算力作为数字经济核心生产力的重要构成,其关键能力释放离不开通信网络的有效支撑。光通信网络作为信息基础设施重要组成和关键承载底座,主要承担着“信息高速公路”和“信息高铁”的角色。随着产业数字化转型不断深入,算力应用需求呈现出超大带宽、低时延、灵活连接、低能耗等特征,光通信网络将聚焦超大容量传输、全光组网、开放自智、光子集成等热点技术革新发展,协同增强网络运力,助力数字经济加速发展。

超大容量传输多维创新,800Gbit/s研究试用有序推

如何以技术革新来提升传输容量一直是业界研究的重点,其中典型方式包括提升单通路速率、扩展传输频带宽度、增加复用维度、采用新型传输介质等。

从提升单通路速率来看,目前整体上400Gbit/s速率相关应用逐步提速,800Gbit/s速率研究和试用积极推动,面向超800Gbit/s速率的研究也在持续开展。IEEE、OIF、ITU-T、IPEC、CCSA等主要标准化组织竞相开展标准制定工作。

从扩展传输频带宽度来看,除了扩展C波段可用传输频带之外,面向C+L扩展的产业应用,以及S+C+L等拓展的学术研究也在加快推动,主要涉及光放大器性能、非线性效应均衡、光层器件适配能力等关键问题,预计未来3~5年上述方式将成为潜在可行的扩容方式。

从增加复用维度来看,基于少模复用、多芯复用、少模+多芯复用等方式的研究持续开展,除了海缆系统部分采用多芯复用技术之外,其他整体处于实验室研究或现网应用探索阶段,例如ECOC在2022年9月报道了日本NICT等公司开展基于15个模式、最远48km传输距离的现网试验,但产业应用尚待时日。

从采用新型传输介质来看,超低损耗光纤、空芯光纤等成为业界主要的关注对象,其中前者已在干线网络规模商用,而尚处实验研究阶段的空芯光纤因具备大带宽、低时延、低非线性效应等多种优势,潜在应用前景备受关注。

总体来看,为满足算力时代不断涌现的海量高宽带应用需求,业界未来将聚焦多维路径,持续探索超大容量传输技术的创新与应用。

全光组网优势渐显,业界加快部署节奏

全光网络因具备低时延、低能耗和大宽带等关键特性,在金融交易、生产控制等诸多广域偏实时、交互型计算业务领域的潜在优势逐步显现。但是受限于光信息处理和信号传输的实际能力,目前仍无法实现全网范畴均以全光方式进行组网,只能根据光信号的实际传输能力,基于ROADM/OXC等节点和波长通路调度技术实现分区域部署,并已在干线得到规模应用;而基于光域分组交换等组网机制,因受光域信号处理、光存储等限制,目前仍处于关键技术攻关及原型应用探索阶段,近几年未有明显突破。

从产业应用角度来看,目前业界更关注基于光波长通路交叉技术的逐步革新,如更多的交叉维度,如端口维度从32升级到48、64甚至更高;或者支持更宽的频谱宽度调度,如C+L、S+C+L等;以及支持更高的传输速率,如400Gbit/s、800Gbit/s以及更高速率等;此外还包括基于不同传输波段的交叉技术研究,以及面向数据中心的全光交叉应用探索等。

国内三大电信运营商高度关注全光网络发展,近几年相继提出相关计划或组网方案,如中国电信的全光网2.0、中国移动的光电联动全光网、中国联通的算力时代全光底座等。

总体来看,受算力时代业务发展新特点和新需求等驱动,未来全光网络部署节奏将持续加快。

开放自智特性关注度提升,智能化分级测评逐步开展

光网络除具备超大容量、可靠传输能力之外,面对基于云网协同、算网融合等诸多新型业务的承载特性,其自身的灵活应用创新需求凸显,与此相关的开放自智特性引起业界高度关注。

在开放性方面,除引入SDN架构等优化组网模型、规范标准化南北向管控接口和设备物理接口以支持开放解耦特性之外,光网络设备本身的解耦或者分解也成为业界关注的对象,如光转发单元、无源合分波单元、光放大单元等是否可标准化分解等。鉴于开放解耦涉及网络应用创新、运维模式、综合成本、产业发展竞争及利益博弈等多种交叉因素,业界对于其未来发展应用模式和部署节奏尚未达成共识,目前重点聚焦在城域接入层、数据中心互联(DCI)等探索应用,如中国电信、中国联通近期启动了基于DCI的开放式WDM设备的招标等。

在自智特性方面,人工智能(AI)技术引入之后,光网络架构接口、智能分级和数据模型规范等成为关注重点。其中架构接口主要涉及AI功能模块与现有管控系统、设备网元及上层运营系统等之间的互动关系和交互接口;智能分级涉及面向应用场景、网络运营、网络设备等不同元素的智能化等级区分等;模型规范涉及数据模型、数据采集、数据质量等模型及表征参量的规范构建等。目前国内已启动了光网络智能化分级和测评工作,同时在CCSA TC6、TC7和TC610等标准工作组设立了多个标准类研究课题和项目,初步完成了智能分级评估方案,并积极开展评测工作。

总体而言,作为偏向应用创新的技术方向,光网络开放智能特性尚处发展初期,未来发展节奏有待业界综合评估、按需推动。

光模块集成形态革新演进,硅光应用潜力巨大

光模块是数据中心、光通信网络等信息基础设施实现数据传输的基础必需单元,也是光子集成技术应用的典型对象。伴随着接口信号速率、交换机交换容量等逐步提升,一些挑战开始出现。如当交换机容量达到51.2Tbit/s及以上时,接口将出现800Gbit/s及以上速率需求,可插拔式光模块在系统集成度、功耗等方面面临挑战,如何进一步优化光模块及适配设备的集成度、能耗和成本等成为关注的热点。

针对该问题,目前业界主要围绕两个维度寻求解决方案:一是持续探索可插拔光模块及设备整体架构的新技术途径,进一步提升集成度并降低能耗;二是尽可能压缩光模块和交换机等设备的芯片间电域信号传输距离,典型的实现方式如板上光学(OBO)和光电合封(CPO)等。两种方式的共性是设备面板直接出光,典型的差异是板内设备芯片与光模块组件的集成形态不同,其中OBO将两者放置在共同PCB板上,而CPO则将两者直接共同封装在一起,以进一步提升集成度并降低能耗。

近两年在OFC/ECOC等国际光通信顶级会议上,除了基于OSFP、QSFP-DD800等不同封装的可插拔800Gbit/s光模块不断亮相之外,CPO模块封装形式同样成为关注热点,Intel、Broadcom、Ranovus、Scintil Photonics、Molex等公司展示了基于CPO形态的不同产品或技术方案,国内主流光模块厂商积极跟进,OIF、IPEC、CCSA等标准化组织也已启动相关标准规范工作。

鉴于硅光技术具有高集成度、高速率,以及与现有COMS工艺兼容性好等特性,目前公开的CPO产品主要基于硅光技术实现。业界一致看好硅光未来发展潜力,预计将与III-V族半导体集成技术并存发展,中国信通院也联合上海新微、中科光芯、中兴光电子等单位基于专项支持构建了面向5G的光电子芯片与器件技术公共服务平台,主要开展硅光、III-V族激光器等基础工艺和检测验证等共性技术研究,并提供公共服务。

总体来看,未来几年800Gbit/s及以上速率光模块将以可插拔和CPO两种形态并存发展,基于CPO的应用占比预计将逐步提升,其中硅光是关键支撑技术之一。

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