超100G趋势展望和关键技术分析

光传送网具有大带宽、低时延、长距离传输特性，为全球服务提供商网络提供了优质承载管道。100G传输采用相干通信、偏振复用、软判决纠错等革命性技术，迅速取代40G传输成为新一代长寿命技术，大规模部署迄今已近5年。随着5G、大视频、高性能专线业务的迅猛发展，以及网络云化带来的IDC互联需求日益增长，光网络带宽需求呈现指数级增长态势，以单载波200G/400G为代表的超100G相干传输成为焦点。作为新技术集大成者，超100G传输采用高阶QAM调制、星座整形（包括概率整形）、非线性补偿等技术进行信号处理，采用新型低损大有效面积光纤、低噪声放大器以及分布式拉曼放大器等新方案提升传输性能，采用光学集成包括硅光集成、磷化铟集成、光学混合集成 、光电混合集成以及高采样率高分辨率数模转换等技术提升能效，目标是解决谱效与传输距离、性能与能效之间的矛盾，实现超100G规模商用。

　　商用部署

　　2016年，中国联通展开了新型光纤超100G传输性能实验室测试，同时部署现网试点验证。2017年，中国移动组织开展实验室测试，验证单载波400G传输功能和性能，为后续标准规范制定、商用部署做准备。2018年1月，美国电信运营商Verizon完成400G现场试验，通过其光传送网实现核心路由器之间了400GE业务现场连接。
2018年是超100G规模启动的重要时间点，之后将进入持续高速增长阶段。分析公司Cignal Al预测，2020年超100G技术将占据光网络带宽的近1/4份额， 另一家著名咨询公司OVUM则预测2022年超100G市场将超达到光网络市场的1/3。

　　标准进展

　　光网络技术商用与产业链健康发展密不可分，超100G标准体系已日臻完备，ITU-T G.709 （OTUCn）、IEEE 802.3bs（200GE/400GE）标准已发布，OIF 发布灵活DWDM相干框架，OIF正在制定DCI短距互联的400G ZR标准以及TROSA、HB-CDM等高速光器件和接口标准。

　　场景应用

　　超100G光传送是面向多场景的整体解决方案，覆盖从长距、城域到短距互联的各种应用。由中兴通讯牵头制定的《灵活相干DWDM传输框架》，对应用规格进行汇总分析，其中400G传输应用如表1所示。

　　从表1可以看出，传输距离与谱效（信道间隔/载波数）是一对矛盾。对不同应用场景，平衡传带宽与传输距离，或限制带宽限制求得传输距离最优，或约束传输距离而求得谱效最优，是超100G 应用的重要考量。

　　关键技术    

　　超100G传输同时面临着技术层面的挑战，包括信道（调制）技术、线路（传输）技术以及产品实现的集成与封装技术。

　　信道技术 

　　波特率是提升单信道传输速率的基本手段，如从100G时代的32GBaud到400G时代的64Gbaud以及未来800G时代的96/128GBaud。波特率提升能减少光组件数量，但受调制器/驱动器和接收机带宽限制，波特率提升受到当时器件工艺水平限制，同时单纯提升波特率也无法提升频谱效率和总传输容量。

　　高阶QAM调制可以提升频谱效率和传输容量，但高阶调制要求更窄线宽的激光器和更好线性度的光电组件，同时高阶调制星座图排布更加紧密导致传输距离更短。

　　高冗余比和优化软判决纠错、 概率整形—加性高斯噪声系统中，星座出现概率逼近麦克斯韦玻尔兹曼分布（理想条件下，每个维度能实现1.53dB的成形增益)、星座点排布优化增加欧氏距离等新技术科提升高阶QAM调制传输距离，增加超100G应用覆盖范围。

　　线路技术

　　相比信道技术日新月异的发展轨迹，线路技术发展相对较慢。低损大有效面积光纤（如G.654E）等新型光纤能降低线路损耗，提升入纤光功率，从而减少电中继使用数量。设备侧，低噪声光放大器应用对传输性能有改善作用，同时加快分布式拉曼放大器的商用进展，采取技术手段保证拉曼放大器工程应用安全和降低维护难度，对传输距离延长将有更加显著的作用。

　　集成与封装

　　光组件是超100G技术实现的核心部件，由传统的分立器件光源、调制器、集成接收机等组成，向磷化铟（InP）和硅光（SiPh）技术为主的集成光器件方向发展。磷化铟由于其III-V族元素特性，易于实现激光器等有源增益器件，硅光则与CMOS工艺兼容具有大规模低成本生产潜力，硅光的挑战在于实现有源增益结构难度很大。同时磷化铟与硅光技术的DIE和光组件体积小，有利于实现高集成度可插拔光模块。

　　封装方面，OIF正在制定IC-TROSA标准。分为A型和B型，其中A型为硅光技术，集成调制器、驱动器和接收机；B型为磷化铟技术，集成激光器、调制器、驱动器和接收机。由于硅光具备非气密封装的优势，因而硅光技术可实现BGA封装，而磷化铟技术则可将光组件集成在一个Goldbox中，实现高集成度。

　　带宽增长之迅猛超乎想象，行业昨天还是讨论100G，今天就已经在研究超100G。超100G传输是挑战也是机会，总体看，标准、应用、试点节奏以及技术实现各方面都在加快超100G部署，光通信的新篇章即将开启。