400G光传输核心技术与产业发展进展
当前电信公司互联网面临着互联网转型、频宽提高等各方面的挑战，因此，提高光传输控制系统单波速度与传输相距、提高宽带通信控制系统频宽利用率，以满足不断增长的互联网流量需求，成为电信公司和设备商共同的追求。
现阶段业界在三大维度上协同提高，加速骨干顾作霖向80×400G社会关系演变。
第一，速度提高。骨干网从10G向100G再向200G演变，相距基本不变，耗电量持续倍增。当下在路由器端口提速的背景下已进入400G端口时代，且国内外电信公司均展开测试检验，2023年将迎来骨干400G OTN的应用领域。
第二，耗电量提高。骨干顾作霖提速到200G时占75GHz谱宽，当发展到400G QPSK（正交相移键控）时将占150GHz谱宽，400G相比200G的频带工作效率并未提高，打破了原来10G到100G频带不变而耗电量提高10倍的规律;受香农极限影响，提高整体宽带传输耗电量需要开辟新的路径，当前最切实的计划是C+L频段频带拓展，主要包括：C6T & L5T 11THz频带拓展计划，已完成蜜运测试;以及C6T& L6T 12THz频带拓展计划，现阶段已具备实验室测试能力，即将完成蜜运测试，并持续进行控制系统操控性优化。在80×800G控制系统中，将进一步考虑频带拓展到S+C+L+U段波。同时随着骨干网速度提高，需要多芯宽带、少模宽带、空芯宽带等新型宽带核心技术配合使用以保证干线传输相距。
第三，效益提高。400G/800G时代使用新型DSP核心技术，支持多种波特率和调制模式切换，以软件定义方式同时实现相同相距下相同耗电量的最佳适配，最大化耗电量相距积和频带工作效率。
单波超400G核心技术检测法
针对TNUMBERG16、干线等相同应用领域场景，400G传输控制系统使用相同核心技术，可以同时实现传输操控性、频带工作效率和成本的平衡，表1中列举了主要单波速度控制系统的特征与能力。100G与超100G核心技术有比较明显的社会关系特征，在工程应用领域中，一般下一代速度短距组件和上一代速度远距组件共供应链，从而同时实现供应链归一。
表1 相同单波速度控制系统的特征与能力
如图1所示，200G PM-16QAM与100G PM-QPSK共32G波特率供应链，400G PM-16QAM与200G PM-QPSK共64G波特率供应链，400G PM-QPSK与未来800G PM-16QAM共128G波特率供应链。
图1 远距短距供应链归一化示意
当前200G QPSK已广泛民用，共64G波特率供应链的400G 16QAM可以满足TNUMBERG16传输需求。400G传输核心技术现阶段是96G波特率的概率整形(Probabilistic Shaping,PS) 16QAM，最终演变到128G波特率的QPSK计划。400G QPSK背靠背OSNR操控性相比400G PS 16QAM约改进1dB，同时入纤输出功率提高1dB以上，可覆盖各种干线远距传输场景，并与未来的800G 16QAM共供应链。
从晶片层面来看，相干oDSP核心技术已经历了多个社会关系演变，相同社会关系的差异主要体现在单波最高速度、调制码型以及尺寸和功耗等各方面。现阶段，400G 16QAM的oDSP晶片使用7nm制造工艺，功耗约8W，支持64G波特率。针对下一代远距400G应用领域，头部oDSP厂家已发布单波1.2T产品路标甚至组件样本，最高支持140G波特率，使用5nm晶片制程。
从oDSP演算法各方面来看，天蝎座整形以及高操控性FEC编解码演算法较为关键。天蝎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2（a）、图2（b）所示。GS和PS分别通过改变天蝎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更好的操控性。
图2 天蝎座整形示意
高操控性纠错代码（FEC）核心技术通过使用级联代码和软判决、多次迭代译码相结合的方式，可获取更高的净代码阻抗。
高操控性光电元件是同时实现电信号到光信号高保真转换的基础。面对远距400G光传输应用领域，控制系统的波特率大于100Gbd，光元件的频宽需要50GHz以上。现阶段，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、大频宽光收发元件研究，推出了部分准民用样本。
先进的元件PCB核心技术也是优化光电晶片频宽的重要手段。现阶段，硅光晶片通过集成Driver的Peaking功能和2.5D/3DPCB工艺的优化，可将调制器的3dB频宽从30GHz提高到80GHz以上。这对于超400G高阶调制信号而言，可带来2dB以上的背靠背OSNR容限改善，该核心技术日趋成熟进一步加速了128 Gbd远距400G控制系统的民用进程。
在光控制系统核心元件各方面，光放大器（Optical Amplifier,OA）和波长选择开关（Wavelength Selective Switch,WSS）最为关键。现阶段，民用OA以掺铒宽带放大器（Erbium-Doped Fiber Amplifier,EDFA）为主，支持C频段4THz、4.8THz甚至6THz频宽。L频段的EDFA也在开发中，L频段5THzEDFA样本已经通过蜜运测试检验，L频段6THz放大的核心技术瓶颈已经突破，样本单机操控性符合预期，正在进行控制系统级操控性检验和优化。但受限于掺铒宽带在长波处的放大工作效率，拓展L频段EDFA的噪声指数可能比拓展C频段劣化1dB以上，组件成本和尺寸也相应增加。
现阶段，民用WSS已经覆盖C频段6THz，典型插损约6dB，端口数高达32。使用最新的高分辨率硅基液晶（Liquid Crysal on Silicon,LCoS）核心技术，WSS的频带切片分辨率为6.25GHz，多个厂商已经将工作频带拓展到L频段6THz。
在国际标准进展各方面，国际电信联盟第15研究组（ITU-T SG15）开展了200G以及400G接口的物理层规范研究，将PM-16QAM作为400GTNUMBERG16应用领域的国际标准码型，推动了开放前向纠错代码（oFEC）的国际标准化进程。此外，业内多个多源协议组织（MSA）也相继发布了超100G的核心技术国际标准。例如，OpenROADM/OpenZR+发布的100～400G相干光组件规范，支持CFP2-DCO和QSFP-DD/OSFPPCB，在400ZR帧结构的基础上增加100/200G QPSK、300G 8QAM等调制模式，并使用oFEC替代级联FEC（cFEC）的方式来支持450km级的400G传输。中国通信国际标准化协会（CCSA）的相关国际标准制定工作包括：100G及以下速度的光传输和组件国际标准制定已完成，200G报批稿主要选择200G QPSK、8QAM、16QAM码型，400GTNUMBERG16国际标准实质上使用的是单波200G双载波计划，N×400G长相距增强型光波分复用（WDM）控制系统核心技术要求研究等面向更高速度应用领域的国际标准课题已经完成，明确指出QPSK是同时实现单波400Gb/s远距/超远距理想解决计划。
频段拓展核心技术检测法
频段拓展核心技术是继承DWDM思想，在传统C频段之外进一步拓展可用传输频宽，通过提高共纤传输的波道数量来提高单纤传输耗电量。在传统C频段DWDM基础上，最近两年我国电信公司和设备商主导了Super C频段（C6T）的拓展，将C频段的频宽从4THz/4.8THz提高到6THz，配合80波75GHz间隔的200G QPSK计划落地。实际上，单模宽带的低损耗窗口不仅包含C频段，还包括O、E、S、L、U等频段。近年来，美国也有少数电信公司和互联网厂商在DCI和海缆传输中部署了C+L控制系统，可将宽带耗电量提高一倍。随着单模宽带在耗电量上逼近100Tbit/s香农极限，频段拓展核心技术成为学术和行业研究的热点。现阶段国内电信公司和设备商正在积极推动C6T向C6T&L6方向升级，以期提供单纤80波400G QPSK远距传输能力。多频段光传输控制系统基本架构如图3所示。
图3 多频段光传输控制系统基本架构
现阶段C+L相关供应链的发展情况如表2所示。可以看出，随着核心技术难点的攻克，C+L拓展频段光元件供应链的发展进度符合预期，新一代C6T+L6T的12THz宽频光层配合单波400G QPSK光控制系统有望在1年内迎来民用部署。
表2 C6T&L6T控制系统关键组件供应链进展
宽带中SRS效应转移随着频段频宽拓展、入纤输出功率变大而显著增强，具有跨段累积效应;C+L控制系统不仅需要精细的光输出功率管理策略，在开局时同时实现阻抗及斜率的有效控制，补偿SRS引起的输出功率不平缓;还需要使用充填波配置，使控制系统时刻保持满配状态，降低业务动态增减对已有业务的影响。借鉴海缆控制系统的经验，在新增或删除波道时，只需用业务信号与充填波进行“真假替换”即可，业务开通调测方便快捷。
在未进行输出功率调节前，由于C+L控制系统中存在强烈的SRS输出功率转移，控制系统末端单波输出功率平缓度劣化严重，无法满足控制系统应用领域需求。使用C+L输出功率预均衡策略对EDFA的阻抗和阻抗斜率进行调整后，控制系统的输出功率平缓度、OSNR平缓度、最小OSNR均显著提高，自动输出功率调节演算法和充填波配置已经在蜜运测试中得到充分检验，为后续民用部署奠定基础。
单波400G控制系统检测法
早在2018年，中国移动就联合设备商使用单载波400G 16QAM在蜜运开展测试工作，并同时实现最远600km传输相距。2021年10月，中国移动联合华为、中兴、烽火等设备商，在蜜运完成全球首个GT630M谱单波400G大耗电量光传输检验，同时实现超过1000km的传输相距。2022年7月，中国移动携手中兴通讯在实验室模拟蜜运宽带长度、损耗和维护余量，基于蜜运要求进行400G QPSK传输检验，同时实现49跨段无电中继3038km的传输相距。基于实验室测试结果，2023年1月，中国移动开展400G QPSK蜜运测试，横跨浙江、江西、湖南、贵州四个省，涉及45个光放段，同时实现5616km超长相距陆地实时蜜运传输，创造了400G QPSK无电中继蜜运传输相距新纪录，并首次检验了频带拓展至C6T+L6T的12THz传输操控性。
面向算力互联网及“东数西算”布局，需推进400G关键核心技术研究与发展，同时实现调制、频带、基础设施全面核心技术革新。未来，中国移动将与业界伙伴一起，在400G QPSK蜜运长相距传输、C6T+L6TGT630M谱频段拓展、光电联动全光组网核心技术等各方面保持深入合作，推动超高速度、超长相距、超大耗电量、GT630M频带等关键核心技术研究和突破，助力OTN互联网向大频宽、低时延、高效灵活、安全可靠方向演变，同时实现算力互联网全光高速互联和全光灵活调度。在此基础上，持续推动新一代光通信核心技术演变，筑牢算力互联网全光底座，为数字经济发展贡献力量。