T比特空芯光纖光傳輸系統(tǒng)應(yīng)用展望

  近兩年生成式AI大模型驅(qū)動(dòng)算力需求倍增，光網(wǎng)作為算力設(shè)施基石，繼續(xù)向低時(shí)延、大帶寬、超長(zhǎng)距演進(jìn)。過(guò)去的50年，基于全內(nèi)反射原理的實(shí)芯單模光纖的光纖通信系統(tǒng)受光纖折射率、損耗、非線性效應(yīng)限制，通信時(shí)延、單纖容量、傳輸距離均已觸及技術(shù)發(fā)展的天花板，亟需全新光纖體系破局。

  反諧振空芯光纖因其超低時(shí)延、超低損耗、超低非線性三大顛覆特性，被業(yè)內(nèi)譽(yù)為“新一代傳輸介質(zhì)”，近1年來(lái)發(fā)展迅速。該技術(shù)自2007年巴斯大學(xué)提出以來(lái)，經(jīng)歷了多輪結(jié)構(gòu)演變，2022年，英國(guó)南安普頓大學(xué)ORC中心的空芯光纖小組優(yōu)化得到最低損耗達(dá)0.174dB/km的5單元雙層嵌套管空芯光纖（DNANF-5），并于2024年和微軟公司進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了損耗系數(shù)達(dá)0.08±0.03 dB/km的DNANF-5；同年國(guó)內(nèi)長(zhǎng)飛光纖、領(lǐng)纖科技也相繼報(bào)道了損耗0.1dB/km級(jí)并具備單次拉絲長(zhǎng)度10km級(jí)的成果。至此，反諧振空芯光纖在損耗上超越了實(shí)芯單模光纖，空芯光纖降損突破已基本完成。

  空芯光纖特性與應(yīng)用解析

  空芯光纖憑借超低時(shí)延、超低損耗、超低非線性三大顛覆特性，在光傳輸諸多應(yīng)用場(chǎng)景有望帶來(lái)低時(shí)延、可靠性、降低組網(wǎng)成本等應(yīng)用價(jià)值，預(yù)計(jì)在低時(shí)延智算間互連、低時(shí)延金融高頻交易、電力低時(shí)延繼保業(yè)務(wù)、超長(zhǎng)距組網(wǎng)以及下一代T比特超高速長(zhǎng)距光傳輸系統(tǒng)中有廣泛應(yīng)用，在多個(gè)性能指標(biāo)中相比單模光纖改進(jìn)顯著。

  超低時(shí)延特性與應(yīng)用

  在空芯光纖中光傳輸介質(zhì)由玻璃轉(zhuǎn)為空氣，傳輸速度由2×108提升至光速，相比單模光纖時(shí)延降低30%，即每公里帶來(lái)1.5μs的時(shí)延收益。在智算互連場(chǎng)景中，在開(kāi)展跨智算集群分布式協(xié)同訓(xùn)練數(shù)據(jù)并行DP、流水線并行PP時(shí)，參考業(yè)界的智算拉遠(yuǎn)測(cè)試驗(yàn)證，通信時(shí)延并不能通過(guò)優(yōu)化算法完全掩蓋，導(dǎo)致算效劣化，而空芯光纖帶來(lái)的時(shí)延節(jié)省，可緩解因時(shí)延導(dǎo)致的算力資源浪費(fèi)，為大規(guī)模智算集群的高效協(xié)同提供物理層的關(guān)鍵支撐。在金融高頻交易場(chǎng)景中，為最大程度降低通信時(shí)延，券商們盡可能將服務(wù)器安置在交易所內(nèi)，但仍有大量服務(wù)器無(wú)法就近部署，空芯光纖及配套設(shè)備無(wú)疑將引發(fā)新一代金融專(zhuān)線升級(jí)。自2020年以來(lái)，國(guó)外已鋪設(shè)至少兩條反諧振空芯光纜用于建設(shè)金融專(zhuān)線，2024年底，微軟宣稱(chēng)將在未來(lái)24個(gè)月部署15000km空芯光纖用于其數(shù)據(jù)中心互連以及AI大模型訓(xùn)練。在電力行業(yè)，高壓輸電需要在繼電保護(hù)裝置間同步差動(dòng)保護(hù)信息，行業(yè)一般約束單向傳輸時(shí)延≤10ms，以滿足繼電保護(hù)速動(dòng)性要求，空芯光纖有效降低鏈路時(shí)延，保證超長(zhǎng)距輸電繼電保護(hù)故障處置響應(yīng)時(shí)間。

  超低損耗特性與應(yīng)用

  實(shí)芯單模光纖受瑞利散射限制，損耗難以突破0.14dB/km，而反諧振空芯光纖國(guó)內(nèi)外均已實(shí)現(xiàn)0.1dB/km級(jí)別超低損耗系數(shù)，并在國(guó)內(nèi)多地成纜后C波段4THz內(nèi)平均損耗可保證0.15dB/km水平。在中長(zhǎng)距骨干城域傳輸場(chǎng)景，相比G.652D光纖，空芯光纖的損耗系數(shù)優(yōu)化0.05dB/km，按標(biāo)準(zhǔn)等跨80km模型，將帶來(lái)4dB信噪比優(yōu)化，可顛覆性提升傳輸距離/余量，減少中繼數(shù)，帶來(lái)組網(wǎng)成本和轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延降低。在電力超長(zhǎng)距傳輸場(chǎng)景，同樣300km單跨傳輸，空芯光纖可帶來(lái)近15dB收益，從而降低電力超長(zhǎng)距骨干組網(wǎng)成本。

  超低非線性特性與應(yīng)用

  空芯光纖非線性系數(shù)相比實(shí)芯普通單模光纖可降低3~4個(gè)數(shù)量級(jí)，消除了光纖通信系統(tǒng)與香農(nóng)限間的非線性瓶頸，由此可使用大功率傳輸高階QAM信號(hào)，用功率換取接收端的信噪比提升。另一方面，單模光纖波段擴(kuò)展導(dǎo)致的拉曼功率轉(zhuǎn)移問(wèn)題在空芯光纖中也將不再是約束，理論上空芯光纖可支持超寬帶密集波分復(fù)用。經(jīng)評(píng)估在長(zhǎng)距傳輸場(chǎng)景，空芯光纖相比單模光纖可提升傳輸容量2~3倍。在中長(zhǎng)距骨干城域場(chǎng)景，單模G.652光纖長(zhǎng)距干線傳輸需要400G QPSK 130+GBd配置在GHz頻譜間隔，而空芯光纖中可使用3倍譜效的1.2T 64QAM再結(jié)合大功率放大器配置，依然可實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距傳輸，由此實(shí)現(xiàn)光層簡(jiǎn)化、降低組網(wǎng)成本。面向下一代Gen200+光傳輸，利用空芯光纖超低非線性特性，使用大功率光放可使1.6T PS-64QAM具備長(zhǎng)距傳輸能力，其傳輸距離相比單模光纖提升近10倍。

  中興通訊空芯光纖光傳輸系統(tǒng)應(yīng)用探索

  2023年，中興通訊聯(lián)合中國(guó)移動(dòng)研究院提出了一種基于高階QAM傳輸產(chǎn)生非線性相移的非線性系數(shù)測(cè)量方案，并使用大功率光放大器放大400G 64QAM信號(hào)在1km空芯光纖中傳輸成功驗(yàn)證空芯光纖Kerr非線性系數(shù)小于單模光纖3個(gè)數(shù)量級(jí)。

  2024年，隨著空芯光纖損耗、單次拉絲長(zhǎng)度顯著提升，中興通訊聯(lián)合長(zhǎng)飛公司首次演示了單波入纖功率達(dá)到3W的1.2T PS-64QAM在20km反諧振空芯光纖中無(wú)代價(jià)傳輸，同時(shí)也證明了空芯光纖中極低的拉曼功率轉(zhuǎn)移，為超高速、超寬帶大容量傳輸系統(tǒng)應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

  自2024年5月，中國(guó)移動(dòng)、中國(guó)電信先后在國(guó)內(nèi)鋪設(shè)空芯光纜，中興通訊聯(lián)合中國(guó)電信在其杭州智算中心和杭州分公司義橋IDC數(shù)據(jù)中心間鋪設(shè)了10.4km2芯空芯光纖，通過(guò)光纖環(huán)回，演示了首個(gè)C+L波段單波1.2T與800G混合速率，單纖容量超100Tbps的超低時(shí)延數(shù)據(jù)中心互連。

  同年9月，中興通訊聯(lián)合中國(guó)移動(dòng)在其無(wú)錫梨園和蘇南數(shù)據(jù)中心間，演示了國(guó)內(nèi)首個(gè)超低損耗（最低損耗達(dá)0.13dB/km）空芯光纜C+L波段800G傳輸性能，并在現(xiàn)網(wǎng)發(fā)現(xiàn)CO2氣體吸收工程問(wèn)題，該問(wèn)題目前也成為業(yè)內(nèi)公認(rèn)空芯光纖應(yīng)用亟待解決的關(guān)鍵問(wèn)題之一。

  為進(jìn)一步探索空芯光纖在大容量、長(zhǎng)距傳輸方面的潛力，中興通訊先后在實(shí)驗(yàn)室開(kāi)展了空芯光纖S+C+L波段100km單纖雙向377.6T超大容量傳輸，將當(dāng)前單纖容量紀(jì)錄提升了超過(guò)1.5倍。具體而言，利用自研硅光外腔nano封裝的大功率S波段可調(diào)諧激光器極大改善S波段發(fā)射端光信噪比以及接收機(jī)靈敏度，采用Flex Shaping算法針對(duì)信道特性選擇波特率、傳輸碼型和信道間隔，在C波段配置85GBd PS-144QAM放在87.5GHz柵格，L波段配置98GBd PS-144QAM放在100GHz柵格并在S波段配置49GBd PS-144QAM放在50GHz柵格內(nèi)。進(jìn)一步為改進(jìn)濾波以及器件帶寬問(wèn)題，使用光域均衡光譜整形算法進(jìn)行補(bǔ)償，最終達(dá)成了指標(biāo)。在長(zhǎng)距傳輸能力方面，在實(shí)驗(yàn)室演示了單波>1Tbps傳輸距離超10000km空芯光纖長(zhǎng)距傳輸世界紀(jì)錄，相比同速率下單模光纖傳輸距離提升至少10倍。這里正是利用空芯光纖超低非線性特性，采用大入纖功率提升傳輸后信噪比的結(jié)果，在超長(zhǎng)距傳輸過(guò)程中的模間干擾效應(yīng)、帶內(nèi)不平坦效應(yīng)以及濾波效應(yīng)也將突顯，針對(duì)這些問(wèn)題中興通訊也分別做了空芯光纖指標(biāo)擇優(yōu)和算法擇優(yōu)工作。由此可見(jiàn)，高階QAM調(diào)制、大功率光放大器以及信道損傷補(bǔ)償算法在釋放空芯光纖系統(tǒng)傳輸能力方面尤為重要，中興通訊正在積極開(kāi)展上述器件與算法的研究，重點(diǎn)評(píng)估工程應(yīng)用所需指標(biāo)的可行性與必要性。

  空芯光纖應(yīng)用挑戰(zhàn)與展望

  盡管空芯光纖幾乎在關(guān)鍵參數(shù)上全面優(yōu)于實(shí)芯單模光纖，但距離商用仍有大量的問(wèn)題有待解決?？招竟饫w內(nèi)氣體例如CO2和水汽均會(huì)在特定頻點(diǎn)產(chǎn)生寬度、分布不均的氣體吸收特征峰，當(dāng)業(yè)務(wù)光傳輸時(shí)頻譜會(huì)產(chǎn)生“凹坑”，對(duì)信號(hào)調(diào)制解調(diào)以及時(shí)鐘穩(wěn)定性產(chǎn)生極大影響，限制了波分復(fù)用頻譜可使用范圍（見(jiàn)圖1）。通過(guò)Hitran數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)合空芯光纖環(huán)境中氣壓、溫度以及分子密度可半定量分析出氣體吸收特性。目前亟需光纖廠家光纖拉制工藝方面的改進(jìn)以及設(shè)備廠家開(kāi)展氣體吸收算法補(bǔ)償相關(guān)研究。另一方面，反諧振空芯光纖在導(dǎo)光機(jī)理上不支持完全消除高階模式，且光纖的連接點(diǎn)、彎曲盤(pán)繞等各種機(jī)械因素都可能導(dǎo)致激發(fā)高階模，造成模間干涉（IMI）效應(yīng)，該效應(yīng)在超長(zhǎng)距傳輸時(shí)影響逐步突顯，需重點(diǎn)優(yōu)化。

  在運(yùn)維方面，空芯光纖由于背向散射系數(shù)比單模光纖低30dB，原光時(shí)域檢測(cè)儀可測(cè)量動(dòng)態(tài)范圍將顯著劣化14dB~15dB，另外熔接點(diǎn)處壓差將使得外界氣體吸入空芯光纖，產(chǎn)生氣體密度的差異，由此在熔接點(diǎn)處的反射峰會(huì)產(chǎn)生“鼓包”，導(dǎo)致策略盲區(qū)增大，以上需要光檢測(cè)器件與算法同時(shí)優(yōu)化補(bǔ)償差距。

  最后，當(dāng)前階段空芯光纖結(jié)構(gòu)還未標(biāo)準(zhǔn)化，同時(shí)受工藝、產(chǎn)能等諸多原因限制，其當(dāng)前售價(jià)高于單模光纖2000倍，限制了其大規(guī)模應(yīng)用。未來(lái)，中興通訊愿繼續(xù)攜手產(chǎn)業(yè)上下游合作伙伴，推動(dòng)空芯光纖系統(tǒng)由技術(shù)驗(yàn)證邁向商用部署。

  作者：中興通訊 閆寶羅