中国电信韦乐平：光通信发展的新趋势思考
发布时间：2023-10-11 09:10:58 热度：1033
10/11/2023，光纤在线讯，在“中国电信战新共链行动大会暨第三届科技节”之“面向云网融合的下一代光网络新技术论坛”上，中国电信集团科技委主任韦乐平发表主题演讲。
围绕T比特时代正在开启，IP层和光层融合技术的发展趋势，下一代新型光纤的发展与思考，光接入和驻地网技术的最新发展趋势，光器件的创新是关键，ChatGPT开创人工智能新时代，系统阐述了光通信发展的新趋势思考。
T比特时代正在开启
韦乐平表示，T比特DSP的商用实现了群体性突破，T比特光模块商用化可期，T比特级传输系统现场实验逐步开展，标志着T比特时代正在到来。
DSP方面，Acacia、NEL、Nokia、Infinera、Marvell的1.2Tbps DSP，预计2023年-2024年均可商用，Ciena的1.6Tbps DSP预计2024年可商用。光模块方面，Terabit BiDi MSA联盟同时发布基于100G通道和OM4多模光纤的800G和1.6T的数通产品，Coherent、旭创等发布了相关产品。传输网方面，国内外均有运营商开展了现网试验。
相干光通信的在网位置和适用速率一路下沉，占据80公里/100G速率以上的所有应用场景；主导40公里/400G速率，10公里/800G速率，2公里/1.6T速率场景；低功率相干光已迈向10公里/100G速率和40公里/100G速率场景。
相干光通信的技术进展包括DSP突破，集成化进展，低成本措施，新材料出现（如薄膜铌酸锂），封装架构创新（如光电共封）等。
目前，相干光通信已经成功应用于海缆、长途网、城域网、DCI，正渗透网络边缘、汇聚、5G回传、企事业网，试图突破5G前传、DCN、VHSP。
对于干线400G的主流方案，传输距离比容量更重要，因此QPSK（C6T）、QPSK（C6T+L6T）更适用干线网，对于16QAM-PS（C6T+L6T）更适用于区域网。
对于基于QPSK的80波400G干线系统的技术进展，400G相干光模块方面，分立C6T和L6T激光器可用；低噪声光纤放大器，分立C6T和L6T可用，长波长NF需改进；波长交换WSS，分立C6T和L6T均可用，C6T+L6T集成2024年可用；光系统，解决SRS，维系波道功率动态均衡，基本可行。
商用进展方面，韦乐平介绍，中国电信目前干线最大链路截面容量121T，用400G扩容可以节约15%—20%的宝贵光纤资源和大量转发器，100G资源2026年起逐步达到使用寿命。目前来看，2024年将实现试商用和商用，2025年实现规模商用，2026年大规模商用。
IP层和光层物理融合突破障碍
韦乐平介绍，IP层和光层融合的好处在于，消除了大量背靠背灰光和独立转发器，降低了功耗、尺寸、成本。统一了IP层和光层的管控和监视，实现了光层开放。具备了跨层全局视野，可望更有效地利用两层资源，规避无效恢复和冲突。简化了网络架构，易于维护，更快适应外部变化。
IP层和光层物理融合的障碍在于，目前路由器和光线路系统的对接靠后者的大量独立光转发器实现，随着速率的持续提高，这种分离方式的成本也越来越高。十几年前的集成努力由于DSP和光模块尺寸太大，导致牺牲路由器面板的端口容量，得不偿失，运营商不得不继续沿用分离的老办法。
随着硅、硅光和DSP技术的进展，目前能将DSP和硅光模块嵌入路由器标准端口（OSFP-DD），形成适用路由器和光线路系统的400G通用DCO光模块，实现尺寸、功耗、性能、成本和互操作突破。适用于多种网络边缘接入技术（企业应用、5G回传和中传、OLT、CMTS等）的低成本100ZR通用光模块（QSFP28）也即将推出。
韦乐平表示，目前IP层和光层融合技术主要应用于城域网，干线场景还有待突破。目前的主要挑战是多厂家环境跨层控制的标准化、互操作、利益格局的影响。另外，运营商面临自主开发私有管控规范的自研能力、时效、运维的挑战。
G.654E将是未来干线主用光纤
韦乐平表示，G.654E光纤将成为未来干线网的主用光纤。测试数据表明，对于速率将升级为400G的干线，G.654光纤可望提升距离60%—80%。
对于单纤空分复用，多芯光纤在兼容现有125μm包层前提下，仅能容纳3-4芯，扩容3-4倍，但包括制造工艺、检测、维护等产业链几乎需要重新设计和产业化。少模光纤靠大芯径容纳3—5个低阶模，制造容易，但面临高阶模高衰减、长距离传输模式耦合干扰以及复用/去复用器挑战。
另外，高密度大芯数光缆（多轨系统，一缆多纤）最简单易行，扩容潜力最大，但需要集成化系统的配合。
值得一提的是，韦乐平还看好空心光纤（HCF）。空芯光纤HCF）绝大部分信号功率走空气通道，时延低33%；非线性至少低3-4倍，入纤功率高，传输距离长，容量大，可望突破非线性香农容量极限。
同时，空心光纤潜在光纤损耗可望低于0.1dB/km、谱宽大（约40THz窗口，远大于常规光纤）、模场直径大（约20μm，高达40μm时仍无明显弯曲损耗增加）。
不过空芯光纤也面临着多项成本、多项标准化、仍涉及产业链重新设计和产业化等挑战。
对于空心光纤的应用场景，韦乐平介绍在特定低时延应用（超算、DCI、海缆等场景），以及非通信应用（传感、高功率传递、特殊光源）等都有广阔的应用空间。
FTTR-H目标1亿中高端家庭
光接入和驻地网的新发展趋势方面，接入带宽持续提升，目前全国宽带端口11.18亿，光宽占96.3%，千兆端口数达2144万，下一步50G PON，短期用于政企客户2B应用，长远冲击100G/200G PON。
在政策支持，竞争驱动，以及技术和生态基本成熟的驱动下，FTTR发展迅猛。韦乐平表示，初期将聚焦FTTR-H，也就是家庭场景，预计今年FTTR-H的用户超过1000万，长远目标是1亿中高端家庭，约500亿元市场规模。
目前FTTR还存在一些挑战，FTTR-H方面主从设备希望解耦，新业务应用不足；FTTR-B还有待培育。
网络的未来寄希望于光芯片创新
目前，全球运营商都面临着量收剪刀差的局面。韦乐平指出，降低量收剪刀差的关键是大幅降低网络成本，光通信成为降价最慢的领域，其中光器件是瓶颈的瓶颈，光芯片更是瓶颈的立方。原因在于，摩尔定律不适用以手工为主的光通信技术。
传输系统方面，一个80波400G QPSK码型的C6T+L6T波段的光传输系统，光器件成本大约占81%（含oDSP），800G和1.6T只会更高。
核心路由器方面，400G核心路由器，光器件成本占15%，随着容量提升，背板芯片互连、板卡互连都将光化，光域分量将继续增加。
光接入方面，随着技术进步和大规模集采，10G PON光模块成本占比下降至35%。未来50G PON、WDM-PON光模块成本占比会更高。
交换机方面，数据中心交换机的光模块成本增速很快，在400Gb/s速率，交换机的光模块成本已经超过交换机本身，高达50%。
光系统对于光器件的总体要求是：高速率、高集成、低功耗、低成本。韦乐平认为，光子集成（PIC）是主要突破方向，其中磷化铟（InP）是唯一的大规模单片集成技术，硅光（SiP）是最具潜力的突破方向，可以将电域的CMOS的投资、设施、经验和技术用在光域。
另外，基于硅光的光电共封（CPO）是进一步降低功耗、提升能效、提高速率，适应AI大模型算力基础设施发展的关键器件之一。
韦乐平总结道，网络的未来寄希望于光器件，特别是光芯片的技术创新。
ChatGPT近中期主要影响DCN
今年人工智能领域最火热的话题就是ChatGPT。这一类AIGC大模型训练可能需要在DC内为每个训练POD单独构建高速数据交换网平面。
目前来看主要的技术要求包括高带宽和低延迟/零丢包。高带宽方面，服务器内GPU间总线带宽达T比特级，服务器对外仅能提供200G×8的接入能力，是AI集群性能的瓶颈；服务器间组网，国外多采用IB，性能好，但技术封闭，国内倾向用无损以太网RoCE。
低延迟/零丢包方面，IB时延仅1us，而无损以太网RoCE在5到10us水平，尚需努力。此外，丢包对传输效率影响很大，需要近零丢包性能。
韦乐平表示，随着多模态视频到来，带宽将有数量级增长，届时对DCN和DCI的影响需重估，甚至跨群跨云的并行训练必将到来。
在韦乐平看来，近中期ChatGPT主要影响DCN，对DCI和电信网的影响不大，中长期光交换将是解决集群和跨群跨云训练性能和功耗的归宿。
另外在数据中心领域有两个讨论比较多创新技术，包括光电共封装CPO和线性直驱LPO，目前的争论也很多。
CPO技术的驱动力是随着传输速率提升，信号在铜箔电路板的传输损耗快速增加，唯有去掉铜线，才能维系速率的持续提升和功耗的大幅降低。不过，目前技术尚不成熟，良率不高，维护不方便，标准滞后，实际将复杂性转移至交换芯片，但其潜力大，最适合200Gb/s SerDes速率以上应用场景，是实现未来高速、高密度、低功耗光互连场景的中长期解决方案。
LPO的驱动力在于去掉光模块DSP芯片（大约占400G光模块的一半）可大幅降低功耗，将DSP功能集成到电交换芯片中，依然保持可热插拔模块的形态。可以在继续利用成熟光模块供应链前提下实现低功耗、低时延目的，但面临更高速率、更长距离传输的巨大挑战，当前的100Gb/s SerDes速率应用是近中期方案。
来源C114
围绕T比特时代正在开启，IP层和光层融合技术的发展趋势，下一代新型光纤的发展与思考，光接入和驻地网技术的最新发展趋势，光器件的创新是关键，ChatGPT开创人工智能新时代，系统阐述了光通信发展的新趋势思考。
T比特时代正在开启
韦乐平表示，T比特DSP的商用实现了群体性突破，T比特光模块商用化可期，T比特级传输系统现场实验逐步开展，标志着T比特时代正在到来。
DSP方面，Acacia、NEL、Nokia、Infinera、Marvell的1.2Tbps DSP，预计2023年-2024年均可商用，Ciena的1.6Tbps DSP预计2024年可商用。光模块方面，Terabit BiDi MSA联盟同时发布基于100G通道和OM4多模光纤的800G和1.6T的数通产品，Coherent、旭创等发布了相关产品。传输网方面，国内外均有运营商开展了现网试验。
相干光通信的在网位置和适用速率一路下沉，占据80公里/100G速率以上的所有应用场景；主导40公里/400G速率，10公里/800G速率，2公里/1.6T速率场景；低功率相干光已迈向10公里/100G速率和40公里/100G速率场景。
相干光通信的技术进展包括DSP突破，集成化进展，低成本措施，新材料出现（如薄膜铌酸锂），封装架构创新（如光电共封）等。
目前，相干光通信已经成功应用于海缆、长途网、城域网、DCI，正渗透网络边缘、汇聚、5G回传、企事业网，试图突破5G前传、DCN、VHSP。
对于干线400G的主流方案，传输距离比容量更重要，因此QPSK（C6T）、QPSK（C6T+L6T）更适用干线网，对于16QAM-PS（C6T+L6T）更适用于区域网。
对于基于QPSK的80波400G干线系统的技术进展，400G相干光模块方面，分立C6T和L6T激光器可用；低噪声光纤放大器，分立C6T和L6T可用，长波长NF需改进；波长交换WSS，分立C6T和L6T均可用，C6T+L6T集成2024年可用；光系统，解决SRS，维系波道功率动态均衡，基本可行。
商用进展方面，韦乐平介绍，中国电信目前干线最大链路截面容量121T，用400G扩容可以节约15%—20%的宝贵光纤资源和大量转发器，100G资源2026年起逐步达到使用寿命。目前来看，2024年将实现试商用和商用，2025年实现规模商用，2026年大规模商用。
IP层和光层物理融合突破障碍
韦乐平介绍，IP层和光层融合的好处在于，消除了大量背靠背灰光和独立转发器，降低了功耗、尺寸、成本。统一了IP层和光层的管控和监视，实现了光层开放。具备了跨层全局视野，可望更有效地利用两层资源，规避无效恢复和冲突。简化了网络架构，易于维护，更快适应外部变化。
IP层和光层物理融合的障碍在于，目前路由器和光线路系统的对接靠后者的大量独立光转发器实现，随着速率的持续提高，这种分离方式的成本也越来越高。十几年前的集成努力由于DSP和光模块尺寸太大，导致牺牲路由器面板的端口容量，得不偿失，运营商不得不继续沿用分离的老办法。
随着硅、硅光和DSP技术的进展，目前能将DSP和硅光模块嵌入路由器标准端口（OSFP-DD），形成适用路由器和光线路系统的400G通用DCO光模块，实现尺寸、功耗、性能、成本和互操作突破。适用于多种网络边缘接入技术（企业应用、5G回传和中传、OLT、CMTS等）的低成本100ZR通用光模块（QSFP28）也即将推出。
韦乐平表示，目前IP层和光层融合技术主要应用于城域网，干线场景还有待突破。目前的主要挑战是多厂家环境跨层控制的标准化、互操作、利益格局的影响。另外，运营商面临自主开发私有管控规范的自研能力、时效、运维的挑战。
G.654E将是未来干线主用光纤
韦乐平表示，G.654E光纤将成为未来干线网的主用光纤。测试数据表明，对于速率将升级为400G的干线，G.654光纤可望提升距离60%—80%。
对于单纤空分复用，多芯光纤在兼容现有125μm包层前提下，仅能容纳3-4芯，扩容3-4倍，但包括制造工艺、检测、维护等产业链几乎需要重新设计和产业化。少模光纤靠大芯径容纳3—5个低阶模，制造容易，但面临高阶模高衰减、长距离传输模式耦合干扰以及复用/去复用器挑战。
另外，高密度大芯数光缆（多轨系统，一缆多纤）最简单易行，扩容潜力最大，但需要集成化系统的配合。
值得一提的是，韦乐平还看好空心光纤（HCF）。空芯光纤HCF）绝大部分信号功率走空气通道，时延低33%；非线性至少低3-4倍，入纤功率高，传输距离长，容量大，可望突破非线性香农容量极限。
同时，空心光纤潜在光纤损耗可望低于0.1dB/km、谱宽大（约40THz窗口，远大于常规光纤）、模场直径大（约20μm，高达40μm时仍无明显弯曲损耗增加）。
不过空芯光纤也面临着多项成本、多项标准化、仍涉及产业链重新设计和产业化等挑战。
对于空心光纤的应用场景，韦乐平介绍在特定低时延应用（超算、DCI、海缆等场景），以及非通信应用（传感、高功率传递、特殊光源）等都有广阔的应用空间。
FTTR-H目标1亿中高端家庭
光接入和驻地网的新发展趋势方面，接入带宽持续提升，目前全国宽带端口11.18亿，光宽占96.3%，千兆端口数达2144万，下一步50G PON，短期用于政企客户2B应用，长远冲击100G/200G PON。
在政策支持，竞争驱动，以及技术和生态基本成熟的驱动下，FTTR发展迅猛。韦乐平表示，初期将聚焦FTTR-H，也就是家庭场景，预计今年FTTR-H的用户超过1000万，长远目标是1亿中高端家庭，约500亿元市场规模。
目前FTTR还存在一些挑战，FTTR-H方面主从设备希望解耦，新业务应用不足；FTTR-B还有待培育。
网络的未来寄希望于光芯片创新
目前，全球运营商都面临着量收剪刀差的局面。韦乐平指出，降低量收剪刀差的关键是大幅降低网络成本，光通信成为降价最慢的领域，其中光器件是瓶颈的瓶颈，光芯片更是瓶颈的立方。原因在于，摩尔定律不适用以手工为主的光通信技术。
传输系统方面，一个80波400G QPSK码型的C6T+L6T波段的光传输系统，光器件成本大约占81%（含oDSP），800G和1.6T只会更高。
核心路由器方面，400G核心路由器，光器件成本占15%，随着容量提升，背板芯片互连、板卡互连都将光化，光域分量将继续增加。
光接入方面，随着技术进步和大规模集采，10G PON光模块成本占比下降至35%。未来50G PON、WDM-PON光模块成本占比会更高。
交换机方面，数据中心交换机的光模块成本增速很快，在400Gb/s速率，交换机的光模块成本已经超过交换机本身，高达50%。
光系统对于光器件的总体要求是：高速率、高集成、低功耗、低成本。韦乐平认为，光子集成（PIC）是主要突破方向，其中磷化铟（InP）是唯一的大规模单片集成技术，硅光（SiP）是最具潜力的突破方向，可以将电域的CMOS的投资、设施、经验和技术用在光域。
另外，基于硅光的光电共封（CPO）是进一步降低功耗、提升能效、提高速率，适应AI大模型算力基础设施发展的关键器件之一。
韦乐平总结道，网络的未来寄希望于光器件，特别是光芯片的技术创新。
ChatGPT近中期主要影响DCN
今年人工智能领域最火热的话题就是ChatGPT。这一类AIGC大模型训练可能需要在DC内为每个训练POD单独构建高速数据交换网平面。
目前来看主要的技术要求包括高带宽和低延迟/零丢包。高带宽方面，服务器内GPU间总线带宽达T比特级，服务器对外仅能提供200G×8的接入能力，是AI集群性能的瓶颈；服务器间组网，国外多采用IB，性能好，但技术封闭，国内倾向用无损以太网RoCE。
低延迟/零丢包方面，IB时延仅1us，而无损以太网RoCE在5到10us水平，尚需努力。此外，丢包对传输效率影响很大，需要近零丢包性能。
韦乐平表示，随着多模态视频到来，带宽将有数量级增长，届时对DCN和DCI的影响需重估，甚至跨群跨云的并行训练必将到来。
在韦乐平看来，近中期ChatGPT主要影响DCN，对DCI和电信网的影响不大，中长期光交换将是解决集群和跨群跨云训练性能和功耗的归宿。
另外在数据中心领域有两个讨论比较多创新技术，包括光电共封装CPO和线性直驱LPO，目前的争论也很多。
CPO技术的驱动力是随着传输速率提升，信号在铜箔电路板的传输损耗快速增加，唯有去掉铜线，才能维系速率的持续提升和功耗的大幅降低。不过，目前技术尚不成熟，良率不高，维护不方便，标准滞后，实际将复杂性转移至交换芯片，但其潜力大，最适合200Gb/s SerDes速率以上应用场景，是实现未来高速、高密度、低功耗光互连场景的中长期解决方案。
LPO的驱动力在于去掉光模块DSP芯片（大约占400G光模块的一半）可大幅降低功耗，将DSP功能集成到电交换芯片中，依然保持可热插拔模块的形态。可以在继续利用成熟光模块供应链前提下实现低功耗、低时延目的，但面临更高速率、更长距离传输的巨大挑战，当前的100Gb/s SerDes速率应用是近中期方案。
来源C114
