算力時(shí)代光通信熱點(diǎn)技術(shù)及發(fā)展探討

  ICC訊 算力作為數字經(jīng)濟核心生產(chǎn)力的重要構成，其關(guān)鍵能力釋放離不開(kāi)通信網(wǎng)絡(luò )的有效支撐。光通信網(wǎng)絡(luò )作為信息基礎設施重要組成和關(guān)鍵承載底座，主要承擔著(zhù)“信息高速公路”和“信息高鐵”的角色。隨著(zhù)產(chǎn)業(yè)數字化轉型不斷深入，算力應用需求呈現出超大帶寬、低時(shí)延、靈活連接、低能耗等特征，光通信網(wǎng)絡(luò )將聚焦超大容量傳輸、全光組網(wǎng)、開(kāi)放自智、光子集成等熱點(diǎn)技術(shù)革新發(fā)展，協(xié)同增強網(wǎng)絡(luò )運力，助力數字經(jīng)濟加速發(fā)展。

  超大容量傳輸多維創(chuàng )新，800Gbit/s研究試用有序推進(jìn)

  如何以技術(shù)革新來(lái)提升傳輸容量一直是業(yè)界研究的重點(diǎn)，其中典型方式包括提升單通路速率、擴展傳輸頻帶寬度、增加復用維度、采用新型傳輸介質(zhì)等。

  從提升單通路速率來(lái)看，目前整體上400Gbit/s速率相關(guān)應用逐步提速，800Gbit/s速率研究和試用積極推動(dòng)，面向超800Gbit/s速率的研究也在持續開(kāi)展。IEEE、OIF、ITU-T、IPEC、CCSA等主要標準化組織競相開(kāi)展標準制定工作。

  從擴展傳輸頻帶寬度來(lái)看，除了擴展C波段可用傳輸頻帶之外，面向C+L擴展的產(chǎn)業(yè)應用，以及S+C+L等拓展的學(xué)術(shù)研究也在加快推動(dòng)，主要涉及光放大器性能、非線(xiàn)性效應均衡、光層器件適配能力等關(guān)鍵問(wèn)題，預計未來(lái)3～5年上述方式將成為潛在可行的擴容方式。

  從增加復用維度來(lái)看，基于少模復用、多芯復用、少模+多芯復用等方式的研究持續開(kāi)展，除了海纜系統部分采用多芯復用技術(shù)之外，其他整體處于實(shí)驗室研究或現網(wǎng)應用探索階段，例如ECOC在2022年9月報道了日本NICT等公司開(kāi)展基于15個(gè)模式、最遠48km傳輸距離的現網(wǎng)試驗，但產(chǎn)業(yè)應用尚待時(shí)日。

  從采用新型傳輸介質(zhì)來(lái)看，超低損耗光纖、空芯光纖等成為業(yè)界主要的關(guān)注對象，其中前者已在干線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )規模商用，而尚處實(shí)驗研究階段的空芯光纖因具備大帶寬、低時(shí)延、低非線(xiàn)性效應等多種優(yōu)勢，潛在應用前景備受關(guān)注。

  總體來(lái)看，為滿(mǎn)足算力時(shí)代不斷涌現的海量高寬帶應用需求，業(yè)界未來(lái)將聚焦多維路徑，持續探索超大容量傳輸技術(shù)的創(chuàng )新與應用。

  全光組網(wǎng)優(yōu)勢漸顯，業(yè)界加快部署節奏

  全光網(wǎng)絡(luò )因具備低時(shí)延、低能耗和大寬帶等關(guān)鍵特性，在金融交易、生產(chǎn)控制等諸多廣域偏實(shí)時(shí)、交互型計算業(yè)務(wù)領(lǐng)域的潛在優(yōu)勢逐步顯現。但是受限于光信息處理和信號傳輸的實(shí)際能力，目前仍無(wú)法實(shí)現全網(wǎng)范疇均以全光方式進(jìn)行組網(wǎng)，只能根據光信號的實(shí)際傳輸能力，基于ROADM/OXC等節點(diǎn)和波長(cháng)通路調度技術(shù)實(shí)現分區域部署，并已在干線(xiàn)得到規模應用;而基于光域分組交換等組網(wǎng)機制，因受光域信號處理、光存儲等限制，目前仍處于關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)及原型應用探索階段，近幾年未有明顯突破。

  從產(chǎn)業(yè)應用角度來(lái)看，目前業(yè)界更關(guān)注基于光波長(cháng)通路交叉技術(shù)的逐步革新，如更多的交叉維度，如端口維度從32升級到48、64甚至更高;或者支持更寬的頻譜寬度調度，如C+L、S+C+L等;以及支持更高的傳輸速率，如400Gbit/s、800Gbit/s以及更高速率等;此外還包括基于不同傳輸波段的交叉技術(shù)研究，以及面向數據中心的全光交叉應用探索等。

  國內三大電信運營(yíng)商高度關(guān)注全光網(wǎng)絡(luò )發(fā)展，近幾年相繼提出相關(guān)計劃或組網(wǎng)方案，如中國電信的全光網(wǎng)2.0、中國移動(dòng)的光電聯(lián)動(dòng)全光網(wǎng)、中國聯(lián)通的算力時(shí)代全光底座等。

  總體來(lái)看，受算力時(shí)代業(yè)務(wù)發(fā)展新特點(diǎn)和新需求等驅動(dòng)，未來(lái)全光網(wǎng)絡(luò )部署節奏將持續加快。

  開(kāi)放自智特性關(guān)注度提升，智能化分級測評逐步開(kāi)展

  光網(wǎng)絡(luò )除具備超大容量、可靠傳輸能力之外，面對基于云網(wǎng)協(xié)同、算網(wǎng)融合等諸多新型業(yè)務(wù)的承載特性，其自身的靈活應用創(chuàng )新需求凸顯，與此相關(guān)的開(kāi)放自智特性引起業(yè)界高度關(guān)注。

  在開(kāi)放性方面，除引入SDN架構等優(yōu)化組網(wǎng)模型、規范標準化南北向管控接口和設備物理接口以支持開(kāi)放解耦特性之外，光網(wǎng)絡(luò )設備本身的解耦或者分解也成為業(yè)界關(guān)注的對象，如光轉發(fā)單元、無(wú)源合分波單元、光放大單元等是否可標準化分解等。鑒于開(kāi)放解耦涉及網(wǎng)絡(luò )應用創(chuàng )新、運維模式、綜合成本、產(chǎn)業(yè)發(fā)展競爭及利益博弈等多種交叉因素，業(yè)界對于其未來(lái)發(fā)展應用模式和部署節奏尚未達成共識，目前重點(diǎn)聚焦在城域接入層、數據中心互聯(lián)(DCI)等探索應用，如中國電信、中國聯(lián)通近期啟動(dòng)了基于DCI的開(kāi)放式WDM設備的招標等。

  在自智特性方面，人工智能(AI)技術(shù)引入之后，光網(wǎng)絡(luò )架構接口、智能分級和數據模型規范等成為關(guān)注重點(diǎn)。其中架構接口主要涉及AI功能模塊與現有管控系統、設備網(wǎng)元及上層運營(yíng)系統等之間的互動(dòng)關(guān)系和交互接口;智能分級涉及面向應用場(chǎng)景、網(wǎng)絡(luò )運營(yíng)、網(wǎng)絡(luò )設備等不同元素的智能化等級區分等;模型規范涉及數據模型、數據采集、數據質(zhì)量等模型及表征參量的規范構建等。目前國內已啟動(dòng)了光網(wǎng)絡(luò )智能化分級和測評工作，同時(shí)在CCSA TC6、TC7和TC610等標準工作組設立了多個(gè)標準類(lèi)研究課題和項目，初步完成了智能分級評估方案，并積極開(kāi)展評測工作。

  總體而言，作為偏向應用創(chuàng )新的技術(shù)方向，光網(wǎng)絡(luò )開(kāi)放智能特性尚處發(fā)展初期，未來(lái)發(fā)展節奏有待業(yè)界綜合評估、按需推動(dòng)。

  光模塊集成形態(tài)革新演進(jìn)，硅光應用潛力巨大

  光模塊是數據中心、光通信網(wǎng)絡(luò )等信息基礎設施實(shí)現數據傳輸的基礎必需單元，也是光子集成技術(shù)應用的典型對象。伴隨著(zhù)接口信號速率、交換機交換容量等逐步提升，一些挑戰開(kāi)始出現。如當交換機容量達到51.2Tbit/s及以上時(shí)，接口將出現800Gbit/s及以上速率需求，可插拔式光模塊在系統集成度、功耗等方面面臨挑戰，如何進(jìn)一步優(yōu)化光模塊及適配設備的集成度、能耗和成本等成為關(guān)注的熱點(diǎn)。

  針對該問(wèn)題，目前業(yè)界主要圍繞兩個(gè)維度尋求解決方案：一是持續探索可插拔光模塊及設備整體架構的新技術(shù)途徑，進(jìn)一步提升集成度并降低能耗;二是盡可能壓縮光模塊和交換機等設備的芯片間電域信號傳輸距離，典型的實(shí)現方式如板上光學(xué)(OBO)和光電合封(CPO)等。兩種方式的共性是設備面板直接出光，典型的差異是板內設備芯片與光模塊組件的集成形態(tài)不同，其中OBO將兩者放置在共同PCB板上，而CPO則將兩者直接共同封裝在一起，以進(jìn)一步提升集成度并降低能耗。

  近兩年在OFC/ECOC等國際光通信頂級會(huì )議上，除了基于OSFP、QSFP-DD800等不同封裝的可插拔800Gbit/s光模塊不斷亮相之外，CPO模塊封裝形式同樣成為關(guān)注熱點(diǎn)，Intel、Broadcom、Ranovus、Scintil Photonics、Molex等公司展示了基于CPO形態(tài)的不同產(chǎn)品或技術(shù)方案，國內主流光模塊廠(chǎng)商積極跟進(jìn)，OIF、IPEC、CCSA等標準化組織也已啟動(dòng)相關(guān)標準規范工作。

  鑒于硅光技術(shù)具有高集成度、高速率，以及與現有COMS工藝兼容性好等特性，目前公開(kāi)的CPO產(chǎn)品主要基于硅光技術(shù)實(shí)現。業(yè)界一致看好硅光未來(lái)發(fā)展潛力，預計將與III-V族半導體集成技術(shù)并存發(fā)展，中國信通院也聯(lián)合上海新微、中科光芯、中興光電子等單位基于專(zhuān)項支持構建了面向5G的光電子芯片與器件技術(shù)公共服務(wù)平臺，主要開(kāi)展硅光、III-V族激光器等基礎工藝和檢測驗證等共性技術(shù)研究，并提供公共服務(wù)。

  總體來(lái)看，未來(lái)幾年800Gbit/s及以上速率光模塊將以可插拔和CPO兩種形態(tài)并存發(fā)展，基于CPO的應用占比預計將逐步提升，其中硅光是關(guān)鍵支撐技術(shù)之一。