大容量、智能化光傳輸系統(tǒng)：機(jī)遇、挑戰(zhàn)與應(yīng)對(duì)策略

馮振華 方瑜 施鵠

摘要：分析了長(zhǎng)距大容量、智能化光傳輸系統(tǒng)的五大關(guān)鍵技術(shù)：?jiǎn)尾ǔ?00 Gbit/s 、波段擴(kuò)展、空分復(fù)用（SDM）、光層操作維護(hù)管理（OAM）和備用路徑性能檢測(cè)技術(shù)，并從學(xué)術(shù)研究、業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)化動(dòng)態(tài)等方面介紹了這些技術(shù)的進(jìn)展。針對(duì)光傳輸系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)，從硬件、軟件兩個(gè)層面討論了光通信的發(fā)展機(jī)遇和面臨的挑戰(zhàn)。基于中興通訊光網(wǎng)絡(luò)智能化平臺(tái)框架，并結(jié)合中興通訊在大容量、高速相干光通信方面的研究與產(chǎn)品開(kāi)發(fā)工作實(shí)際，介紹了4 個(gè)典型案例：靈活調(diào)制與光域均衡相結(jié)合來(lái)有效減少濾波代價(jià)、? C+L 波段擴(kuò)展助力單波400 Gbit/s 長(zhǎng)距傳輸、高頻光標(biāo)簽實(shí)現(xiàn)在線光性能監(jiān)測(cè)、光探針和全局功率分析算法（GPA）確保備用路徑快速可靠恢復(fù)。基于這些技術(shù)的產(chǎn)品化，中興通訊將持續(xù)為客戶創(chuàng)造價(jià)值，為用戶提供更好的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)體驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：大容量傳輸;擴(kuò)展波段;光傳輸質(zhì)量（QoT）;光域均衡;快速可靠恢復(fù);光標(biāo)簽

Abstract： Five key technologies of long-distance， high-capacity， and intelligent optical transmission systems are analyzed including ultra- high-speed transmission beyond 400 Gbit/s per wave， waveband expansion， space division multiplexing （SDM）， optical layer operation and maintenance management （OAM）， and performance monitoring for idle paths . The progress of these technologies is also introduced from the aspects of academic research and industry standardization dynamics . According to the technology trends of the optical transmission sys?tems， the development opportunities and challenges in terms of hardware and software are discussed . Based on the intelligent platform framework of ZTE Corporation and related research and development experience in the optical networks ， four typical cases are presented in?cluding filtering penalty reduction enabled by flexible modulation and optical domain equalization， single wave 400 Gbit/s long-distance trans? mission together with C + L-band expansion， online optical performance monitoring realized by high-frequency optical label， fast and reli? able optical restoration aided by the optical probe and global power analysis algorithm （GPA）. With such kinds of novel techniques leading in， ZTE will continue to provide customers with improved value and better network experience .

Keywords： large-capacity transmission; waveband expansion; quality of optical transmission; optical domain equalization; fast and reliable op? tical restoration; optical label

5G商用能夠提升網(wǎng)絡(luò)帶寬，改善用戶體驗(yàn)，并促進(jìn)新型帶寬密集型業(yè)務(wù)和應(yīng)用的發(fā)展。隨著“6G”“元宇宙”等概念的提出，擴(kuò)展現(xiàn)實(shí)（XR）、全息通信、智慧交互等沉浸式體驗(yàn)應(yīng)用，將進(jìn)一步提升網(wǎng)絡(luò)對(duì)帶寬、時(shí)延和可靠性的要求[1]。據(jù)預(yù)測(cè)， 2030年人類將進(jìn)入堯字節(jié)級(jí)別的數(shù)據(jù)量時(shí)代，網(wǎng)絡(luò)通信需要處理2 000億個(gè)連接，接入帶寬需求高達(dá)太比特每秒，單纖容量突破100 Tbit/s[2]。毫無(wú)疑問(wèn)，光通信網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施將在帶寬擴(kuò)容和智能化運(yùn)維方面面臨巨大壓力。

目前波分復(fù)用網(wǎng)絡(luò)商用系統(tǒng)最高單波速率為800 Gbit/s。隨著波特率提升到200 Gbd以上[3]，單波速率預(yù)計(jì)可以達(dá)到1.6 Tbit/s[4]。商用系統(tǒng)單纖最大容量為48 Tbit/s 。波段擴(kuò)展技術(shù)的引入可使相關(guān)容量成倍增加，如 S+C+L 系統(tǒng)最高容量可達(dá) 150 Tbit/s[5]。大量研究證明，以多芯、少模光纖為代表的空分復(fù)用（SDM）技術(shù)將是實(shí)現(xiàn)下一代超大容量光傳輸?shù)闹匾夹g(shù)手段。目前采用38芯 3模光纖最大單纖容量已高達(dá)10.66 Pbit/s[6]。波段擴(kuò)展和 SDM 技術(shù)的擴(kuò)容效率和潛力都十分可觀，但在實(shí)現(xiàn)商業(yè)化方面還需要應(yīng)對(duì)一系列挑戰(zhàn)，如新器件和新算法的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

光傳輸系統(tǒng)靈活組網(wǎng)和智能化運(yùn)維能力的提升也是業(yè)界近期關(guān)注的焦點(diǎn)。以數(shù)據(jù)中心為核心的云化網(wǎng)絡(luò)將向全光化和 Mesh 化發(fā)展[7]。全光可重構(gòu)光分插復(fù)用器（ROADM）骨干網(wǎng)絡(luò)支持大顆粒業(yè)務(wù)波長(zhǎng)級(jí)靈活調(diào)度，使光層一跳直達(dá)，無(wú)需電中繼，有助于降低時(shí)延和成本。在工作路徑和恢復(fù)路徑上，業(yè)務(wù)性能和鏈路狀態(tài)的高精度檢測(cè)與實(shí)時(shí)化感知是光網(wǎng)智能化的基礎(chǔ)。這對(duì)實(shí)現(xiàn)端到端大容量、低延時(shí)、高可靠傳輸而言具有的重要意義。如果要實(shí)現(xiàn)快速業(yè)務(wù)開(kāi)通和故障定位的智能化運(yùn)維，為在線業(yè)務(wù)提供低成本的單波功率和帶內(nèi)光信噪比（OSNR）檢測(cè)功能就必不可少;而要實(shí)現(xiàn)低延時(shí)、高可靠的業(yè)務(wù)恢復(fù)，提前考慮鏈路光參預(yù)調(diào)和光損傷驗(yàn)證將至關(guān)重要。

本文將介紹大容量、智能化光傳輸系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)及其研究進(jìn)展、產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀，分析光網(wǎng)絡(luò)升級(jí)轉(zhuǎn)型時(shí)在單波速率提升、光纖擴(kuò)容、恢復(fù)時(shí)延降低等方面面臨的機(jī)遇與挑戰(zhàn)，結(jié)合中興通訊在大容量、智能化光傳輸相關(guān)的研發(fā)實(shí)踐，展示針對(duì)挑戰(zhàn)的應(yīng)對(duì)舉措及取得的成效，最后總結(jié)未來(lái)光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。

1大容量、智能化光傳輸關(guān)鍵技術(shù)

1.1單波超400 Gbit/s 技術(shù)

在保證傳輸距離幾乎不變、單比特成本有所下降的前提

下，提升單波速率是運(yùn)營(yíng)商不變的訴求。表 1總結(jié)了不同單波速率商用系統(tǒng)的特征和傳輸能力。當(dāng)前100、200 Gbit/s 系統(tǒng)具備長(zhǎng)距骨干網(wǎng)應(yīng)用的傳輸能力。而現(xiàn)有400 Gbit/s 技術(shù)由于傳輸性能不足，無(wú)法滿足1 000 km 以上長(zhǎng)距傳輸?shù)膽?yīng)用需求。 128+Gbd 四相相移鍵控（QPSK）被認(rèn)為是骨干網(wǎng)升級(jí)擴(kuò)容的最佳方案。受限于當(dāng)前高波特率相干光 DSP （oDSP）芯片、大帶寬光器件的商用進(jìn)展，目前尚無(wú)相關(guān)成熟產(chǎn)品。5 nm 工藝制程的高性能oDSP芯片的采用和3D 封裝的高集成度光器件的成熟，將加快400 Gbit/s QPSK 長(zhǎng)距傳輸解決方案的商用進(jìn)程（預(yù)計(jì)在2022～2023年）。

在標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)展方面[8]，光互聯(lián)網(wǎng)論壇（OIF）已發(fā)布400ZR 實(shí)施協(xié)議（IA），采用 DP-16QAM+C-FEC （一種調(diào)制編碼方式），實(shí)現(xiàn)了異廠家模塊和設(shè)備的互操作測(cè)試，近期還啟動(dòng)了相干800 Gbit/s LR/ZR/ZR+ （指10 km、 80 km 及80～450 km 的光互連）和共封裝光學(xué)（CPO）標(biāo)準(zhǔn)化研究工作。在 400ZR 標(biāo)準(zhǔn)框架下，電氣與電子工程師協(xié)會(huì)（IEEE）立項(xiàng)了802.3 ct/cw，分別討論面向80 km 密集波分復(fù)用（DWDM） 100 GE/400 GE 標(biāo)準(zhǔn)化工作。相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)將在未來(lái) 1～2年內(nèi)發(fā)布。目前來(lái)看， 800 GE/1.6 TE 很有可能成為下一代以太網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)速率。國(guó)際電信聯(lián)盟第15研究組（ITU-T SG15）開(kāi)展了200 Gbit/s/400 Gbit/s 接口的物理層規(guī)范研究，將 DP-16QAM 作為400 Gbit/s 城域應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)碼型，推動(dòng)了開(kāi)放前向糾錯(cuò)編碼（oFEC）的標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程。此外，多個(gè)多源協(xié)議組織（MSA）相繼發(fā)布了超100 Gbit/s 的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。例如，OpenROADM/OpenZR+發(fā)布的100～400 Gbit/s 相干光模塊規(guī)范支持 CFP2-DCO 和 QSFP-DD/OSFP 封裝，在400ZR 幀結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上增加100/200 Gbit/s QPSK、 300 Gbit/s 8QAM 等調(diào)制模式，并采用oFEC替代級(jí)聯(lián) FEC （cFEC）的方式來(lái)支持450 km 級(jí)的400 Gbit/s 傳輸。目前，異廠家已宣布實(shí)現(xiàn)模塊互通測(cè)試。中國(guó)通信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)（CCSA）的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)制訂工作包括： 100 Gbit/s 及以下速率的光傳輸和模塊標(biāo)準(zhǔn)制訂已完成， 200 Gbit/s 報(bào)批稿主要選擇200 Gbit/s QPSK、 8QAM、 16QAM 碼型， 400 Gbit/s 城域標(biāo)準(zhǔn)實(shí)質(zhì)上采用的是單波200 Gbit/s 雙載波方案?！禢 ×400 Gbit/s 長(zhǎng)距離增強(qiáng)型光波分復(fù)用（WDM）系統(tǒng)技術(shù)要求研究》等面向更高速率應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)課題研究正在開(kāi)展。

1.2波段擴(kuò)展技術(shù)

自 DWDM 技術(shù)商用以來(lái)，長(zhǎng)距系統(tǒng)不斷擴(kuò)展光纖傳輸頻帶：從早期 C 波段（C4T）擴(kuò)展到 CE 波段（C4.8T），再到 C++波段（C6T）。 80波 75 GHz 間隔的200 Gbit/s QPSK 或120波 50 GHz 間隔200 Gbit/s 8QAM/PS16QAM 方案的商用落地將單纖容量提升50%。實(shí)際上，單模光纖的低損耗窗口不僅包含 C 波段，還包括 O、E、S、L、U 等波段。其中， L 波段在日本運(yùn)營(yíng)商中有少量部署。? L 波段的部署可避免 G653色散位移光纖四波混頻的影響。近年來(lái)，美國(guó)也有少量運(yùn)營(yíng)商和互聯(lián)網(wǎng)廠商在 DCI 和海纜傳輸中部署了 C+L 系統(tǒng)，可將光纖容量提升一倍。隨著單模光纖在容量上逼近100 Tbit/s 香農(nóng)極限，波段擴(kuò)展技術(shù)成為學(xué)術(shù)和行業(yè)研究熱點(diǎn)。例如，武漢郵電科學(xué)研究院在2014年基于3U 超大容量、超高速率、超長(zhǎng)距離光傳輸平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了單模光纖 C+L 波段共375波的100 Tbit/s 80 km 大容量傳輸[9]。早在2016年， Acacia 公司就展示了370 nm 寬帶全波段（O、 E、 S、 C、 L）的可調(diào)光收發(fā)硅光器件[10]。2018年歐洲科學(xué)家系統(tǒng)性地提出了多波段傳輸?shù)母拍詈拖嚓P(guān)組網(wǎng)架構(gòu)[11]。? Nokia Bell Labs 和 NTT 分別實(shí)驗(yàn)了在 S+C+L 波段，距離為100 km、容量為115 Tbit/s 以及距離為40 km、容量為150 Tbit/s 的光傳輸系統(tǒng)，該波段支持的

單波速率高達(dá)400 Gbit/s[5-12]。這些研究表明，波段擴(kuò)展對(duì)提升單纖容量具有重要意義。

在波段擴(kuò)展技術(shù)商用方面，中國(guó)運(yùn)營(yíng)商和設(shè)備商正在積極推動(dòng) C6T 向 C6T&L6T 方向升級(jí)，使網(wǎng)絡(luò)能夠提供單纖80波400 Gbit/s QPSK 長(zhǎng)距傳輸能力。目前 C+L 相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展情況如表2 所示[8]?？梢钥闯?，供應(yīng)鏈的發(fā)展進(jìn)度符合預(yù)期。隨著單波400 Gbit/s 長(zhǎng)距光模塊技術(shù)日趨成熟，擴(kuò)展的 C+L 波段光系統(tǒng)有望在未來(lái)2～3年內(nèi)實(shí)現(xiàn)商用。

1.3 SDM 技術(shù)

SDM 需要基于新型空分復(fù)用光纖，主要包括多芯光纖、少模光纖，以及兩者相結(jié)合的多芯少模光纖，相關(guān)原理如圖1 所示。業(yè)界報(bào)道了大量基于 SDM 技術(shù)的大容量傳輸實(shí)驗(yàn)，如基于19芯或22芯光纖的1+ Pbit/s 傳輸[13]、基于15模的0.61 Pbit/s 傳輸[14]，以及基于38芯 3模的10.66 Pbit/s 傳輸[9]。相比于普通單模光纖， SDM 技術(shù)將容量提升2 個(gè)數(shù)量級(jí)。中國(guó)運(yùn)營(yíng)商對(duì) SDM 技術(shù)開(kāi)展了一些研究。中國(guó)聯(lián)通聯(lián)合長(zhǎng)飛光纖光纜股份有限公司、北京大學(xué)采用200 Gbit/s 商用光傳送網(wǎng)（OTN）設(shè)備在100km 弱耦合2 模光纖上成功完成單纖 C 波段16 Tbit/s 容量的實(shí)時(shí)演示[15]，充分展示了弱耦合光纖在短距傳輸方面的擴(kuò)容優(yōu)勢(shì)。中國(guó)移動(dòng)牽頭基于弱耦合少模光纖傳輸技術(shù)攻關(guān)，實(shí)現(xiàn)了總長(zhǎng)度為300 km 的3 模式×4波長(zhǎng)×200 Gbit/s 的實(shí)時(shí)模分復(fù)用傳輸實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證[16]。此外，中國(guó)移動(dòng)最近還聯(lián)合中興通訊驗(yàn)證了單波400 Gbit/s×2個(gè)模式的 200 km 傳輸可行性，為面向未來(lái)的多維復(fù)用光傳輸技術(shù)發(fā)展提供了重要參考。中國(guó)電信參與建設(shè)了粵港澳大灣區(qū)的“超級(jí)光網(wǎng)絡(luò)”，開(kāi)展了多芯光纖傳輸示范網(wǎng)試點(diǎn)驗(yàn)證工作，為 SDM 技術(shù)落地進(jìn)一步奠定基礎(chǔ)。

值得注意的是，近期關(guān)于 SDM 的技術(shù)研究不再一味追求超大容量，反而更加關(guān)注實(shí)用性。首先，考慮到光纖彎曲損耗、機(jī)械強(qiáng)度，將 SDM 光纖包層尺寸限制在125 um，有助于兼容現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)單模光纖的制備和成纜工藝。其次，考慮到長(zhǎng)距傳輸系統(tǒng)中空間模式間的串?dāng)_，以及模式相關(guān)損耗對(duì)相干解調(diào)算法的影響，耦合芯3 芯光纖或弱耦合4 芯光纖結(jié)合多波段 WDM 傳輸成為近年來(lái) OFC熱點(diǎn)。例如， NICT 利用（S+C+L）光頻梳在4 芯光纖中實(shí)現(xiàn)了552波道3 001 km 的傳輸，使單纖容量達(dá)到319 Tbit/s[17]。再者，在系統(tǒng)可靠性驗(yàn)證方面， 2019年日本住友電工與拉奎拉大學(xué)合作，在意大利拉奎拉市地下隧道首次鋪設(shè)了6.29 km 含18根多芯光纖的光纜?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)試表明，多芯光纖成纜及部署后仍然具有較低的損耗和模式色散。這證明了 SDM 傳輸應(yīng)用初步具備從實(shí)驗(yàn)室理想環(huán)境走向復(fù)雜現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的條件[8]。最后，在標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)展方面， ITU-T 于2020年已經(jīng)開(kāi)始 SDM 光纖光纜的標(biāo)準(zhǔn)化研究工作，并重點(diǎn)關(guān)注光纖分類、光纖熔接和連接器等技術(shù)。目前，日本已發(fā)布 SDM 相關(guān)技術(shù)研究報(bào)告，著力推動(dòng) SDM 技術(shù)的商用。此外，中國(guó) CCSA 已立項(xiàng) P 比特超大容量光傳輸相關(guān)的研究課題。

1.4光層OAM 技術(shù)

大容量、低時(shí)延、綠色低碳的需求驅(qū)使以傳統(tǒng)電交叉為主的 OTN 網(wǎng)絡(luò)向以光交叉為主、電交叉為輔的光電聯(lián)動(dòng)全光網(wǎng)轉(zhuǎn)型，其核心是光電深度融合和協(xié)同管控，以充分發(fā)揮光電兩層技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源和運(yùn)維效率的優(yōu)化。然而，當(dāng)前 OTN 網(wǎng)絡(luò)在光層缺乏成熟的 OAM 技術(shù)，導(dǎo)致骨干網(wǎng)面臨升級(jí)擴(kuò)容后運(yùn)維難度不斷增加的局面，使得光層通道性能監(jiān)測(cè)、故障定位以及業(yè)務(wù)調(diào)度常需繁瑣的人工性能采集和復(fù)雜的定位分析，難以適應(yīng)智能化的發(fā)展趨勢(shì)?；诘皖l調(diào)頂?shù)碾S路監(jiān)控光標(biāo)簽概念最早在1993年被提出，以用于信號(hào)識(shí)別、功率和故障管理[18]。該技術(shù)后來(lái)被朗訊公司用于實(shí)現(xiàn)端到端信號(hào)追蹤和在線性能監(jiān)測(cè)，以及故障定位、重路由和波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換[19]。直到2006年， Tropic Networks 公司提出快速傅里葉變換，用于識(shí)別不同調(diào)頂載頻，為 WDM 網(wǎng)絡(luò)中多載波調(diào)頂?shù)於ɑA(chǔ)[20]。近年來(lái)，基于調(diào)頂?shù)墓鈽?biāo)簽技術(shù)已經(jīng)在動(dòng)態(tài) WDM 網(wǎng)絡(luò)性能檢測(cè)中得到廣泛研究，如光功率、色散、偏振模色散、? OSNR 監(jiān)測(cè)、非線性噪聲監(jiān)測(cè)等。與此同時(shí)，該技術(shù)也暴露出一些問(wèn)題，如低載頻光標(biāo)簽受到受激拉曼散射（SRS）串?dāng)_影響，高載頻光標(biāo)簽受到色散衰落的影響。中國(guó)運(yùn)營(yíng)商將進(jìn)一步關(guān)注基于光標(biāo)簽的 OAM 技術(shù)的商用落地。例如，中國(guó)移動(dòng)已經(jīng)著手光層 OAM 技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化工作，并從功能、速率、開(kāi)銷、成幀、編碼等方面進(jìn)行技術(shù)規(guī)范?？傮w來(lái)看，基于光層 OAM 的業(yè)務(wù)路徑追蹤、連接關(guān)系識(shí)別、連接性能檢測(cè)以及故障定位等功能有助于實(shí)現(xiàn)更高效的光電協(xié)同管控。這將在智能化光網(wǎng)絡(luò)中發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。

1.5備用路徑性能檢測(cè)技術(shù)

專網(wǎng)應(yīng)用對(duì) OTN 網(wǎng)絡(luò)可靠性、穩(wěn)定性要求越來(lái)越高?；诓ㄩL(zhǎng)/自動(dòng)交換光網(wǎng)絡(luò)（WASON）的網(wǎng)絡(luò)保護(hù)恢復(fù)可以實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)的動(dòng)態(tài)重路由，可應(yīng)對(duì)多次斷纖故障?，F(xiàn)有 ROADM 網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)重路由采用分布式算路策略（源節(jié)點(diǎn)算路）。這種機(jī)制可能存在波長(zhǎng)沖突導(dǎo)致的路由回退問(wèn)題，無(wú)法保證恢復(fù)時(shí)間。采用集中算路和分布式控制結(jié)合方式有望解決波長(zhǎng)資源沖突問(wèn)題。提升算路單元計(jì)算能力和算法效率、優(yōu)化光轉(zhuǎn)發(fā)單元（OTU）波長(zhǎng)調(diào)諧時(shí)間和波長(zhǎng)選擇開(kāi)關(guān)（WSS）切換時(shí)間，可以減少重路由業(yè)務(wù)恢復(fù)時(shí)間。另外，由工作路徑倒換到恢復(fù)路徑后的業(yè)務(wù)性能也是未知的。重路由后能否實(shí)現(xiàn)快速業(yè)務(wù)開(kāi)通也是影響恢復(fù)時(shí)間的重要因素。目前通常的做法是，計(jì)算路由時(shí)考慮路徑的 OSNR 性能和光損傷代價(jià)，然后選擇 OSNR 滿足閾值條件的路由以用于業(yè)務(wù)恢復(fù)。由于恢復(fù)路徑上的器件插損、波長(zhǎng)相關(guān)性、光交叉連接（OA）增減波增益變化的影響會(huì)導(dǎo)致真正業(yè)務(wù)倒換后業(yè)務(wù)不通，因此系統(tǒng)需要進(jìn)行端到端功率優(yōu)化后才能開(kāi)通業(yè)務(wù)。這嚴(yán)重影響恢復(fù)時(shí)間，無(wú)法滿足運(yùn)營(yíng)商普遍要求的確定性低時(shí)延需求[21]。由此可見(jiàn)，快速、準(zhǔn)確地檢測(cè)備用路徑性能以及精細(xì)化的光參預(yù)調(diào)節(jié)對(duì)保證快速、可靠恢復(fù)至關(guān)重要。

2大容量、智能化光傳輸機(jī)遇與挑戰(zhàn)

面對(duì)更大容量、更低時(shí)延、更高可靠性和高度智能化的演進(jìn)需求，光傳輸系統(tǒng)的機(jī)遇主要包含兩個(gè)方面：

（1）在硬件層面上，采用更先進(jìn)的芯片、器件可兼顧高集成度、高性能和綠色低碳。例如， 5、3 nm 超強(qiáng)oDSP可實(shí)現(xiàn)單波提速和功耗降低，高維度、多端口、多分區(qū)的WSS 可實(shí)現(xiàn)更簡(jiǎn)潔的光交叉連接（OXC），更高自由度、更大帶寬的可編程部件能夠構(gòu)建靈活、超寬、極簡(jiǎn)的光傳輸系統(tǒng)，基于一體化超寬 WSS 可簡(jiǎn)化 C+L 系統(tǒng)光層組網(wǎng)。特定的應(yīng)用場(chǎng)景需要差異化的解決方案。例如，某些中短距傳輸場(chǎng)景可采用簡(jiǎn)化的相干模塊或單纖雙向傳輸，以控制功耗和成本。新型寬帶放大器、差異化光纖信道的使用拓展了大帶寬、長(zhǎng)距離、大容量傳輸?shù)母嗑S度。寬譜半導(dǎo)體光放大器（SOA）、多波段拉曼放大、低噪聲參量放大、大有效面積 G654E、多芯少模和空芯光纖都可能是下一代光傳輸系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。優(yōu)化核心器件的響時(shí)間有助于縮短業(yè)務(wù)恢復(fù)時(shí)間。例如，從結(jié)構(gòu)、機(jī)理上優(yōu)化 OTU 可調(diào)諧激光器的波長(zhǎng)切換時(shí)間，通過(guò)新材料、新設(shè)計(jì)改善硅基液晶（LCoS）芯片的響應(yīng)時(shí)間，可實(shí)現(xiàn) WSS 10 ms級(jí)的快速切換。新材料、新工藝的使用能夠持續(xù)提升系統(tǒng)帶寬和單波速率。例如，薄膜鈮酸鋰、石墨烯、有機(jī)聚合物以及表面等離子材料突破了傳統(tǒng)硅光/InP器件的限制，將器件帶寬擴(kuò)展到100 GHz 以上[22-23]。另外，關(guān)鍵技術(shù)自主化與國(guó)產(chǎn)化也給學(xué)術(shù)研究和供應(yīng)鏈產(chǎn)業(yè)帶來(lái)新的機(jī)遇。例如， L6T 光器件關(guān)鍵技術(shù)的突破與國(guó)產(chǎn)化，以及用于波段擴(kuò)展或空分復(fù)用系統(tǒng)的新型器件的自主研制等。當(dāng)然，通信與光層多參數(shù)感知一體化的新需求，也會(huì)促進(jìn)基于通信光纖光纜資源進(jìn)行環(huán)境溫度應(yīng)力監(jiān)測(cè)、光纜風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)、同路由識(shí)別、傳感對(duì)業(yè)務(wù)影響等課題的研究，甚至?xí)呱植际焦饫w傳輸?shù)膹V泛應(yīng)用。更重要的是，產(chǎn)業(yè)生態(tài)的良性發(fā)展，離不開(kāi)產(chǎn)業(yè)鏈的協(xié)同和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的約束。各廠家應(yīng)當(dāng)積極迎接開(kāi)放解耦趨勢(shì)的機(jī)會(huì)和挑戰(zhàn)，包括擴(kuò)展波段波長(zhǎng)標(biāo)準(zhǔn)化以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)聚焦，開(kāi)放光線路系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)光電板卡解耦，實(shí)現(xiàn) CFP/CFP2相干模塊接口標(biāo)準(zhǔn)化并與多廠家互通等。

（2）在軟件層面上，光層數(shù)字化是實(shí)現(xiàn)光網(wǎng)智能化的前

提，模擬光鏈路的精確建模在支撐光參數(shù)快速檢測(cè)、光性能準(zhǔn)確評(píng)估和業(yè)務(wù)性能在線優(yōu)化方面的重要性進(jìn)一步突顯。長(zhǎng)期來(lái)看，結(jié)合數(shù)字孿生技術(shù)與人工智能/機(jī)器學(xué)習(xí)算法將在性能評(píng)估與優(yōu)化、軟故障預(yù)測(cè)、根因分析診斷等領(lǐng)域發(fā)揮巨大作用。在網(wǎng)絡(luò)管控方面，集中算路與分布式控制新架構(gòu)配合更高效的選路算法、波長(zhǎng)調(diào)度策略，可支撐更大規(guī)模的光網(wǎng)組建能力，如100～200 ROADM 節(jié)點(diǎn)的區(qū)域干線網(wǎng)絡(luò)、 200～500 ROADM 節(jié)點(diǎn)的國(guó)干全光網(wǎng)絡(luò)以及500～1 000 ROADM 節(jié)點(diǎn)的一二干融合大網(wǎng)。在底層技術(shù)上，隨著波段擴(kuò)展、空分復(fù)用技術(shù)的引入，光系統(tǒng)需要借助快速光功率調(diào)測(cè)算法去解決重路由時(shí)快速增減波功率調(diào)測(cè)問(wèn)題。隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的擴(kuò)大和串行鏈路的增加，光系統(tǒng)需要具備在線的全網(wǎng)光功率優(yōu)化能力，以確保全網(wǎng)光功率、? OSNR 性能穩(wěn)定。在應(yīng)用上，光網(wǎng)絡(luò)資源可視、業(yè)務(wù)性能可管、網(wǎng)絡(luò)故障可預(yù)測(cè)等功能將會(huì)給智能化運(yùn)維帶來(lái)更高效的體驗(yàn)。當(dāng)然，光層與電層、軟件與硬件之間的協(xié)同，也會(huì)給整個(gè)光網(wǎng)絡(luò)軟件架構(gòu)帶來(lái)新的發(fā)展機(jī)會(huì)。

機(jī)遇的背后意味著挑戰(zhàn)。當(dāng)芯片和算法進(jìn)入“后摩爾/香農(nóng)時(shí)代”時(shí)，光模塊背靠背 OSNR 容限潛力的挖掘舉步維艱，通道間的光纖非線性效應(yīng)仍缺少高效的補(bǔ)償方案。受限于當(dāng)前（數(shù)模轉(zhuǎn)換） DA/模數(shù)轉(zhuǎn)換（AD）芯片技術(shù)信號(hào)波特率難以突破200 Gbd，單通道速率向單波1 Tbit/s 以上演進(jìn)路線暫不明確。光電合封的共封裝技術(shù)（CPO）被認(rèn)為是高速光模塊的終極解決方案。然而，如何提高InP基平臺(tái)的集成規(guī)模并降低成本，如何有效可靠地集成SiP基平臺(tái)光源，都是業(yè)界急需解決的問(wèn)題。在光模塊性能出現(xiàn)瓶頸的條件下，如果要保證超400 Gbit/s 系統(tǒng)的傳輸距離就需要降低系統(tǒng)余量。性能和風(fēng)險(xiǎn)取決于光系統(tǒng)濾波、串?dāng)_及非線性等損傷代價(jià)的精準(zhǔn)程度。頻譜擴(kuò)展引入更大的 SRS 導(dǎo)致更大的 OSNR 不平坦，這給系統(tǒng)性能評(píng)估和通道級(jí)光功率分配帶來(lái)挑戰(zhàn)。寬譜放大的問(wèn)題也是當(dāng)前急需攻克的難點(diǎn)。寬帶 SOA、低噪聲相敏放大仍不能滿足光線路系統(tǒng)的商用條件。目前， L 波段鉺纖的放大效率和帶寬還不夠理想， L6 THz 的實(shí)現(xiàn)仍需要摻雜工藝和光路設(shè)計(jì)的優(yōu)化。更大規(guī)模的光層組網(wǎng)要求更多級(jí)數(shù)的 WSS 穿通和更高維度的交叉。寬帶 WSS 在頻譜分辨率、通道譜寬、隔離度和端口數(shù)量擴(kuò)展上的制約將會(huì)帶來(lái)更大的串?dāng)_和濾波代價(jià)。大規(guī)模 ROADM 網(wǎng)絡(luò)的路由規(guī)劃、恢復(fù)路徑計(jì)算對(duì)算法效率和控制時(shí)效性提出更高要求。此外，工作路徑和備用路徑上光層性能的有效監(jiān)測(cè)技術(shù)還比較缺乏。光層 OAM 在進(jìn)行高波特率、長(zhǎng)距離傳輸時(shí)會(huì)面臨 SRS 串?dāng)_和色散衰落等問(wèn)題?；诠饫w傳感的同路由檢測(cè)和光纖故障風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別等應(yīng)用需要考慮在線傳感應(yīng)用與業(yè)務(wù)信號(hào)共存的場(chǎng)景。傳感對(duì)業(yè)務(wù)信號(hào)的影響仍需要驗(yàn)證，并且非通信波段的窄線寬激光器也是實(shí)現(xiàn)板卡式光纖傳感的難點(diǎn)之一。

3大容量、智能化光傳輸實(shí)踐

針對(duì)上述挑戰(zhàn)，我們開(kāi)發(fā)了如圖2 所示的大容量、智能化光傳輸管控平臺(tái)。該平臺(tái)主要包括依托于網(wǎng)管與設(shè)備側(cè)的全局功率和連接管理算法，以及基于 WASON 的業(yè)務(wù)級(jí)損傷驗(yàn)證、功率優(yōu)化和路由頻譜分配算法。下面我們將結(jié)合幾個(gè)案例，來(lái)展示我們?cè)诖笕萘俊⒅悄芑鈧鬏敺矫娴膶?shí)踐。

3.1光域均衡顯著提升 ROADM 穿通能力

如圖3 所示，基于商用 WSS 的物理特性，我們提出基于分片整形的光域均衡專利技術(shù)。該技術(shù)通過(guò)對(duì)通道內(nèi)不同頻譜切片施加相對(duì)衰減使 WSS 的通道帶寬提高了3 dB，從而減小信號(hào)的濾波代價(jià)，增加 ROADM 的組網(wǎng)能力。該方案無(wú)需硬件升級(jí)，分布式整形能力強(qiáng)。純軟件控制層面在線調(diào)整 WSS 通道內(nèi)的每個(gè)頻率分片的衰減并不影響業(yè)務(wù)，也不會(huì)增加額外的成本。當(dāng)采用光域均衡時(shí)，200 Gbit/s QPSK 信號(hào)在75 GHz 通道間隔的穿通能力可提升100%[24]， 200 Gbit/s PS16QAM/8QAM 信號(hào)在50 GHz 下的穿通能力可提升60%以上[25]。此外，基于靈活調(diào)制和光域均衡的 Flex Shaping 技術(shù)已經(jīng)在多個(gè)運(yùn)營(yíng)商現(xiàn)網(wǎng)中商用。 200 Gbit/s 信號(hào)在37.5 GHz 間隔下?lián)碛写笥?0級(jí)的穿通能力和傳輸距離，能夠有效減小不必要的電中繼，節(jié)省成本，降低網(wǎng)絡(luò)時(shí)延。

3.2 C+L 擴(kuò)展波段助力單波400 Gbit/s 長(zhǎng)距離傳輸

受限于目前 OTU 的波長(zhǎng)可調(diào)諧范圍，我們?cè)?C6T+L5T 光系統(tǒng)上傳輸80波 400 Gbit/s 信號(hào)。其中， C 波段和 L 波段各有40波，并且波道間隔為100 GHz。由于基于128 Gbd QPSK 的長(zhǎng)距400 Gbit/s 實(shí)時(shí)相干光模塊目前仍處于研發(fā)階段，本實(shí)驗(yàn)的長(zhǎng)距400 Gbit/s 方案為91.6 Gbd PS16QAM，并適配100 GHz 波道間隔。光纖鏈路中有5 個(gè) G652光纖跨段，每段光纖長(zhǎng)度為75 km，損耗約22 dB 。 C 和 L 波段分別采用一個(gè) EDFA 來(lái)補(bǔ)償跨段損耗，并在放大前后均有一個(gè) WDM 合分波器。如圖4 所示，在沒(méi)有進(jìn)行功率調(diào)整前，由于 C+L 系統(tǒng)中存在強(qiáng)烈的 SRS功率轉(zhuǎn)移， 5跨段末端單波功率平坦度劣化嚴(yán)重，無(wú)法滿足系統(tǒng)應(yīng)用需求。采用 C+L 功率預(yù)均衡策略對(duì) EDFA 的增益和增益斜率進(jìn)行調(diào)整后，系統(tǒng)的功率平坦度優(yōu)于 4.5 dB， OSNR 平坦度優(yōu)于2.5 dB，最小 OSNR 高于25 dB，滿足預(yù)期的功率均衡目標(biāo)。? C+L 波段400 Gbit/s PS16QAM 的傳輸代價(jià)在 5 dBm 入纖時(shí)小于1 dB 。該方案使中興通訊成功完成業(yè)界首個(gè)單波400 Gbit/s C+L 系統(tǒng)現(xiàn)網(wǎng)測(cè)試， G654E 光纖傳輸距離達(dá)到1 300 km， G652光纖傳輸距離大于1 000 km 。良好的方案結(jié)果進(jìn)一步推進(jìn)了單波400 Gbit/s 與 C+L 系統(tǒng)的商用進(jìn)程。

3.3高頻光標(biāo)簽實(shí)現(xiàn)在線光性能監(jiān)測(cè)

為了避免長(zhǎng)距離傳輸后 SRS 串?dāng)_對(duì)低載頻標(biāo)簽信號(hào)檢測(cè)性能的劣化影響，同時(shí)解決高波特率信號(hào)上加載高頻標(biāo)簽時(shí)色散導(dǎo)致的功率衰落問(wèn)題，我們提出將光標(biāo)簽的載頻“搬移”到大于10 MHz 的相對(duì)高頻位置，并在 OTU 單板、OA 單板、 WSS 單板進(jìn)行邏輯電路的標(biāo)簽加載和檢測(cè)，如圖5 所示。利用在線板卡，我們開(kāi)展了光標(biāo)簽在波長(zhǎng)追蹤、通道插損檢測(cè)、單波光功率檢測(cè)和單波 OSNR 檢測(cè)的實(shí)驗(yàn)。在20跨段的單波100、200 Gbit/s 傳輸系統(tǒng)中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：目前光標(biāo)簽接收靈敏度優(yōu)于-38 dBm，功率檢測(cè)精度達(dá)到1 dB;結(jié)合光放噪聲系數(shù)的定標(biāo)， OSNR 檢測(cè)精度可以做到1.5 dB，并且光標(biāo)簽對(duì)業(yè)務(wù) OSNR 容限劣化小于0.1 dB 。光性能檢測(cè)的精度、速率，以及板卡集成度和成本都比傳統(tǒng)的 OPM 有優(yōu)勢(shì)?？梢灶A(yù)見(jiàn)，光標(biāo)簽在通道信號(hào)丟失（LOS）檢測(cè)、遠(yuǎn)程功率控制等光層 OAM 應(yīng)用方面也能發(fā)揮作用。光標(biāo)簽技術(shù)的商用將進(jìn)一步提升光傳輸設(shè)備的智能化運(yùn)維水平，也將為光電融合組網(wǎng)奠定基礎(chǔ)。

3.4 光探針和GPA雙管齊下以確保備用路徑快速可靠恢復(fù)

針對(duì)業(yè)務(wù)恢復(fù)的預(yù)置路徑性能監(jiān)測(cè)和ROADM站內(nèi)插損檢測(cè)等應(yīng)用，我們提出光探針的概念。如圖6所示，系統(tǒng)通過(guò)級(jí)聯(lián)光放和WSS產(chǎn)生可編程的假波源，然后接入待測(cè)通道，利用網(wǎng)絡(luò)中配置的OPM，來(lái)獲取待測(cè)光通道的通道光功率并計(jì)算 OSNR 等光性能指標(biāo)。目前我們已開(kāi)發(fā)出基于光探針應(yīng)用的完整解決方案。該技術(shù)可以有效解決空閑光通道的性能檢測(cè)問(wèn)題，使預(yù)置路徑上的功率檢測(cè)精度優(yōu)于1 dB，OSNR檢測(cè)精度優(yōu)于1.5 dB。

對(duì)于非預(yù)置的動(dòng)態(tài)重路由的恢復(fù)路徑，我們提出GPA技術(shù)。該技術(shù)的總體思路是：對(duì)底層光器件建立通道級(jí)功率演進(jìn)模型，以配合必要的出廠/開(kāi)局定標(biāo)工作;當(dāng)發(fā)生業(yè)務(wù)路徑倒換時(shí)，各個(gè)光層模型級(jí)聯(lián)將對(duì)線路中各通道的光功率進(jìn)行準(zhǔn)確估算，以指導(dǎo)站點(diǎn)預(yù)設(shè)通道衰減值，并確保業(yè)務(wù)在倒換后的快速開(kāi)通。GPA 最核心的技術(shù)是光鏈路上的 OA 模型、光纖模型、站內(nèi)插損的功率估算模型，如圖7所示。其中，OA模型需要實(shí)現(xiàn)任意少波、任意輸入功率、不同增益設(shè)定下的高精度功率計(jì)算;光纖模型包含波長(zhǎng)相關(guān)損耗及 SRS 建模;通過(guò)在開(kāi)始階段復(fù)用段首尾 OPM 對(duì)模型的校準(zhǔn)，通道功率計(jì)算模型已驗(yàn)證10跨段誤差小于1.5 dB。

當(dāng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)生故障時(shí)，基于光探針和GPA技術(shù)，SDON/WASON等控制模塊將業(yè)務(wù)倒換到備用路徑。借助已經(jīng)調(diào)整好的光路參數(shù)和光傳輸質(zhì)量（QoT）評(píng)估可驗(yàn)證備用路徑的光性能損傷，有助于實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)的快速、可靠恢復(fù)，提升網(wǎng)絡(luò)的生存性和一次性恢復(fù)的成功率。

4總結(jié)與展望

以用戶體驗(yàn)為中心，構(gòu)建無(wú)處不在與無(wú)處不及的全光連接，提供超大帶寬、架構(gòu)極簡(jiǎn)的超強(qiáng)“運(yùn)力”，引入智能化“算力”，將助力全光網(wǎng)的高效運(yùn)營(yíng)，保障網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)優(yōu)化和可靠運(yùn)行，有助于最終實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)自治。大容量光網(wǎng)絡(luò)在單波提速、波段擴(kuò)展、? SDM、光層 OAM、備用路徑性能檢測(cè)和智能化管控等方面充滿機(jī)遇和挑戰(zhàn)，需要學(xué)術(shù)界和業(yè)界共同加強(qiáng)產(chǎn)學(xué)研用的協(xié)同發(fā)展，以推動(dòng)技術(shù)創(chuàng)新和快速商用。以靈活調(diào)制和光域均衡為核心的 Flex-Shaping 技術(shù)可擴(kuò)大200、400 Gbit/s OTN 的傳輸距離并增強(qiáng)相應(yīng) ROADM 的組網(wǎng)能力，在擴(kuò)展波段的基礎(chǔ)上持續(xù)提升業(yè)務(wù)單波速率和單纖容量，加速基于光標(biāo)簽的光層 OAM 技術(shù)在連接管理、性能管理方面的應(yīng)用，推動(dòng)光探針、? GPA、QoT等組件與人工智能（AI）、機(jī)器學(xué)習(xí)等智能化算法在現(xiàn)網(wǎng)中的快速融合應(yīng)用，增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)可靠性、保障確定性低時(shí)延是我們目前重要的研究方向。

未來(lái)商用 OTN 將繼續(xù)圍繞“寬”“簡(jiǎn)”“智”發(fā)展。中興通訊將在“大容量”“智能化”兩大陣地上持續(xù)攻堅(jiān)，協(xié)同推動(dòng)“新速率、新波段、新站點(diǎn)、新算法、新運(yùn)維”快速商用落地，為5G 新基建甚至6G 場(chǎng)景應(yīng)用探索最合適的技術(shù)路線，持續(xù)改善網(wǎng)絡(luò)服務(wù)體驗(yàn)，為用戶創(chuàng)造價(jià)值。

致謝

本研究得到中興通訊股份有限公司鄒紅兵部長(zhǎng)、陳勇總工、賈殷秋博士、吳瓊博士、高繼韜博士的幫助，謹(jǐn)致謝意！

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作者簡(jiǎn)介

馮振華，中興通訊股份有限公司資深預(yù)研工程師;主要從事相干光系統(tǒng)算法設(shè)計(jì)和驗(yàn)證工作。

方瑜，中興通訊股份有限公司波分產(chǎn)品研發(fā)總工;主要從事光系統(tǒng)產(chǎn)品架構(gòu)的設(shè)計(jì)和技術(shù)總體規(guī)劃工作。

施鵠，中興通訊股份有限公司光系統(tǒng)總工、預(yù)研項(xiàng)目經(jīng)理;主要從事光系統(tǒng)設(shè)計(jì)、新技術(shù)預(yù)研規(guī)劃相關(guān)工作。