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未来十年,光通信关键技术面临的九大挑战

工业软件在加速与ICT技术融合的同时,正朝着“云原生”的方向演进。

文/华为技术有限公司光产品线首席技术规划师 唐晓军
《华为技术》第89期
唐晓军

光通信作为信息时代的核心技术之一,其对国家经济发展的重要性不言而喻。

今年3月,在国家《十四五规划和2035年远景目标纲要》以及2021年《政府工作报告》中均明确提出要加快千兆光网建设。在之前的2020年初,欧洲电信标准协会(ETSI)正式定义了固网代际,发布了F5G全光网标准的第一个版本。

事实上,从1966年诺贝尔奖得主高锟先生把光纤带到世界的那天起,光纤便被赋予了1000年内难有替代品的美好未来,一代代光通信人在不断拥抱、挑战的过程中,让“光”造福于人们的生活。华为在光通信领域潜心持续耕耘25年以上,基于对光通信业务及技术的理解,提出了未来十年光通信领域可能遇到的九大关键技术挑战。

挑战1

Capacity:长途系统单纤容量能超过100T吗?

互联网数据业务的爆炸式增长是长途系统发展的主要推动力。在过去的二十年中,数据业务每年的增速超过25%,带动了长途系统的发展,其特征主要表现在以下几个方面:

首先是传输距离,长途网络传输距离至少在1200公里以上;

其次是频谱容量,主要使用C波段频谱,波长通道间隔为50GHz或25GHz的倍数关系;

最后是站间跨距,已达80公里左右。

面向未来的发展,可从如下两方面进行考量。

其一,是400G×80波相干光系统。业界从400G高性能光模块、C+L更宽的可使用频谱,如何实现稳态的宽谱光系统以抵消系统非线性效应影响,以及网络自动化运维等几个方面,进行了技术创新,旨在挑战达成400G规模化商用的目标。

其二,是单纤100T容量(1.2T×80波)。基于已铺设的G.65x光纤信道,需从以下三方面进行研究创新:频谱效率SE的挑战目标,从SE=2.67(对应400G@125GHz)提升到SE=4(对应1.2T@300GHz)左右;可利用频谱的挑战目标,拓宽150%,从Super C+L(10THz宽度),扩展到C+L+S+U/E波段(总宽度>24T);提高信噪比。

挑战2

Spectrum:C波段之外,可利用的新频谱空间有多大?

衡量光网络系统承载能力的关键在于光纤的传输容量。如何利用现有的光纤传输网络,实现单光纤传输速率的提升,已成为光纤通信领域研究的重要技术课题。

传输算法的发展使得工程能力越来越接近于理论极限,与此同时,新型高频器件制造工艺的难度也越来越大,这些因素均表明,单波提速技术将面临巨大挑战,基于此,开拓光纤传输系统新的可用频谱,将成为光网络行业实现传输容量扩展的创新方向。

拓展新波段光纤通信系统最关键的技术基础在于开发能够满足新光谱应用的光纤放大器。目前,基于C和L波段的光放大技术研究已经有了长足的进展,但基于S波段(1460~1530nm)的光放大技术还处于探索阶段,如稀土元素(铥、铋)掺杂的增益光纤,以及半导体激光器(SOA)等关键技术均对S波段光信号的放大和传输具有重要意义。

挑战3

NG Fiber: G.652之后,下一代主流光纤是什么?

当前业界用于WDM系统传输的光纤主要为G.652、G.655、G.653、G.654等单模光纤。这些光纤产品各有不足,具体体现在:

G.652光纤,损耗及非线性是相干传输重要的制约因素;G.655光纤,相干时代由于光纤小色散及小有效截面积导致的非线性效应强,导致其传输距离仅为G.652的60% ;G.653光纤,四波混频造成DWDM系统波道间的非线性干扰十分严重,导致入纤功率低,不利于2.5G以上多信道WDM的传输;G.654光纤,高阶模的多光路干扰(MPI)对系统传输会产生较大影响,同时其也无法满足未来传输向S、E、O波段扩展的要求。

为了匹配距离不变、容量不断翻倍的要求,并满足波分产业发展的光摩尔规律,我们认为下一代光纤需具备以下特点:

第一是高性能,本征损耗小(<0.14 dB/km),抗非线性效应能力强;第二是大容量,覆盖全量或更宽的可用频谱(如C/L/S/E/O等波段);第三是低成本,可工程化,包括:易制造,成本应与G.652光纤相当或接近,易部署及易维护(布纤、熔接)。

未来的技术研究方向应包括但不限于空芯光纤、SDM光纤等。

挑战4

Algorithm:光信道算法能够突破非线性难题吗?

在WDM传输系统中,由于光纤的有效面积<80μm2,因此即使较小的入射光信号功率也会在光纤中产生光信号与物理信道之间,以及不同信号通道之间的失真等非线性效应。从原理上主要分为:受激散射效应(SBS受激布里渊散射、SRS受激拉曼散射),及光学克尔效应(SPS自相位调制、XPS交叉相位调制、FWM四波混频)等。

目前,光传输系统正向单光纤400G×80波以及更高容量演进。一方面,随着传输速率及器件带宽的提升,信号对非线性失真更加敏感;另一方面,光系统正在占用更宽的频谱(如,C+L),其意味着入纤总光功率相较C波段光系统更大,由此带来的信号非线性失真效应也将更强。因此,非线性信道的补偿算法,将是影响下一代光传输系统容量进一步提升的关键因素。

非线性信道补偿算法的研究方向,除了追求补偿的效果之外,在工程实现中,还需考虑算法实现的复杂度问题,以便以较小的芯片资源/功耗代价达成目标。

目前,克服光信道非线性信号失真的方法,主要包括接近实际信道的非线性理论模型,及准确且简洁的非线性补偿算法,其也是未来进一步提升光纤容量需重点研究的技术方向。

挑战5

Network:超大规模网络规划能够找到最优解吗?

随着光纤宽带网络逐步被广泛应用于家庭接入、企业运营、政务服务、交通管理等各个领域,光网络节点的数量将呈现爆炸式增长,超大规模光网络的时代即将到来。

光网络规划的典型问题被称为路由与波长分配(RWA)问题,其中,RWA问题已被证明是NP难问题(其子问题WA可等价为图染色问题),随着网络规模的不断增大,求取其最优解的难度也会呈指数级上升。新兴数据业务应用的不断增长导致网络规模不断增大,使如今网络的规划问题早已脱离了原始的RWA问题,变得更加复杂化与多元化,如,根据不同的故障场景,需规划一条或多条保护路由,考虑不同层次大小管道之间的映射关系、中继最小化、网络扩容拓扑最优化等一系列新的网络规划问题。在即将到来的超大规模网络中,节点数量将达到千级,业务数量将达到万级,规划这样一张超大规模的光网络,无疑将面临更加艰巨的挑战。

挑战6

OXC:能否实现超低损128维+波长的交换?

数据流量的爆发式增长,对传输网络骨干节点的处理容量及调度能力形成了巨大的挑战。WSS(Wavelength Select Switch)波长选择光开关,具有大颗粒业务调度能力及天然超低时延等优势,不仅是ROADM/OXC的核心功能模块,也是光网络未来应对流量洪流与超低时延诉求的最佳选择。

随着网络带宽需求持续增长、网络时延提出更高要求及网络业务更加灵活调度等需求的驱动,WSS模块向更高端口、更快速调度、更高性能技术方向演进的趋势日趋明显。

首先是端口数量。网络的MESH化,要求线路具备更高维度的调度能力,期望通过材料的突破(如大角度偏转LCoS≧11Deg)来实现下一代的128D+WSS。

其次是超高光学性能。希望通过设计、材料技术的突破来实现面向未来的高性能WSS解决方案(光学性能IL≦3dB,隔离度≧35dB,频偏+/0.5GHz,PDL≦0.3dB, 更宽频谱支持)。

最后是超低时延。期望可以通过设计、材料及算法的突破来实现us级WSS切换速率。

如何获得满足下一代传的输高性能、高维度、高可靠WSS解决方案?我们认为,研究方向应包括但不限于以下几个方面:更简洁的光路设计、材料突破(如超低损透镜、光栅、超大超快偏转角度LCOS、超表面材料)及算法(补偿算法、控制算法)等。

挑战7

FTTx:光接入能否打破TDM机制,实现新型P2MP技术?

随着新业务(AR/VR/全息)和新应用(工业制造、无线承载)场景的兴起,除了带宽的持续演进外(10G->50G->200G), 也对光网的时延、抖动、安全隔离等提出了更高的要求。

其中, PON技术的演进要同时考虑两个约束:基于已部署的ODN演进;代际技术的单bit能耗及成本要持续降低,至少要实现2倍的优化。

因此,其面临的挑战主要表现在以下几个方面:

其一是,发射机的发送光功率超出了当前的技术能力。基于现网部署的ODN网络情况(多级分光, 20km),一般要求ODN的功率预算>32dB,要求200G的发射功率为17+13=30dB左右,而目前发射机的发送光功率要求已超出了当前的技术能力(见图1)。

工业软件,工业互联网

图1 接收机灵敏度与带宽的关系(源自ITU-R  SM.575-2建议书)

当前可考虑的两条突破路径为:高带宽、高功率的低啁啾发射机;新型调制解调技术。在这方面,显然还有更多的路径有待探索。

其二是,现有PON架构无法满足业务发展的需求。为了满足网络的超低确定性时延、抖动、硬隔离等要求,在前述的目标场景下, 传统的TDM PON机制由于上行多ONT成帧的需要,使得DBA算法调度时延以及不同ONT帧突发对齐的带宽开销(时延/抖动越低,带宽开销越大。鉴于此,新架构需要配套新的光系统/器件/光算法、调制解调机制等,以实现协同突破。

挑战8

Satellite ON: 能否构建高动态、大带宽、大规模的光网络?

网络联接是互联网的通信基础,卫星互联网也不例外。由于激光具有发散角小、传输容量大、传输距离远、抗干扰/截获等优点,因此,星间链路的主流技术方案也采用了激光作为通信载体。然而,要构建适用于大规模低轨卫星组网的未来商业物联网卫星星座的星间光通信系统,还需突破诸多技术难题。

其一,星间光通信的速率能否突破100Gbps,甚至达到400Gbps? 

其二,光通信载荷如何实现工业器件应用,以降低建造成本? 

其三,卫星互联网的规模庞大,如何实现光通信载荷的规模化生产以满足需求?

其四,光通信载荷如何实现低功耗、轻量化演进? 

其五,如何有效实现千/万级卫星星座的网络管控和安全性保障? 

挑战9

OE Integration:能否实现超高集成度的一体化光电模块?

目前的DWDM光模块绝大部分为一个模块输出一个波长,承载一路信号(极少数厂家设计了一个模块输出两个波长的产品,可承载两路信号),每路波长都需要有独立的激光器、调制器及控制电路、DSP,以及光模块的时钟、电源、中控等。由于多波长的合波在模块外实现,需要额外的槽位以放置合分波板卡,因此,占据的机房空间较大,随着网络流量的增加,未来会逐步实现L、S、U等波段的商用,无疑将占据更大的机房空间。

鉴于此,我们认为,未来的光模块需能做到单个光模块即可实现多波长的输出,甚至可将C+L+S+U+…全波段的上百路波长集成到同一个光模块,在模块内部实现合分波,及一纤一模块,一槽位一模块。这样的组件模式必然会带来巨大的技术挑战,我们认为,要解决上述问题,有几个需要重点研究的技术方向:光频梳技术、异质集成技术、光电合封技术及散热技术等。

综上所述,要实现光通信关键技术的突破,我们不仅要深入思考,更需付诸行动,希望我们能够与光通信行业的上下游产业链协同并进,携手全球光通信领域的顶尖专家、学者,共同攻克光系统、光器件、光算法、光智能领域的技术难题,在促进光通信行业繁荣发展的同时,让光普惠千行百业,通过光联万物,为人类社会的进步作出应有的贡献。