当前，电信网络面临网络改造和带宽提升的挑战。因此，提高光传输系统的单波速率和传输距离，提高光纤通信系统的带宽利用率，已成为运营商和设备商的共同追求，以满足不断增长的网络流量需求。

  目前，业界正从三个主要方面展开合作，加速骨干光网络迈向80*400G时代的演进。

  内容目录：

1.         速率提升

2.         容量提升

3.         效率提升

4.         单波 400G+ 技术（Single-Wavelength 400G+ Technology）的研究进展

5.         波段扩展技术（Waveband Extension Technology）的研究进展

   速率提升：

  骨干网从10G演进到100G，再到200G，传输距离基本保持不变，但容量不断倍增。在路由器端口提速的大背景下，400G端口时代已经来临，各电信运营商均已启动测试验证。预计在2023年，骨干网络将实现应用。

      容量提升：

  骨干光网络提速到200G时，占用的频谱宽度为75GHz。当发展到400G QPSK（正交相移键控）时，其占用的频谱宽度将达到150GHz。与200G相比，400G的频谱效率并没有提高，打破了从10G到100G容量增加十倍而频谱不变的规律。由于受到香农极限的影响，要提高整体光纤传输能力，就必须开辟新的传输路径。

  目前最切实可行的解决方案是扩展 C+L 频段频谱，包括已完成网络测试的 C6T 和 L5T 11THz 频谱扩展计划，以及目前已具备实验室测试能力、即将完成网络测试的 C6T 和 L6T 12THz 频谱扩展计划，系统性能的持续优化也在进行中。

  在 80*800G 系统中，将进一步考虑将频谱扩展到 S+C+L+U 波段。同时，随着骨干网速度的提高，需要结合使用多芯光纤、少模光纤、中空芯光纤等新型光纤技术，以确保长距离传输距离。

  效率提升

  在400G/800G时代，采用新的DSP技术，可以支持多种波特率和调制模式切换，并实现在不同距离下适应不同容量的最佳传输，从而进一步优化光传输系统的性能和灵活性，应对不断增长的通信需求。

  针对城域网和干线网等不同应用场景，400G 传输系统采用了多种技术，以实现传输性能、频谱效率和成本之间的平衡。表 1 列出了主要单波速率系统的特点和功能。100G 和 100G+ 技术之间存在明显的代际特征。在工程应用中，下一代短距离模块和上一代长距离模块通常在产业链中并存，从而实现产业链的统一。

  如表 1 所示，200G PM-16QAM 和 100G PM-QPSK 共享 32G 波特率产业链、400G PM-16QAM 和 200G PM-QPSK 共享 64G 波特率产业链以及 400G PM-QPSK 和未来的 800G PM-16QAM 共享 128G 波特率产业链都有规范化表示。

图1：短程和远程产业链的规范化表述

  目前，200G QPSK 已得到广泛应用，64G 波特率的 400G 16QAM 可满足城域传输需求。400G 传输技术目前采用的是 96G 波特率的概率整形（PS）16QAM，最终将发展为 128G 波特率的 QPSK 方案。与 400G PS 16QAM 相比，400G QPSK 的背对背 OSNR 性能提高了约 1 dB，输入功率提高了 1 dB 以上。这也使其能够应用到各种长距离传输场景，并与未来的 800G 16QAM 产业链兼容。

  在芯片层面，相干 oDSP 技术经历了几代演进，代与代之间的差异主要体现在最高单波率、调制编码类型以及尺寸和功耗等方面。目前，400G 16QAM oDSP 芯片采用 7 纳米制造工艺，功耗约为 8W，支持 64G 波特率。针对下一代长距离 400G 应用，领先的 oDSP 制造商已经发布了单波 1.2T 产品路线图甚至模块样品，支持高达 140G 波特率，采用 5nm 芯片工艺。

从 oDSP 算法来看，星座造型（Constellation Shaping）和高性能 FEC 编解码算法更为关键。星座造型分为几何整形（GS）和概率整形（PS），如图 2（a）和图 2（b）所示。GS 和 PS 通过改变星座点的位置和出现概率，使其呈现特殊分布，从而提供比传统 QAM 更好的性能。

图 2. 星座造型示意图

  高性能纠错编码（FEC）技术可通过结合使用级联编码和软决策、多重迭代解码来获得更高的净编码增益。

  高性能光电器件是实现电信号到光信号高保真转换的基础。面对长距离 400G 光传输应用，系统的波特率大于 100Gbd，光器件工作频带的带宽需要大于 50GHz。目前，主流供应商基于硅光子（SiP）或磷化铟（InP）工艺平台开展小型化、集成化和大带宽光收发器件的研究，推出了部分准商用样品。

  先进的器件封装技术也是优化光电芯片带宽的重要手段。目前，硅光芯片通过集成驱动器峰值功能和优化 2.5D/3D 封装工艺，可将调制器的 3dB 带宽从 30GHz 提高到 80GHz 以上。这可以为 400G 以上的高阶调制信号带来超过 2dB 的背对背信噪比容差改善，而该技术的日益成熟则进一步加快了 128 Gbd 长距离 400G 系统的商业化进程。

     光放大器（OA）和波长选择开关（WSS）是光学系统的核心部件。目前，商用 OA 主要是掺铒光纤放大器（EDFA），支持 C 波段 4THz、4.8THz 甚至 6THz 带宽。L 波段 6THz 放大的技术瓶颈已经突破，样品性能符合预期，系统级性能正在验证和优化。然而，受限于掺铒光纤在长波段的放大效率，扩展 L 波段 EDFA 的噪声指数可能比扩展 C 波段差 1 dB 以上，模块成本和体积也相应增加。

  目前，商用 WSS 已覆盖 C 波段 6THz，典型插入损耗约为 6dB，端口数多达 32 个。采用最新的高分辨率硅基液晶（LCoS）技术，WSS 频谱切片分辨率达到 6.25GHz，多家制造商已将工作频段扩展到 L 波段 6THz。

      国际电信联盟第 15 研究组（ITU-T SG15）对 200G 和 400G 接口的物理层规范进行了规定，将 PM-16QAM 确定为400G 城域应用的标准调制方式，推动了开放式前向纠错编码（oFEC）的标准化进程。此外，业内多个多源协议组织（MSA）也发布了 100G+ 的技术标准。例如：

l   OpenROADM/OpenZR+ 发布 100~400G 相干光模块规范，支持 CFP2-DCO 和 QSFP-DD/OSFP 封装，在 400ZR 帧结构中增加 100/200G QPSK、300G 8QAM 等调制模式，使用 oFEC 代替级联 FEC（cFEC），支持 450km 级 400G 传输。

l   中国通信标准化协会（CCSA）已制定了相关标准： 100G 及以下速率的光传输和模块标准制定工作已经完成，200G 送审稿主要选择 200G QPSK、8QAM、16QAM 码型，400G 城域标准基本采用单波

  波段扩展技术的研究进展

  波段扩展技术继承了波分复用技术（DWDM），在传统C波段基础上进一步扩展可用传输带宽，通过增加同纤传输信道数来提高单纤传输能力。

  在传统 C 波段 DWDM 的基础上，近两年国内运营商和设备商又主导了超 C 波段（C6T）的拓展，将 C 波段的带宽从 4THz/4.8THz 提升到 6THz，同时落地了 80 波 75GHz 间隔的 200G QPSK 方案。事实上，单模光纤的低损耗窗口不仅包括 C 波段，还包括 O、E、S、L 和 U 波段。近年来，美国的一些运营商和互联网厂商也在 DCI 和海底光缆传输中部署了 C+L 系统，可使光纤容量翻倍。随着单模光纤容量接近 100Tbit/s 的香农极限，频段扩展技术已成为学术界和产业界研究的热点。目前，国内运营商和设备商都在积极推动 C6T 向 C6T&L6 的升级，以提供单纤 80 波 400G QPSK 长距离传输能力。多频段光传输系统的基本架构如图 3 所示。

图3.多波段光传输系统的基本结构

  随着技术难关的攻克，C+L 增频光器件供应链的发展进度符合预期，新一代 C6T+L6T 12THz 宽带光层单波 400G QPSK 光系统有望在 1 年内迎来商用部署。

  光纤中的 SRS 效应会随着带宽的扩大和输入功率的增加而显著增强，并在各段之间产生累积效应。在 C+L 系统中，不仅需要精确的光功率管理策略在开始时有效控制增益和斜率，还需要通过填充波配置补偿 SRS 造成的功率不均匀。此外，还需要始终保持完整的配置状态，以减少动态业务增长对现有业务的影响。借鉴海底光缆系统的经验，在增加或删除信道时，可以用填充波替代业务信号，实现 "真假替代"，从而方便业务激活和测试。在功率调整之前，由于 C+L 系统的 SRS 功率传递较强，系统末端的单波功率平坦度严重恶化，无法满足系统的应用要求。C+L 功率预均衡策略可调整 EDFA 的增益和增益斜率，从而显著改善功率平坦度、OSNR 平坦度和最小 OSNR。自动功率调整算法和填充波配置已在现场测试中得到充分验证，为后续的商业部署奠定了基础。