談談光通信技術未來發展

近日，在“中國電信戰新共鏈行動大會暨第三屆科技節”之“面向云網融合的下一代光網絡新技術論壇”上，中國電信集團科技委主任韋樂平發表主題演講。

圍繞T比特時代正在開啟，IP層和光層融合技術的發展趨勢，下一代新型光纖的發展與思考，光接入和駐地網技術的最新發展趨勢，光器件的創新是關鍵，ChatGPT開創人工智能新時代，系統闡述了光通信發展的新趨勢思考。

T比特時代正在開啟

韋樂平表示，T比特DSP的商用實現了群體性突破，T比特光模塊商用化可期，T比特級傳輸系統現場實驗逐步開展，標志著T比特時代正在到來。

DSP方面，Acacia、NEL、Nokia、Infinera、Marvell的1.2Tbps DSP，預計2023年-2024年均可商用，Ciena的1.6Tbps DSP預計2024年可商用。光模塊方面，Terabit BiDi MSA聯盟同時發布基于100G通道和OM4多模光纖的800G和1.6T的數通產品，Coherent、旭創等發布了相關產品。傳輸網方面，國內外均有運營商開展了現網試驗。

相干光通信的在網位置和適用速率一路下沉，占據80公里/100G速率以上的所有應用場景；主導40公里/400G速率，10公里/800G速率，2公里/1.6T速率場景；低功率相干光已邁向10公里/100G速率和40公里/100G速率場景。

相干光通信的技術進展包括DSP突破，集成化進展，低成本措施，新材料出現（如薄膜鈮酸鋰），封裝架構創新（如光電共封）等。

目前，相干光通信已經成功應用于海纜、長途網、城域網、DCI，正滲透網絡邊緣、匯聚、5G回傳、企事業網，試圖突破5G前傳、DCN、VHSP。

對于干線400G的主流方案，傳輸距離比容量更重要，因此QPSK（C6T）、QPSK（C6T+L6T）更適用干線網，對于16QAM-PS（C6T+L6T）更適用于區域網。

對于基于QPSK的80波400G干線系統的技術進展，400G相干光模塊方面，分立C6T和L6T激光器可用；低噪聲光纖放大器，分立C6T和L6T可用，長波長NF需改進；波長交換WSS，分立C6T和L6T均可用，C6T+L6T集成2024年可用；光系統，解決SRS，維系波道功率動態均衡，基本可行。

商用進展方面，韋樂平介紹，中國電信目前干線最大鏈路截面容量121T，用400G擴容可以節約15%—20%的寶貴光纖資源和大量轉發器，100G資源2026年起逐步達到使用壽命。目前來看，2024年將實現試商用和商用，2025年實現規模商用，2026年大規模商用。

IP層和光層物理融合突破障礙

韋樂平介紹，IP層和光層融合的好處在于，消除了大量背靠背灰光和獨立轉發器，降低了功耗、尺寸、成本。統一了IP層和光層的管控和監視，實現了光層開放。具備了跨層全局視野，可望更有效地利用兩層資源，規避無效恢復和沖突。簡化了網絡架構，易于維護，更快適應外部變化。

IP層和光層物理融合的障礙在于，目前路由器和光線路系統的對接靠后者的大量獨立光轉發器實現，隨著速率的持續提高，這種分離方式的成本也越來越高。十幾年前的集成努力由于DSP和光模塊尺寸太大，導致犧牲路由器面板的端口容量，得不償失，運營商不得不繼續沿用分離的老辦法。

隨著硅、硅光和DSP技術的進展，目前能將DSP和硅光模塊嵌入路由器標準端口（OSFP-DD），形成適用路由器和光線路系統的400G通用DCO光模塊，實現尺寸、功耗、性能、成本和互操作突破。適用于多種網絡邊緣接入技術（企業應用、5G回傳和中傳、OLT、CMTS等）的低成本100ZR通用光模塊（QSFP28）也即將推出。

韋樂平表示，目前IP層和光層融合技術主要應用于城域網，干線場景還有待突破。目前的主要挑戰是多廠家環境跨層控制的標準化、互操作、利益格局的影響。另外，運營商面臨自主開發私有管控規范的自研能力、時效、運維的挑戰。

G.654E將是未來干線主用光纖

韋樂平表示，G.654E光纖將成為未來干線網的主用光纖。測試數據表明，對于速率將升級為400G的干線，G.654光纖可望提升距離60%—80%。

對于單纖空分復用，多芯光纖在兼容現有125μm包層前提下，僅能容納3-4芯，擴容3-4倍，但包括制造工藝、檢測、維護等產業鏈幾乎需要重新設計和產業化。少模光纖靠大芯徑容納3—5個低階模，制造容易，但面臨高階模高衰減、長距離傳輸模式耦合干擾以及復用/去復用器挑戰。

另外，高密度大芯數光纜（多軌系統，一纜多纖）最簡單易行，擴容潛力最大，但需要集成化系統的配合。

值得一提的是，韋樂平還看好空心光纖（HCF）?？招竟饫wHCF）絕大部分信號功率走空氣通道，時延低33%；非線性至少低3-4倍，入纖功率高，傳輸距離長，容量大，可望突破非線性香農容量極限。

同時，空心光纖潛在光纖損耗可望低于0.1dB/km、譜寬大（約40THz窗口，遠大于常規光纖）、模場直徑大（約20μm，高達40μm時仍無明顯彎曲損耗增加）。

不過空芯光纖也面臨著多項成本、多項標準化、仍涉及產業鏈重新設計和產業化等挑戰。

對于空心光纖的應用場景，韋樂平介紹在特定低時延應用（超算、DCI、海纜等場景），以及非通信應用（傳感、高功率傳遞、特殊光源）等都有廣闊的應用空間。

FTTR-H目標1億中高端家庭

光接入和駐地網的新發展趨勢方面，接入帶寬持續提升，目前全國寬帶端口11.18億，光寬占96.3%，千兆端口數達2144萬，下一步50G PON，短期用于政企客戶2B應用，長遠沖擊100G/200G PON。

在政策支持，競爭驅動，以及技術和生態基本成熟的驅動下，FTTR發展迅猛。韋樂平表示，初期將聚焦FTTR-H，也就是家庭場景，預計今年FTTR-H的用戶超過1000萬，長遠目標是1億中高端家庭，約500億元市場規模。

目前FTTR還存在一些挑戰，FTTR-H方面主從設備希望解耦，新業務應用不足；FTTR-B還有待培育。

網絡的未來寄希望于光芯片創新

目前，全球運營商都面臨著量收剪刀差的局面。韋樂平指出，降低量收剪刀差的關鍵是大幅降低網絡成本，光通信成為降價最慢的領域，其中光器件是瓶頸的瓶頸，光芯片更是瓶頸的立方。原因在于，摩爾定律不適用以手工為主的光通信技術。

傳輸系統方面，一個80波400G QPSK碼型的C6T+L6T波段的光傳輸系統，光器件成本大約占81%（含oDSP），800G和1.6T只會更高。

核心路由器方面，400G核心路由器，光器件成本占15%，隨著容量提升，背板芯片互連、板卡互連都將光化，光域分量將繼續增加。

光接入方面，隨著技術進步和大規模集采，10G PON光模塊成本占比下降至35%。未來50G PON、WDM-PON光模塊成本占比會更高。

交換機方面，數據中心交換機的光模塊成本增速很快，在400Gb/s速率，交換機的光模塊成本已經超過交換機本身，高達50%。

光系統對于光器件的總體要求是：高速率、高集成、低功耗、低成本。韋樂平認為，光子集成（PIC）是主要突破方向，其中磷化銦（InP）是唯一的大規模單片集成技術，硅光（SiP）是最具潛力的突破方向，可以將電域的CMOS的投資、設施、經驗和技術用在光域。

另外，基于硅光的光電共封（CPO）是進一步降低功耗、提升能效、提高速率，適應AI大模型算力基礎設施發展的關鍵器件之一。

韋樂平總結道，網絡的未來寄希望于光器件，特別是光芯片的技術創新。

ChatGPT近中期主要影響DCN

今年人工智能領域最火熱的話題就是ChatGPT。這一類AIGC大模型訓練可能需要在DC內為每個訓練POD單獨構建高速數據交換網平面。

目前來看主要的技術要求包括高帶寬和低延遲/零丟包。高帶寬方面，服務器內GPU間總線帶寬達T比特級，服務器對外僅能提供200G×8的接入能力，是AI集群性能的瓶頸；服務器間組網，國外多采用IB，性能好，但技術封閉，國內傾向用無損以太網RoCE。

低延遲/零丟包方面，IB時延僅1us，而無損以太網RoCE在5到10us水平，尚需努力。此外，丟包對傳輸效率影響很大，需要近零丟包性能。

韋樂平表示，隨著多模態視頻到來，帶寬將有數量級增長，屆時對DCN和DCI的影響需重估，甚至跨群跨云的并行訓練必將到來。

在韋樂平看來，近中期ChatGPT主要影響DCN，對DCI和電信網的影響不大，中長期光交換將是解決集群和跨群跨云訓練性能和功耗的歸宿。

另外在數據中心領域有兩個討論比較多創新技術，包括光電共封裝CPO和線性直驅LPO，目前的爭論也很多。

CPO技術的驅動力是隨著傳輸速率提升，信號在銅箔電路板的傳輸損耗快速增加，唯有去掉銅線，才能維系速率的持續提升和功耗的大幅降低。不過，目前技術尚不成熟，良率不高，維護不方便，標準滯后，實際將復雜性轉移至交換芯片，但其潛力大，最適合200Gb/s SerDes速率以上應用場景，是實現未來高速、高密度、低功耗光互連場景的中長期解決方案。

LPO的驅動力在于去掉光模塊DSP芯片（大約占400G光模塊的一半）可大幅降低功耗，將DSP功能集成到電交換芯片中，依然保持可熱插拔模塊的形態?？梢栽诶^續利用成熟光模塊供應鏈前提下實現低功耗、低時延目的，但面臨更高速率、更長距離傳輸的巨大挑戰，當前的100Gb/s SerDes速率應用是近中期方案。

編輯：黃飛