更高波特率方面更有优势。表4 不同高波特率信号产生方案对比
1.2.3 大带宽光电器件高性能光电器件是实现电信号到光信号高保真调制的基础。面对长距400G光传输应用，系统的波特率大于100GBaud，光器件的带宽需要50 GHz以上。目前，主流供应商基于硅光（Silicon Photonics，SiP）或铟磷（Indium Phosphide，InP）工艺平台开展小型化、集成化、大带宽光收发器件研究，推出了部分准商用样品。
在2019年的OFC上，NTT针对III-V（InP）工艺平台，推出了超100GBaud的相干光IQ调制器[21]；2020年，NTT基于其硅光平台推出了高带宽相干光收发组件（Coherent Optical Sub Assembly，COSA），调制和接收带宽分别大于54 GHz和52 GHz，两种集成器件示意如图3、图4所示[22]。Infinera公司基于InP平台实现了双路集成的高速相干光收发组件，包括两套独立的集成收发器件，总带宽高达50 GHz，可产生2×800G高质量相干光信号，同时还在内部配备了激光器，这显示了InP在集成光源和提升带宽方面的优势[23]。在产品化方面，2021年5月，新飞通公司（NEO Photonics）发布了Class 60类相干光调制器和接收器样品，支持波特率达96G以上，3 dB带宽提升到60 GHz，适用于可插拔光模块的平滑升级，为600G/800G速率全面升级铺平了道路。面向未来，业内还在开发支持120GBaud的Class 80类组件，进一步扩展带宽[24-25]。
先进的器件封装技术也是优化光电芯片带宽的重要手段。目前，硅光芯片通过集成Driver的Peaking功能和2.5D/3D封装工艺的优化，可将调制器的3 dB带宽从30 GHz提升到80 GHz以上（见图5）。这对于超400G 高阶调制信号而言可带来2 dB以上的背靠背OSNR容限改善，该技术成熟后预计可加速下一代128GBaud长距400G系统的商用进程。
进一步提升光收发器件带宽，最近研究者将目光聚焦在新型材料上，通过硅光平台上集成新型光电材料以增强器件带宽或响应度，如目前学术界在铌酸锂薄膜、石墨烯、有机聚合物，甚至表面等离子体材料方面取得一些突破，有望打破传统硅光带宽的限制，将器件带宽做到100 GHz以上，并且提供低损耗、低半波电压、高消光比等良好特性[26-27]。这些进展仍只停留在实验室研究层面，距离实用化还需要解决与传统CMOS硅光平台兼容、低损耗耦合及高带宽封装等问题。
在光系统核心器件方面，光放大器（Optical Amplifier，OA）和波长选择开关（Wavelength Selective Switch，WSS）最为关键。目前，商用OA以掺铒光纤放大器（Erbium-Doped Fiber Amplifier，EDFA）为主，支持C波段4 THz、4.8 THz甚至6 THz带宽。L波段的EDFA也在开发中，预计一两年内可突破5 THz甚至6 THz放大的技术瓶颈。但受限于铒纤在长波处的放大效率，L波段EDFA的噪声指数可能比C波段劣化0.5 dB以上，模块成本和尺寸也更大。凭借更宽的放大带宽，SOA和DRA或许在未来的光传输系统中得到更多的关注。例如，最近Nokia Bell Lab采用SOA在100 km光纤链路上实现了大于100 nm的多波段信号放大，单纤容量高达115 Tbit/s[28]。2020年，阿斯顿大学研究者采用2级DRA放大在70 km单模光纤上实现了从1475~1625 nm的连续放大，增益高达15 dB，最大噪声系数8 dB[29]。目前，学术上也在关注光参量放大器（Optical Parametric Amplifier，OPA），特别是相敏放大器（Phase Sensitive Amplifier，PSA），以期进一步减少线路光放的噪声，在实现高增益、低噪声放大的同时还能对信号进行处理，如相位噪声压缩、增强非线性容忍度、改善传输距离[30]。不过在频谱效率、功率效率和放大带宽方面距离实用化还有差距。
目前，商用WSS已经覆盖C波段6 THz，L波段5 THz范围，典型插损约6 dB，端口数量高达32。采用最新的高分辨率硅基液晶（Liquid Crysal on Silicon，LCoS）技术，WSS的频谱切片分辨率为6.25 GHz，预计工作频带扩展到L波段6 THz没有技术障碍。下一代WSS技术的重点技术方向是M×N型波长、方向和冲突无关（Color-less，Direction-less，Contention-less，CDC）WSS。目前，Lumentum公司已开发出8×24的Twin-WSS，预计这将推动CDC ROADM在400G传输系统中的商用落地[31]。
1.3 超400G标准研究进展国内外高速光传输技术标准化工作主要聚焦于物理接口及传输系统的关键参数规范[32]。ITU-T方面，自2018年SG15全会立项开展200G和400G标准化工作以来，目前业界在应用场景、调制码型等方面达成一定共识。对于200~500 km城域应用，单波400G选择确定了DP-16QAM码型。在2020年2月SG15全会上，主要讨论开展传输波段扩展、推进EVM计算脚本优化、进一步规范复用映射模式、城域应用距离应选择OFEC等议题并取得积极成果。在IEEE方面，从2020年2月开始，IEEE 802.3也在相干光通信领域开展面向80 km DWDM应用的100GE和400GE的标准化工作，分别在IEEE P802.3ct和IEEE P802.3cw中进行讨论，预计会在近一两年内完成相关规范制定。在OIF方面，2016年开始推进400G ZR标准制定，目标是实现低成本、可互通的400G速率80~120 km应用的相干光传输技术。2020年3月，400G ZR实施协议（IA）正式发布，确定单波400G的调制格式为16QAM，FEC方案选择C-FEC，支持C波段48波100 GHz间隔传输，OSNR容限优于26 dB。后续还将针对75 GHz间隔及支持更远传输距离（ZR+）应用场景进行相关参数规范，同时面向单波 800G速率，OIF也立项了96GBaud器件研究和单通道224G电接口标准化技术研究，开始讨论800 ZR/ZR+技术方案。多源协议组织Open ZR+MSA也发布第一版100G~400G标准和技术白皮书，在OIF帧结构的基础上增加100G/200G QPSK，300G 8QAM等调制模式，并采用O-FEC替代C-FEC支持450 km级400G传输，部分厂家宣布已实现异厂家模块互通测试。
国内通信标准化组织CCSA的TC6小组负责光传送和接入网相关系统及器件、线缆的标准化工作。目前，100G高速传输系统及模块标准已经制定并发布应用，200G速率主要选择了QPSK、8QAM、16QAM进行规范，相关系统技术要求、测试方法、模块的大部分标准已经完成制定并处于报批稿阶段。当前的400G技术规范主要是基于双载波来实现的，本质上仍是单波200G。考虑未来更长传输距离、单载波更高速率的应用需求，目前CCSA TC6正在开展“N×400 Gbit/s长距离增强型光波分复用（WDM）系统技术要求研究”“单波长超400 Gbit/s波分复用（WDM）技术研究”“800 Gbit/s光收发合一模块研究”等相关课题研究，以期为超400G长距传输商用落地扫除障碍。
2 波段扩展技术研究进展
波段扩展技术是继承DWDM思想进一步在传统C波段之外扩展可用传输带宽，提高共纤传输的波道数量来提升单纤传输容量。在传统C波段DWDM基础上，最近两年我国设备商和运营商主导了Super C波段（C6 T）的扩展，将C波段的带宽从4 THz/4.8 THz提升到6 THz，配合80波75 GHz间隔的200G QPSK方案落地。在美国和日本部分地区，少量运营商和互联网厂家也正在部署C+L波段系统，预期将单纤容量提升一倍。与国外C4.8T+L4.8T的方案不同，国内希望做到C6T+L6T，目前业界产业链的进展如表5所示。表5 C6T+L6T关键部件及核心技术具备情况
学术界当前也对波段扩展光传输系统保持浓厚的研究兴趣。国内方面的研究主要是针对C和L波段的大容量光传输研究，武汉邮科院在2014年基于3U光传输平台实现了单模光纤C+L波段100 Tbit/s 80 km大容量传输[33]。国外的关注点是向C+L以外的波段扩展。早在2016年，Acacia公司研发了370 nm全波段（O、E、S、C、L）工作的光收发硅光器件[34]；欧洲在2018年系统性地提出了多波段传统相关的概念和组网架构（见图6）[35]。NTT和Nokia Bell Lab均试验展示了至少3个波段（S+C+L）的光传输系统，单波速率高达400G，单纤容量大于100 Tbit/s[28]。文献[32]比较充分地梳理了该方面的研究进展，这些研究展示了波段扩展技术对于提升单纤总容量的巨大潜力。
波段扩展技术主要面临三大挑战：一是不同波段光纤损耗不同，对应不同的传输距离，O、E波段并不适用于长距传输系统；二是多波段传输系统存在强烈的受激拉曼散射（Stimulated Raman Scattering，SRS）效应，这将导致光功率从短波向长波转移，影响系统末端的功率和OSNR的平坦度，目前多波段的光功率优化方案的研究尚缺少实用化考虑[36]；三是光放大方案不成熟。对于掺稀土光纤放大器，除C和L波段掺铒（Er）放大器相对成熟外，O波段掺镨（Pr），E波段掺铋（Bi），S波段掺铥（Th）有源光纤的组分掺杂理论和制备技术并不成熟可靠。分布式拉曼放大（DRA）和宽带低噪声SOA虽被认为是解决多波段信号放大的重要技术手段[37]，但目前仍无法快速大规模商用。另外，扩展波段光传输还需考虑多个波段信号独立方向大和交换带来组网和运维的复杂性问题。
3 空分复用技术研究进展
为应对光纤容量危机，近年来业界掀起了探索SDM技术的浪潮，很多头部研究机构和企业竞相报道大容量SDM传输试验[33,38,39]。SDM主要依赖于多芯光纤、少模光纤以及两者相结合的多芯少模光纤来并行传输多路信号，其原理分别如图7所示，可极大地提升单纤的传输容量。目前，基于19芯或22芯光纤的传输容量已突破1 Pbit/s以上，基于10模光纤的最大传输容量可达400 Tbit/s，基于多芯少模结合的最大传输容量已达到10.66 Pbit/s，相比于常规单模光纤容量上限（100 Tbit/s）提升了2个数量级。在国内方面，2019年武汉邮科院在采用19芯光纤将单根光纤容量提升到1 Pbit/s以上。在2021年OFC上，长飞、北京大学与中国联通合作采用200G商用OTN设备在100 km弱耦合2模光纤上成功完成单纤C波段16 Tbit/s容量的实时演示[40]，充分展示了弱耦合光纤在短距传输方面的扩容优势。SDM系统中空间信道间的串扰及耦合是影响相干信号质量的关键因素，涂佳静等[39]针对不同SDM系统串扰、放大和DSP算法复杂度等方面作了详细对比。另外，从实用化、弯曲损耗及机械强度等角度考虑，SDM光纤包层尺寸设计与现有标准单模光纤（125 μm）保持一致时有利于加快商用推广，近两年的OFC会议上也报道了基于125 μm 3芯/4芯光纤，实现172 Tbit/s/319 Tbit/s大容量超长距（>2000 km）传输[41-42]。
在SDM技术实用化推进方面，2019年日本住友电工与拉奎拉大学合作在意大利拉奎拉市地下隧道首次铺设了含18根多芯光纤的光缆，长度6.29 km，现场测试证明了空分复用传输初步具备从试验室理想环境走向复杂的现场环境实时传输应用的条件。在2020年1月的ITU-T会议上同意开始SDM光纤光缆标准化研究，讨论焦点在于SDM的优势和目标应用场景，以及SDM光纤的分类，具体研究涵盖多芯光缆、光纤熔接、连接器、光缆铺设等相关技术，在2022年发布的研究报告中预计也会加入空分复用光纤参数规范和测试方法要求等相关内容。2021年日本已经发布了一版空分复用技术研究报告[43]。国内CCSA也已立项了P比特超大容量光传输相关的研究课题，运营商、高校及设备商也在参与建设粤港澳大湾区的“超级光网络”，开展多芯光纤传输示范验证工作，为空分复用技术落地进一步奠定基础。
与波段扩展技术相比，空分复用主要优势在于更多的空间信道数换来更大容量，而劣势在于需要重新铺设新光纤，开发新的光系统器件，甚至光模块oDSP芯片，管理更多空间信道和波长信道数量也增强了系统管控的复杂度，目前技术成熟度较低。而波段扩展技术相对成熟，特别是C+L系统，光纤基础设施资源可利旧，仅需部署波段合分波器和光放，在扩容的同时最大保护现有投资，因而波段扩展技术在短期内更有商用前景。由于单波速率提升、C+L波段扩展等方式在3~5年内仍可进一步释放扩容潜力，满足流量承载需求，因此SDM技术短期内仍不会有机会在长距传输中大规模商用。SDM技术广泛商用前的研究目标主要有3个：一是突破基础器件产业化瓶颈；二是推动业内标准化落地；三是在数据中心互联、海缆光传输等场景中推广SDM小规模应用。
4 400G C+L系统传输性能研究
鉴于C+L系统良好的商用前景，本文基于商用相干光模块和器件，搭建C+L大容量实时光传输系统，对波段扩展的长距400G传输性能展开研究（见图8）。在试验中，光系统（EDFA和WSS）均支持C6T或L5T带宽，但受限于400G OTU的波长调谐范围，C和L波段各放置40波，100 GHz间隔。其中，C和L波段各有39个ASE填充波和1个实时400G相干光模块（OTU），采用91.6 GBaud PS16QAM调制。光纤链路包含5个G652光纤跨段，每段75 km，损耗调整至约22 dB，C和L波段分别采用一个EDFA来补偿跨段损耗，在放大前后均有一个WDM合分波器，其典型插损约0.6 dB。在初始状态下，C和L波段每个EDFA输出功率为21.6 dBm，斜率均为出厂默认值。
由于长距400G在C波段的性能在之前的研究中已经报道[44]，91.6 GBaud PS16QAM的背靠背OSNR约为17 dB，本文主要验证C+L波段的功率均衡方案，分析均衡前后光功率演进，并研究L波段400G信号的传输代价。首先研究初始入纤条件下，每个跨段的输入和输出的单波功率演进情况，具体参见图9。经过光纤传输后功率平坦度下降，这主要是光纤中的SRS效应及OA增益不平坦导致。5个跨段传输后C波段的不平坦度约8.6 dB，功率随波长变化的斜率为-2.28 dB/THz；L波段不平坦度约3.7 dB，功率随波长变化的斜率为-0.93 dB/THz。可见C+L光系统必须要功率管理，否则5跨段传输后光功率平坦度不能满足系统应用需求。
针对传输后的功率不平坦度和功率变化斜率，对每段光纤前的EDFA进行功率预均衡，功率均衡策略是既要考虑传输后的平坦度，又要限制C波段的最高入纤功率，避免较大的非线性。在试验中，通过迭代调整每个光放的增益和斜率实现对传输后平坦度和斜率50%程度的补偿，并且在调整过程中保证C波段的EDFA为相同的斜率，L波段的EDFA为另一斜率。功率均衡后的C波段的OA增益斜率几乎是L波段的2倍，对应每跨段输入与输出功率演进情况如图10所示。
经过增益和斜率调整后，L波段的入纤功率比C波段平均小2 dB，这主要是获益于SRS效应。C+L系统5跨段传输后功率不平坦度和斜率分别为：C波段4.6 dB，斜率为-1.2 dB/THz；L波段为1.9 dB，斜率为-0.4 dB/THz，满足预期的功率均衡目标。均衡前系统最低的OSNR出现在C波段最短波，仅为24.3 dB；而功率均衡后系统的最差OSNR约为25.0 dB，出现在L波段的短波长处。功率均衡后C波段的OSNR整体提升了近2 dB，系统的OSNR瓶颈则仅改善了0.7 dB，这主要是受限于目前L波段光放的噪声指数（NF）现阶段差于C波段。L波段不同波长对应的每跨段入纤功率及对应的400G业务的传输代价如表6所示。从上述结果可以看出，经过功率均衡后，C+L系统中L波段的功率相比于初始功率水平约下降了2 dB，因而其整体上的非线性代价也较小，375 km光纤传输后400G PS-16QAM的非线性代价约0.2 dB。当然非线性代价较低也得益于该模块采用了多电子载波设计，增强了对非线性的容忍度。表6 功率均衡后L波段400G业务的传输性能
以上研究证明了C+L系统采取功率均衡策略的必要性。一方面，功率均衡可以改善收端的功率平坦度，并提升C波段短波长处的OSNR；另一方面，功率均衡后L波段在保证收端OSNR基本不受影响的前提下，其入纤功率可得到明显降低，可将非线性代价保持在较小的水平，这将为波段扩展光传输技术在长距高速系统应用提供有效的指导。
5 结束语
本文介绍了大容量光传输系统在单波超400G、波段扩展和空分复用技术的研究进展和业界情况，并展示了C+L系统的单波400G实时传输研究结果。目前，100G、200G是商用OTN干线传输的主流速率，单波400G已在城域网中部署，预计2~3年内单波400G在干线中也将迎来规模化部署。96GBaud PS16QAM 400G方案作为初级解决方案，在传输性能和成本上缺乏竞争力，预计在国内干线规模应用驱动力不足。128G Baud的大带宽光器件和oDSP芯片技术预计在1~2年内能逐步成熟，成本得到合理控制后将是长距400G的理想解决方案。伴随单纤80波的需求，基于C+L波段扩展的C6T+L6T方案预计也会结合400G OTN技术一同商用，实现单纤速率和容量双提升。但空分复用技术预计在未来5年内仍处于试验验证阶段，商用化部署动机不强，时机不明朗。在标准化方面，单波400G相关的高速光传输物理接口正在国内外有序推进，大部分已经完成，更高速率如800G也快速引发业界关注和讨论。未来需要根据实际需求，协同推动选择合理的单波速率、波段扩展方案，甚至空分复用光纤类型，为5G新基建甚至潜在的6G场景探索最合适的技术路线。
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Research progress of large-capacity optical transmission technologies and investigation on 400G C+L band system
FENG Zhenhua1, SHANG Wendong1, LU Yuan2, WANG Zhaohui1,SHI Hu1, CHEN Yong1
(1. ZTE Communication Co.,Ltd., Wuhan 430223, China; 2. Shandong Post and Telecommunications Planning and Design Institute Co.,Ltd., Jinan 250031, China)
Abstract: Firstly, three ways to improve the capacity of long-haul optical transmission system are analyzed, and then the research progress and standardization trends of the 3 technical hot-spots are introduced including long-haul 400G, multi-band transmission with wave-band extension and space division multiplexing (SDM). After that the application prospects of SDM and multi-band transmission technologies. Finally, a 400Gbit/s per wavelength real-time transmission experiment over C + L band is carried out to verify the improvement of channel power flatness and transmission penalty brought by optical channel power equalization technique. The research shows that compared with SDM, C + L band expansion is more practical for commercial deployment in the short term. For C + L band 400G transmission system, power equalization can improve the OSNR bottleneck of the system and reduce the nonlinear penalty of L band.Keywords: large-capacity transmission; 400G C+L; wave-band extension
本文刊于《信息通信技术与政策》2021年 第12期
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