汤 瑞，吴冰冰，赵文玉，张海懿

(中国信息通信研究院 技术与标准研究所，北京 100191)

0 引 言

随着400 Gbit/s光传输系统标准化的完成，商用技术发展及相关产业链已日趋成熟，业界已开始转向超400 Gbit/s接口的研发以满足网络升级需求。根据市场研究公司Omdia的预测，未来2～3年，市场对于超100 Gbit/s网络的部署需求将逐步超过100 Gbit/s网络，并且超400 Gbit/s(含400 Gbit/s)将成为超100 Gbit/s网络的主流应用，市场驱动主要来源于电信网络提速(骨干网向200 Gbit/s升级，城域网向400 Gbit/s及以上速率升级)以及数据中心互联应用。

目前国际和国内标准化组织正积极开展超400 Gbit/s技术及标准讨论，同时学术界和工业界对超400 Gbit/s进行了大量研究，并期望超400 Gbit/s能够在400 Gbit/s的基础上进一步提升网络容量并降低每比特传输成本，以解决运营商日益面临的业务流量及网络带宽持续增长的压力，从而在干线网络传输、城域核心路由器互联和数据中心互联等场景得以应用。从2019年开始，国际国内主要传输厂商陆续发布了超400 Gbit/s 数字信号处理(Digital Signal Processing，DSP)芯片，并进行了实验室或现网试验以及部分部署案例。系统速率主要为800 Gbit/s，传输距离百公里量级，主要面向数据中心互联等短距场景等。

如何实现更高的传输速率(800 Gbit/s～1 Tbit/s及以上)，以及长距离传输系统如何演进是未来骨干光传送网面临的一大挑战，也是近两年高速传送的热点话题和研究重点。本文讨论分析了单载波800 Gbit/s光传输的关键技术以及相关标准化进展，同时对800 Gbit/s技术的后续演进进行了探讨。

1 800 Gbit/s传输技术方案

目前，100 GBaud相干光组件技术已基本具备可商用能力，可以支撑64阶正交幅度调制(Quadrature Amplitude Modulation，QAM)方式的单波800 Gbit/s系统。表1所示为近两年的一些传输系统试验结果，由表可知，对800 Gbit/s及以上速率，大多采用了概率星座整形(Probability Constellation Shaping，PCS)，但由于系统过高的光信噪比(Optical Signal Noise Ratio，OSNR)需求，基于掺铒光纤放大器(Er-doped Fiber Amplifier，EDFA)和标准单模光纤(Standard Single Mode Fiber，SSMF)的传输距离仅可满足城域200 km左右的应用场景。PCS可以改善OSNR容限，但OSNR容限改善越大，PCS编码的冗余率也越大，从而提高了所需的器件波特率；其次，高阶调制格式还会增加对激光器的线宽和模数转换(Analog to Digital Converter，ADC)量化位宽的需求；而实现DSP算法的加法器和乘法器单元对高阶调制格式也需要更多的量化位宽，从而增加了DSP芯片的复杂度和功耗。800 Gbit/s可能成为超400 Gbit/s的一个主要速率选择，但具体技术方案还需要综合考虑器件水平、调制格式和传输距离的要求。

表1 800 Gbit/s及以上速率传输系统试验结果

2 800 Gbit/s传输关键技术

2.1 关键技术概述

实现单波800 Gbit/s长距传输，需要从多个方面进行。如图1所示，采用抗噪声能力更强的低阶调制格式，采用高性能补偿算法，采用增强型前向纠错(Forward Error Correction，FEC)技术等增强系统抗噪声和损伤的能力，采用超低损、大有效面积光纤、混合放大和全拉曼放大等手段，优化传输信道，减少传输过程中的损伤和噪声。

图1 400 Gbit/s长距离增强型WDM系统关键技术

2.2 信号整形

(1) 频谱整形

基于发射端的频谱整形技术能够减缓波分复用(Wavelength Division Multiplexing，WDM)系统中信道间的非线性效应，对于单载波800 Gbit/s系统，由于波特率太高，所需带宽可能超出光电器件的能力，此时需要DSP芯片在发端进行带宽预补偿和频谱整形。预补偿主要采用数字滤波器来对信号的奈奎斯特频率点进行预加重，频谱整形一般采用升余弦或根升余弦滤波器来实现。为了降低对器件的要求，提升抗非线性效应能力，目前的800 Gbit/s商用产品也有采用数字子载波复用(Digital Subcarrier Multiplexing，DSCM)结合信号整形的方案，如2020年美国Infinera公司使用专用集成电路(Application-Specific Integrated Circuit，ASIC)芯片验证了8×11.95 GBaud结合PCS的DSCM系统传输性能，利用康宁公司的超低损耗光纤实现了单波800 Gbit/s超过1 000 km的传输。图2所示为单载波和8个DSCM的结构比较，DSCM的最大优势在于降低了相位噪声的影响，简化了DSP设计[12-13]。

图2 单载波和DSCM对比图

相较于高波特率单载波系统，DSCM系统在数字域中将若干低波特率子载波信号复用可实现与其相等的频谱效率，而且通过对子载波带宽和调制格式的灵活配置可实现传输速率颗粒度的精细化调整，同时各子载波较低的波特率还带来了非线性容忍性增强等优势。然而，为支持在数字域中将各基带子载波向高频方向搬移并复用以获得复合高波特率信号，DSCM方案仍需要采用高采样率大带宽数模转换(Digital to analog converter, DAC)，高采样率带来的巨大数据吞吐量对芯片的处理速度和运行能耗都提出了极高的要求，如何在保留DSCM优势的前提下，降低对DAC带宽和采样率的要求也是需要重点研究的课题[14]。

(2) 星座图整形

为提升高阶QAM的抗噪声性能，并增强光收发机的可编程能力，提供速率灵活可变的光传输，业界于2016年左右提出信号整形技术，并于2～3年后成功在单波200 和400 Gbit/s等速率相干光模块中商用。星座图整形技术包含PCS和几何整形，分别改善星座点出现的概率和星座点位置，优化传输性能。对于加性高斯白噪声(Additive White Gaussian Noise，AWGN)信道，当调制格式足够高时，信噪比(Signal Noise Ratio，SNR)增益可达1.53 dB[15]。几何整形采用均匀分布的非等距星座点设计，利用设计的启发式算法或者严格意义上的最优化算法得到优化的星座分布。PCS采用等距分均匀星座分布设计，调整不同星座图的出现概率，使其服从高斯分布，从而实现接近香农极限的目的[16]。PCS的核心部分在于将独立二元分布的比特序列设计为具有目标分布的符合序列，相比于普通均匀QAM调制，PCS仅需要增加概率分布匹配器(Distribution Matcher，DM)来将等概率的信源数据转换成特定概率分布的符号序列，且可以兼容大部分的调制解调DSP算法，因而业界更偏向于PCS技术，预计其在800 Gbit/s系统中会得到更广泛的应用。

2.3 信道均衡

800 Gbit/s传输系统初期需要采用128 Gbaud方案配合150 GHz波道间隔来实现，同时要满足运营商80波配置要求，波段扩展将成为必选方案。而在超宽波段系统中，由于受激拉曼散射(Stimulated Raman Scattering，SRS)引起的短波长功率向长波长功率转移现象不可忽视。特别是对于C+L波段的传输系统，通常需要调整EDFA的增益和增益斜率，对入纤信号进行功率调整，不平坦的系统信号入纤功率使得用于评估非线性损伤的高斯噪声(Gaussian Noise，GN)模型不能准确评估C+L波段传输系统非线性损伤，需要对模型进行修正包括建模计算SRS导致的波长相关的损耗变化对非线性的影响；分析PCS技术和多电子载波复用技术等对非线性的加剧或减弱的影响。

另外，如果考虑C+L波段传输系统中动态的波长上下路，还需要对系统中的波长功率进行动态控制。此前业内在常规C+L波段传输系统中的通常做法是采用填充波道使系统始终保持满配状态，实际工作中采用“真波换假波”思路进行功率均衡和控制，以避免由于系统动态上下波对现有波道上业务性能产生影响，但这可能会需要更多的波道监测设备，带来额外的成本和槽位空间占用。借助光标签及软件层面的复用段级甚至通道级自适应均衡管理算法将有可能在C+L波段的高速传输系统应用中发挥重要作用。

2.4 非线性补偿

高阶调制格式、高波特率以及WDM等技术使得信号对非线性效应愈加敏感。同时，波分系统的频谱也在不断扩展，入纤功率的提升也会带来更大的非线性效应。相干接收端DSCM技术的发展和成熟，使得数字向后传播补偿(Digital Backward Propagation，DBP)算法、共轭双波(Phase-Conjugated Twin Waves，PCTW)算法和非线性傅里叶变换(Nonlinear Fourier Transform，NFT)算法等接收端数字非线性补偿算法得到实现和应用。这些算法虽然能够实现较为优异的非线性损伤补偿性能，但都存在复杂度过高且需提前知晓传输系统具体信息的不足。与此同时，微扰法和深度神经网络相结合的策略有效地实现了系统参数无关的非线性损伤抑制[17-19]，但深度神经网络的无记忆前馈式结构使其依旧面临着非线性损伤补偿效果和复杂度相互制约的矛盾，因此，克服光信道的非线性信号失真，建立接近实际信道的非线性理论模型，设计和实现低复杂度高性能的光纤非线性损伤补偿方案对于推动非线性损伤补偿算法的实际应用很有必要，也是实现800 Gbit/s长距传输的重要使能技术[20]。

2.5 纠错编码

光通信FEC技术经历了从硬判决到软判决，从解码到迭代解码，从单码到级联码，从分组码到卷积码，从独立FEC到调制编码结合的过程。目前，主流的FEC方案包括：里德-所罗门(Reed-Solomon，RS)码、Turbo乘积码、阶梯(Staircase)码和低密度奇偶校验码(Low-Density Parity-Check，LDPC)等[21]，许多FEC方案可以实现小于香农极限1 dB的性能。

目前的高速WDM系统FEC方案研究有两个大的方向：一是FEC自身增益性能的提升。目前由于受ADC器件带宽以及滤波器件带宽的限制，最高支持的FEC开销是20%～25%，未来随着器件带宽的优化设计，将可以支持更大开销的FEC，从而为800 Gbit/s系统提供更多的OSNR增益；二是FEC与其他数据处理模块做联合迭代，提升系统整体性能。由于FEC自身性能的提升空间较小，为进一步提升系统性能，业界开始研究FEC与其他数据处理模块做联合迭代的方案，典型的两个例子就是与非线性补偿器和解调器做联合迭代，随着互补金属氧化物半导体(Complementary Metal Oxide Semiconductor,CMOS)工艺的进步及算法研究的深入，可以在800 Gbit/s芯片中实现FEC与其他数据处理模块的联合迭代以获得更好的传输性能。

2.6 波段扩展及放大

800 Gbit/s传输系统在使用128 GBaud、PM-16QAM方案时，波道宽度为150 GHz，器件有效带宽为75 GHz。此时，扩展C波段按6 THz计算，只能承载40个波道的传输。目前的80波长距相干传输系统的频谱范围已由常规C波段4 THz扩展至6 THz。但6 THz扩展C波段仍无法支持80波800 Gbit/s长距系统，需进一步开展频谱扩展技术研究，收敛多种潜在方案及频谱边界。目前来看，L波段是潜在的相对成熟的新波段选择[22]。

L波段光模块在DSP芯片方面可与传统C波段光模块兼容，激光器、调制器、接收机以及波长选择开关(Wavelength Selectable Switch，WSS)等光芯片器件需升级支持扩展频谱范围，且性能与C波段相近，但目前产业链尚不成熟，性能需进一步研究验证。

光放大器方面，目前还没有集成式的C+L波段EDFA，L波段EDFA噪声系数比C波段噪声系数大0.5～1.0 dB，在相同的入纤功率和跨段损耗前提下，L波段信号传输后的OSNR比C波段信号传输后的小0.5～1.0 dB。受SRS效应影响，C波段信号功率转移到L波段，接收端的OSNR需要综合考虑C波段转移的功率、L波段获取的功率与C波段噪声系数和L波段噪声系数。分布式拉曼放大器理论上适用于任何波段的放大，非常适用于大容量长距离传输应用场景。由于拉曼放大器的增益特性与实际使用的光纤特性相关，对于扩展C+L波段的传输系统，信号本身由于SRS导致的功率转移也会加剧这种拉曼放大器的增益不平坦特性，特别是系统中动态增减波时，拉曼放大器的增益平坦度更难保证。因此在C+L波段的传输系统中，在系统增减波的情况下，需要采用相应的自动功率调整策略，根据系统状态调整增益和斜率，维持系统性能。

2.7 新型光纤

传输距离需求不变的前提下，无论是通过提升波特率还是调制格式的方式来实现单波更高速率的同时，系统对链路OSNR的要求更高。缩小跨段长度、增加中继数量或采用更低噪声的拉曼放大器虽然可以一定程度上缓解800 Gbit/s及以上高速传输距离受限于OSNR的问题，但会带来额外成本的显著增加。因此业界一直在探索使用更高性价比的新型光纤技术来支持高速长距传输。

低损耗大有效面积光纤通过增大模场面积降低高速信号传输的非线性效应，通过超低损耗减少光放大器引入的放大自发辐射(Amplified Spontaneous Emission，ASE)噪声积累，相同距离链路的新型单模光纤(Single Model Fiber,SMF)带给系统增益3 dB以上，并可以兼容现有EDFA和拉曼放大器。随着超低损耗光纤制备技术的成熟，目前全球多个公司已实现超低损耗光纤的规模化生产。如表2所示，美国康宁、日本住友、中国长飞光纤、亨通光电、烽火通信和中天科技等国内外知名企业纷纷推出了成熟的商用超低损耗G.652光纤与超低损耗大有效面积G.654光纤[23]。国内三大运营商也在积极推进G.654.E光纤的应用，并已开始了部分干线G.654.E光纤链路的建设工作。

表2 部分厂家新型光纤的规格参数

不过由于G.654.E光纤普遍采用纯石英纤芯工艺，其色散稍大于普通光纤，这可能会给高速率长距离光纤通信系统的色散容限带来挑战。另外，G.654.E光纤的截止波长较大，对于C++系统，其最短波长可到1 524 nm附近，已经不在标称截止波长内，能否保证单模传输及传输性能，还需进一步验证。对于拉曼放大系统，G.654.E光纤的低损耗特性有利于提高有效作用长度，但更大的有效面积会牺牲拉曼放大效率，并且1 450 nm左右的泵浦光将不再是单模特性，系统的整体拉曼增益也可能会受到影响，有待充分的理论和实验研究。

随着超低损耗光纤技术的不断发展，目前基于纯硅芯光纤的损耗已经接近于理论极限值(0.14 dB/km)。学术界也对空芯光纤等新型光纤展开了研究。空芯光纤的纤芯为中空或其他填充材料，通过特殊的包层结构设计将光限制在气体或真空纤芯中。空芯光纤经历多次迭代，衰耗已经降至0.28 dB/km[24]。近两年的多篇论文和实验为高性能光通信开辟了可能性。

3 800 Gbit/s标准化进展

目前800 Gbit/s相关标准化工作主要在光互联论坛(Optical Internetworking Forum，OIF)和国际电工电子协会(Institute of Electrical and Electronics Engineers，IEEE)进行，国际电信联盟(International Telecommunication Union，ITU)第15研究组负责高速接口的逻辑层和物理标准化工作，目前的工作重点集中在200和400 Gbit/s，800 Gbit/s相关工作预计从2022年开始逐步展开。

(1) OIF

2020年12月，OIF正式启动800 Gbit/s相干接口项目，项目致力于定义面向园区网络以及数据中心互联应用的800 Gbit/s相干线路规格，包括支持80 ～120 km传输、带放大器的单跨段WDM系统以及支持2 ～10 km传输、不含放大器的固定波长传输系统。

在具体技术参数方面，80 ～120 km接口目前基本确定采用PM-16QAM调制码型，支持150 GHz间隔32个通道，采用灵活光传送网信息结构(Flexible OTN information structure，FlexO)帧结构，开放前向纠错(Open Forward Error Correction，OFEC)编码，更具体的物理层指标还在持续讨论当中。2 ～10 km接口目前基本确定在G.652光纤上采用PM-16QAM调制码型和193.7 THz工作频率。

除了单波800 Gbit/s实现协议(Implementation Agreement，IA)，OIF也在讨论支持光放的长距800 Gbit/s和基于双子载波的长距800 Gbit/s等更多方案。同时在电接口方面，OIF也已启动系列112 Gbit/s电接口标准制定和224 Gbit/s电接口标准研究。

(2) IEEE

IEEE 802.3在2020年12月成立超400 Gbit/s以太网工作组(Beyond 400 Gbit/s Ethernet Study Group)，并在2021年4月和6月分别投票通过了800 Gbit/s和1.6 Tbit/s的立项计划P802.3df，800 Gbit/s接口介质包括铜缆、多模光纤(Multi Mode Fiber，MMF)和SMF，传输距离覆盖1 m～40 km。其中单波长800 Gbit/s接口规格为工作在SSMF、传输距离为10和40 km；1.6 Tbit/s接口则为16通道，每通道100 Gbit/s，或者8通道，每通道200 Gbit/s。同时，IEEE 802.3ck工作组也正在制定112 Gbit/s电接口标准。

此外，其他一些组织或联盟也在进行800 Gbit/s相关标准化活动，如800 Gbit/s Pluggabble多源协议(Multi- Source Agreement，MSA)已发布8×100 Gbit/s 100 m和4×200 Gbit/s 2 km规范；双密度四通道小型可插拔封装(Quad Small Form-factor Pluggable-Double Density，QSFP-DD)800 MSA将面向800 Gbit/s的技术规范统一合并至新发布的QSFP-DD 6.01规范，通道小型化可插拔(Octal Small Form-factor Pluggable，OSFP) MSA发布适用于800 Gbit/s OSFP模块4.0的版本规范。中国通信标准化协会(China Communications Standards Association，CCSA)也针对800 Gbit/s分别立项了光模块和传输系统的研究课题。

各标准化组织的800 Gbit/s接口标准情况如表3所示。

4 800 Gbit/s速率的演进方向

从2019年开始，Infinera、Ciena、华为、Acacia和Inphi等多个厂商相继发布800 Gbit/s DSP芯片，并基于实验室/现网试点验证了单载波800 Gbit/s的可行性[25]。综合当前器件厂商的研发状态以及网络对高宽带传输需求的增长趋势，800 Gbit/s相干不同实现方案、应用场景及路标预测如表4所示。

表4 800 Gbit/s实现方案、应用及路标预测

目前的方案大多基于800 Gbit/s、64QAM调制格式，随着高带宽芯片与器件及算法技术的不断演进，预计基于PM-16QAM的800 Gbit/s不可插拔模块从2023年开始逐步进入测试和小批量商用阶段；基于100 Gbit/s可插拔光收发合一模块类型2(Centum Form Factor Pluggable Module-Type 2，CFP2)/QSFP-DD800封装的可插拔模块2024年小批量商用[26]。结合频谱扩展以及先进的链路技术实现大容量长距离的传输，传输距离从短距发展到长距/超长距，应用场景也将从数据中心互联应用逐渐扩展到城域网、省干网甚至骨干网。

5 结束语

WDM技术是解决高速大容量业务传输的有效技术方案，国内运营商和互联网企业已经开始部署400 Gbit/s系统，并已启动800 Gbit/s的研究工作。目前单载波800 Gbit/s的传输能力还无法满足干线网络的传输需求，标准化的工作重点也集中在80 km以内的城域和数据中心互联应用。对800 Gbit/s长距传输来说，在现有网络链路下很难基于一个方案同时满足速率/容量提升和超长距传输的两个关键需求，并且仍有大量的技术难题需要解决和突破。本文在介绍800 Gbit/s光传输系统关键技术的基础上，对相关的标准化研究最新进展进行了介绍，并对未来的速率演进进行了分析和展望。