Page 35 - 网络电信2024年9月刊

光通信
物理拓扑，对硬件故障和软件故障提供弹性修复，并实现物理
层设备之间的应用隔离。
总体来说，OCS技术未来将向两个方向发展。一是随着数
据中心内部规模的不断增长，时延、功耗等要求会不断提升。
OCS因其具有全光交换、光层透明等特征，将向着大端口、低
切换时间与低功耗演进，以配合代替Spine层，形成无需“光-
电-光”全过程、任意速率/格式/波长的全光交换。同时，继续
下沉至Leaf层，需要更低的切换时间、更低的成本与更少的端
口数，以提升系统的性能与效果。二是随着数据中心规模的增
大，线路的故障率也会有一定的提升，OCS可部署在数据中心多
层之间，并通过控制器构建全新的拓扑，以实现物理层设备的
应用隔离，提高大规模数据中心的可靠性。
面向分布式集群的数据中心之间光通信技术
分布式集群对带宽(容量)的需求日益增加，尤其是未来万
卡，甚至十万卡级别的智算中心间互联。目前通常采用波分复
用技术实现传输容量的提升，包括提高单波长速率与扩展传输
波段。
对于单波长速率的提升，当前单波长400Gbit/s已开始商用
部署，单波长800Gbit/s还处于发展阶段。按照单波长800Gbit/
s相干光模块的规格来划分，可分为两种：一种是基于90GBaud
左右的短距离800G模块，采用概率成型的双偏振64维正交幅度
调制(PS-PM-64QAM)，现网一般覆盖数据中心光互联；另一种是
基于130GBaud左右的城域800G模块，采用概率成型的双偏振16
维正交幅度调制(PS-PM-16QAM)。其中，第二种800G模块可通过
配置软件参数，实现覆盖数据中心应用的单波长1.2Tbit/s。
对于传输波段的扩展，当前扩展C波段与扩展L波段技术已
经开始商用部署，且传输的波段范围可高达12THz，结合单波长
400Gbit/s技术，可实现单根光纤32Tbit/s的容量。面向未来，
随着带宽需求的持续提升，S波段将是下一代波段扩展的热点方
向。然而，S波段的光纤放大器(如掺铥光纤放大器、TDFA)、收
发光器件还处于准备阶段。同时，“C+L+S”波段面临更加严重
的受激拉曼散射效应，因此需要进行深度的功率优化，提高多
波段的传输性能。此外，系统级的联合优化也是下一代多波段
传输的核心难点，包括入纤功率优化与预加载技术的引入，以
实现最大的链路吞吐量。
对于未来的分布式集群，考虑智算中心内单算卡的带宽为
200Gbit/s，那么一千卡、一万卡与两万卡的互联带宽分别为
100Tbit/s、1Pbit/s与2Pbit/s，不同配置下所需的光层数量如
表2所示。需要说明的是，这里的千卡互联是指收发两端各500
卡，万卡与两万卡同理；分析仅为体现光层配置对光层数量与
成本的影响，并未考虑带宽收敛技术，实际上数据中心会采用
表2 不同配置下数据中心集群所需的光层数量
56 网络电信 二零二四年十月
带宽收敛技术降低成本。在系统配置上，考虑400G采用PM-QPSK
调制、800G采用PS-PM-64QAM与PS-PM-16QAM两种调制、1.2T采
用PS-PM-64QAM调制，C波段、L波段、S波段与U波段谱宽均为
6THz。不难发现，最大带宽越大，所需的光层数量越少。
现以400G“C+L”与800G“C+L”(16-QAM)方案为例，详细
计算两种方案的成本。假设一块400G OTU(光转换单元)的成本
为1，一块800G OTU的成本约为1.2，“C+L”的ROADM(可重构光
分插复用)、OTM(光终端复用)电子架与光放等其他光层与电层
设备成本一致。考虑系统配置为4个跨段、两套OTM与ROADM、
三套光放，则一套400G“C+L”与一套800G“C+L”的成本比值
约为1﹕1.16。因此，在传输带宽相同的情况下，对于一万卡
与两万卡互联，800G“C+L”的成本仅为400G“C+L”的58%与
58.9%。由此可见，提高系统最大带宽不仅能有效降低光层数
量，还可以进一步降低整个系统的成本。
高速光通信系统需要高性能光模块的支持，相干光模块
的发展情况如图2所示。当前，相干光模块的波特率已实现
130GBaud，正在加速向200GBaud演进。对于130GBaud，目前大
多数主流厂商均可实现。对于200GBaud，预计基于3nm工艺采
用约190GBaud PM-PS-16QAM实现单波长800Gbit/s DSP芯片，
有望覆盖城域或长距离应用场景；或者基于2nm工艺采用约
240GBaud～270GBaud PM-QPSK实现单波长800Gbit/s DSP芯片，
有望覆盖长距离应用场景。
图2 相干光模块的发展情况
目前，800G相干光模块存在可插拔与固定两种形态；1.2T
相干光模块仅有固定形态，可插拔产品目前业界没有明确的方
向；对于1.6T相干光模块，预计2024年底固定形态产品将发
布，可插拔形态产品在2025年或之后发布。
在相干光模块的光芯片材料方面，目前主流的材料有薄膜
铌酸锂、铟磷与硅光三种。三种材料因特性的不同，在选择上
也有区别，光芯片材料特性对比如表3所示。硅光材料可支持
“C+L”波段工作，成本低且集成度高，因而成为目前可插拔模
块的主流选择，但面向下一代超200GBaud仍存在技术挑战。因
此，应考虑采用具有大带宽优势的薄膜铌酸锂材料，推动长距
离骨干网以及超高速传输应用。然而，受限于材料的特性，薄
膜铌酸锂仅可用于调制。而铟磷材料的理论调制带宽比硅光更
大，模块出光功率也更高，具备更好的传输性能；但其封装较
为复杂，且单芯片仅支持单波段工作。总体来说，需综合考虑
应用场景、材料特性、成本与集成度等因素，选择合适的技术方案。
未来，相干光模块将向着高集成度、小型化、低功耗的方
向发展，产业各方需进一步优化材料的性能、模块的设计以及