通信世界网消息（CWW）2023年下半年，中国移动率先启动了400G省际骨干传送网的首次集采，标志着400G正式替代100G成为骨干光传送网建设的首选方案，光传送网（OTN）全面进入400G时代。因此，超800G（800G及以上速率）高速光传输前瞻性技术研究的重要性愈发凸显，受到了更为广泛的关注。
2023年11月ITU-T SG15全会明确提出，面向骨干、城域核心、数据中心互联等应用带宽升级演进的需求，将启动光传送网的B1T电层标准研究。中国移动、华为、中兴通讯、诺基亚等运营商和设备厂家都针对B1T提出了相关建议和构想，并共同推动完成了G.709.b1t标准立项，目标是实现1.6T的新一代电层接口。
本文将重点介绍超800G高速光传输技术的应用场景、应用需求、技术和产业进展、未来展望等。总体来看，中短距800G可重用400G QPSK的130GBd核心光电器件产业链，以满足面向数据中心间高速互联的应用需求，但长距传输仍然面临诸多技术挑战。
面向数据中心间互联的中短距800G
受互联网业务流量特征影响，数据中心间的东西向流量持续增大，大量消耗带宽资源，相比于长距骨干传送网，虽然传输距离较短，但往往需要更高的单波速率。随着400G QPSK长距骨干传输技术的大规模商用部署，130GBd技术产业链快速成熟，通过将调制格式从QPSK改为PCS-16QAM，提升频谱效率，在核心光电器件不变的条件下可实现倍增的800G传输速率。800G PCS-16QAM的OSNR余量/代价测试如图1所示，测试结果发现，以N×22dB等跨G.652.D模型为基本评估对象，在采用“C6T+L6T”纯EDFA和满波配置的条件下，可实现11跨880km的极限传输距离；而在考虑5dB现网维护余量的情况下，实现了4跨320km的传输距离，可以覆盖数据中心间互联的中短距应用需求，技术能力基本成熟。
图1 800GPCS-16QAM的OSNR余量/代价测试
超高速多波段长距800G关键技术
从长距骨干传送网的发展历程来看，“传输距离不变，传输容量翻倍”是基本要求。从100G到400G，在频谱效率没有改善的情况下，通过将可用波段从C波段扩展至“C6T+L6T”波段，实现了单纤容量突破。而当单通道速率进一步提升至800G时，如何实现1000km以上长距传输，则成为重大的关键技术挑战。
实现长距1000km量级传输的首要关键技术为调制格式和波特率。从100G、400G两代代际性技术来看，QPSK以其对噪声的高容忍度成为优选方案，因此在长距800G传输中采用QPSK技术也将是优选方案。在此情况下，就需要将信号波特率从约130GBd提升至260GBd或以上。260GBd信号符号率意味着800G长距传输需要更大的通道间隔，可能要达到275GHz~300GHz，如果继续保持80波方案，则新系统的频谱总宽度将达到22THz~24THz，远远超出了当前的12THz“C6T+L6T”方案。
因此，采用约260GBd的相干光信号对调制器、接收机、AD/DA、Serdes等核心光电器件的带宽、适用波段都提出了更高的要求。以相干调制器为例，在40 0G QPSK时代，InP和硅光仍然是主流方案，均可以满足130GBd和“C6T+L6T”宽谱。面向约260GBd这一要求，调制器技术在波段可用性、信号符号率两方面的性能比较如图2所示。从带宽潜力来看，硅光难以支持超过200GBd的信号调制，InP具备向260GBd演进的潜力；从适用波段来看，InP仅能在C/L波段应用，而硅光具备O~L的超宽适用范围。因此，无论是InP还是硅光都难以支持长距800G技术演进。针对这一挑战，薄膜铌酸锂等新型材料因其具有更好的电光特性和更大的带宽潜力、波段适应性，在E~L多个波段内可实现超300GBd光信号调制，而更具有优势。
图2调制器技术在波段可用性、信号符号率两方面的性能比较
光纤的选择对实现长距1000km量级传输也至关重要，长距800G到底会在何种传输介质上进行规模部署？可以看到，400G时代已经处在了受非线性香农极限影响的性能增长放缓节点上，是否需要将G.652.D替换为非线性和损耗都更低的G.654.E曾经引发过激烈讨论。
前期已经有过一些对不同光纤类型下相同波特率的800G信号传输性能的分析研究，不同波特率的800G在G.652.D和G.654.E的传输距离仿真如图3所示。
可以发现，在180GBd核心光电器件条件下，采用纯掺杂光纤放大技术，受限于传输损耗、非线性和受激拉曼散射的影响，G.652.D满波传输距离仅能达到450km，而G.654.E能达到1200km。因此，可以认为在不改变当前根本的光纤技术体系的情况下，面向长距800G，G.652.D难以为继，而G.654.E或成为刚需。
图3不同波特率的800G在G.652.D（左）和G.654.E（右）上的传输距离仿真
同时也需要注意，G.654.E标准化较早，当时并未充分考虑长距800G应用的扩展性问题。一是目前ITU-T定义的G.654.E光纤截止波长为小于1530nm，在S波段以及C6T波段的短波段光纤不再具备理想单横模特性，由此产生的模间干扰将成为光通信系统的新型传输损伤，需要将截止波长延伸至1470nm；二是此前G.654.E光纤未进行消水峰处理，这将显著增大S波段传输损耗。因此，产业应该面向长距800G技术应用，进一步开展新型低损耗大有效模场面积光纤的截止波长定义、消水峰等特性及C波段外关键参数指标研究。
波段的进一步扩展也是实现长距1000km量级传输的关键。约260GBd需要22THz~24THz的可用频谱，比当前12THz“C6T+L6T”宽近一倍，需要进一步考虑扩展新波段的问题。同时更宽的频谱也意味着更强的受激拉曼散射（SRS），通道间的功率差将进一步增大。
在C/L波段外，近邻波段有S波段（1460nm—1520nm）和U波段（163 0 nm—1675nm），波段是否可用、好用，必须充分考虑光放大器的发展情况。在4 0 0 G Q PSK和“C6T+L6T”技术体系下，面向L波段的EDFA逐渐走向成熟，但长波长增益和噪声系数仍然较短波有约1.5dB~2.5dB的差异。通过SRS的功率转移，可以有效地补偿L波段EDFA长波长性能，总体上实现“C6T+L6T”宽谱范围内的性能平衡。而铒离子在C和L波段外无法实现光放大，需要采用其他的稀土元素来满足新波段的要求，如铥（S波段）、钕（E波段）、镨和镝（O波段）。目前，这些新波段的稀土元素掺杂光纤放大器技术仍不成熟，如稀土元素通常需要低声子能量的氟化物或者硫系玻璃作为基质，难以与普通石英光纤熔接。除稀土元素外，近年来铋作为一种多价元素，在多个波段，特别是在1150nm—1500nm和1600nm—1800nm范围内，可提供显著的放大增益，从而引发了国内外针对宽带光放大器的广泛研究。从当前进展来看，基于掺铋光纤的光放大器有望解决多波段光放大的技术难题，但仍需持续推进。
综合来看，长距800G在符号速率、调制格式、光纤、波段选择、光放大器等方面面临技术挑战。随着ITU-T在B1T方面的研究和高速客户侧模块速率的演进，1.6T可能是未来的发展方向。如果仍然沿用长距100G、400G和800G的演进思路，则符号速率将上升至约520GBd，可用频谱宽度需要达到44THz以上，类似摩尔定律在3nm以下已陷入瓶颈，高速光通信在Tbit/s以上是否也面临技术瓶颈是需要慎重考虑的一个重要命题。
颠覆性技术：反谐振空芯光纤
针对实芯石英光纤的性能边界问题，反谐振空芯光纤以空气替代实芯石英介质，采用反谐振反射机理，具备理论上的超低时延、超低损耗、超低非线性和超大通光带宽，是破解物理介质带来的通信性能瓶颈的潜在技术手段之一。
与“包层－纤芯”结构完全为石英玻璃的实芯单模光纤不同，空芯光纤的纤芯材料为空气，其主体结构由多个规则排列的均匀壁厚玻璃管构成，通过精准设计玻璃管壁（限制层）的厚度与玻璃管的位置和数量，构成F-P谐振腔类型的反谐振反射导光条件，实现光波模式向中央空气芯区域的汇聚。
由于光波几乎不与石英玻璃在空间上重叠，这一光学介质的变化带来了三项颠覆性有利特征：第一，空芯光纤中光速约为实芯普通单模光纤中的1.5倍，接近真空光速，可降低约1/3通信时延；第二，空芯光纤非线性系数相比实芯普通单模光纤可降低3个数量级；第三，空芯光纤理论衰减小于实芯普通单模光纤理论衰减极限。
目前，反谐振空芯光纤已经达到了小于0.1dB/km的超低损耗，并在700nm—2200nm的近红外波段实现了对实芯光纤损耗极限的全面突破。在通信系统方面，得益于超低非线性和超低背向瑞利散射，反谐振空芯光纤相较于实芯单模光纤，在相同的传输距离下可实现10倍的容量提升。目前，采用同波长单纤双向技术已经在空芯光纤上实现了超200Tbit/s的单纤单芯单模传输，并且国内外均已启动了空芯光纤的现网部署试点和示范验证。2024年，中国移动联合团队在广东省“深圳－东莞”开通首个800G空芯光纤传输技术试验网，实现铺设后光缆损耗0.6dB/km等多项核心技术指标，达国际一流水平。
然而，空芯光纤作为一项新兴技术，仍然存在诸多有待研究的内容。面向反谐振空芯光纤及其通信系统，未来应从光纤、系统、标准化等方面攻关：一是深入研究空芯光纤损耗物理损伤机制，以及千米级拉制中微纳精度复杂结构调控，攻关反谐振空芯光纤结构设计；二是从反谐振空芯光纤的全新关键参数特性出发，自下向上重构信道模型，研究匹配反谐振空芯光纤新型物理机制的光器件、光算法与光系统；三是突破反谐振空芯光纤大规模工业化制备难题，通过标准化进程引导方案归一，加快应用进展。
总的来说，面向超800G高速光传输关键技术的发展，中短距800G已经基本成熟，长距超800G的技术仍处在前瞻研究阶段，面临诸多技术挑战，需要持续体系化开展更高符号速率、更宽频谱的多波段系统技术研究。反谐振空芯光纤及其光通信系统是可能的颠覆性解决方案，需进一步探索光纤结构、制备工艺、传输模型、系统性能等关键技术。
