突破40G光傳輸技術瓶頸

2019-11-03 09:00:57

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周偉勤

　　目前單信道傳輸速率10Gbit/s的波分復用(WDM)系統已得到大量應用。按照傳統SDH傳輸速率呈4倍增長的發展規模，從STM-1、STM-4、STM-16到STM-64，下一步的單信道傳輸速率應該是速率40Gbit/s的WDM系統的研究進展很快。從市場、技術及WDM傳輸系統發展的歷史來看，40Gbit/sWDM系統是發展趨勢。

　　40G光傳輸系統應運而生

　　從市場來看，雖然目前10Gbit/sWDM系統的傳輸容量已超過1.6Tbit/s，但業務(尤其是ip業務量)還在迅速增長，帶來了對帶寬更寬的需求。

　　從技術來看，擴大WDM系統的帶寬可通過增加波長通道數或提高單信道傳輸速率來實現。增加通道數的途徑有：減小通道間隔、拓寬波長范圍以及采用偏振復用技術等手段。10Gbit/s系統的通道數已超過160個，目前密集波分復用(DWDM)的通道間隔已實現小于50GHz，甚至25GHz的情況，但間隔的進一步減小將使光纖呈線性效應的抑制變得更加困難；波長目前已應用了C和L波段，將向S、xL波段進而全波段發展，但相應波段的光放大器還不成熟。除增加通道數外，另一個擴大帶寬的可行途徑是提高單信道速率，即將單信道速率從10Gbit/s提高至40Gbit/s甚至更高。

　　從10Gbit/s系統的發展歷史來看，當路由器、交換機的接口速率達到2.5Gbit/s時，骨干網需要更高的速率，因而出現了10Gbit/s系統市場的快速增長。現在數據設備已有了10Gbit/s接口，骨干網需要更大的傳輸顆粒，因此40Gbit/s系統已具備了應用的必要性。

　　降低網絡費用一直是運營商的主要目標之一。在同樣的傳輸容量下，40Gbit/s系統所需的波長數少，如組成一個傳輸容量1.6Tbit/s的WDM系統，10Gbit/s系統需要160波，采用C和L兩個波段；40Gbit/s系統只需40波，采用一個波段。這將簡化網絡管理，降低運營費用。此外，40Gbit/s系統比4個10Gbit/s系統更節省空間、功耗。可見40Gbit/s更適應技術和市場的發展趨勢。

　　目前，全球主要的通信設備制造商都對40Gbit/sWDM技術進行了研究，并宣稱具備了解決方案，如Alcatel、Nortel、Cisco、Lu-cent、NEC、Mintera等。迄今為止，系統容量的最高紀錄是27340Gbit/s(由NEC公司發布，系統共利用了S、C、L3個波段)，或25640Gbit/s(由阿爾卡特公司發布，系統采用率達到1.28bit/s/Hz)。在2003年OFC會議上，OFS公司公布了其最新的研究成果：6400公里的40×40Gbit/sWDM系統，采用了Z-DPSK碼型。Alcatel和Fujitsu則同時公布了采用常規不歸零碼(NRZ)在常規單模光纖上傳輸的40×40Gbit/s系統的長距離實驗結果，其距離分別達到2540km和1600km。但在2003年9月份的ECOC會議上，幾乎沒有發表新的有關40Gbit/sWDM系統和傳輸實驗研究成果，只有個別公司(如朗訊科技等)發表了以OTDM方式實現160Gbit/s傳輸的一些試驗結果。主要原因是40Gbit/sWDM經過兩年的研究并不斷取得突破后，傳輸上的關鍵技術研究較為深入，40Gbit/s的一些關鍵芯片及模塊大多處于觀望之中，在一定程度上阻礙了40Gbit/s系統的進一步發展。

　　40Gbit/sWDM光傳輸系統的關鍵技術包括高速信號處理和光傳輸技術。高速信號處理包括STM-256SDH的分插和復接技術，如TDM復用器與解復用器、幀處理技術、開銷處理和指針處理等，以及前向糾錯技術(FEC)。這些技術的實現主要依賴關鍵芯片來實現。

　　40Gbit/s光傳輸技術主要包括光放大技術、色度色散及色散斜率補償技術、非線性效應抑制、信號調制格式研究、PMD及其補償，FEC技術也可歸于傳輸技術中。與10Gbit/sWDM系統相比，40Gbit/sWDM系統對光傳輸網性能的要求更高：光信噪比(OSNR)提高6dB左右，色度色散容限降低16倍，偏振模色散(PMD)容限降低4倍。

　　Roman放大器減小非線性效應

　　由于40Gbit/s系統需要的光信噪比(OSNR)比10Gbit/s高6dB左右，因此需要在放大時盡量抑制噪聲。如果只采用提高發射光功率來滿足OSNR的方法，則會帶來光纖非線性效應。所以必須采用其他的措施，如采用Raman放大器、采用占空比小的信號調制格式等。

　　Raman放大器具有放大帶寬大、噪聲低的特點。其放大帶寬取決于泵浦的波長及泵浦波長數，現在高用的已可達到80nm以上。等效噪聲指數可低至0dB以下，在10Gbit/s大容量超長距離傳輸中已開始應用。采用Raman放大器后，較低的信號光功率就可得到較高的OSNR，從而減少光纖非線性效應的影響。

　　由于Raman放大器采用的受激喇曼散射(SRS)效應的低效率，單個Raman放大器的增益一般不足以補償信號在光纖一個跨距段上的損耗，因此系統中往往同時需要命名用摻鉺光纖放大器(EDFA)或多個Raman放大器。如合Raman放大，即同時采用了分布式反向泵浦Raman放大器、分布式正向泵浦Raman放大器及分立式Raman放大器。目前，OFS公司的容量8042.7Gbit/s、傳輸距離20100km的系統和Mintera公司的容量4042.7Gbit/s、傳輸距離36100km的系統都采用了全喇曼放大，接收端OSNR可達19～22dB，比采用Raman放大器加EDFA混合放大的方式可提高OSNR5dB以上(提高的數據依賴于跨段損耗、Raman放大器的增益、Raman及EDFA的噪聲指數、EDFA的增益等多種因素)。

　　進行有效色度色散補償

　　40Gbit/s系統的色散溫度系數約1ps/nm/℃，對色散容限為60ps/nm的40Gbit/s系統而言，意味著其工作溫度范圍就只有60℃，難以滿足實際需求；第二，在實際的網絡中，不同波長信號經過的路徑不同，其色散不一樣，因此，同一個接收機只有能容忍較大的色散變化量，才能滿足來自不同路徑信號的無誤碼接收需求；第三，光功率的變化，會引起非線性效應的變化，從而改變色散容忍度。

　　在40Gbit/s系統，尤其是長距離傳輸系統中，除了進行無源型的色散補償(如色散補償光纖)外，也可在信號調制和接收時，采取一定的措施以減小色散的影響。如在信號調制時加啁啾；在接收端進行動態色散補償，目前可行的可調色散補償措施是利用啁啾光纖光柵，對每個信道的殘余色散進行可調的補償；或在接收端采取自適應接收技術。

　　在10Gbit/s及以下的常距系統中，普遍采用的是非歸零(NRZ)碼的調制格式。在10Gbit/sWDM超長距離系統中，已逐漸采用了歸零(RZ)碼、載波抑制歸零(CS-RZ)碼。在40Gbit/s系統中，尤其是傳輸距離較長時，對碼型可以獲得更高的靈敏度、更低的接收OSNR、更大的色散或非線性容限等。

　　與NRZ相比，RZ的占空比小，同樣平均功率時的峰值功率高，因此RZ的靈敏度、允許接收的OSNR更低，對PMD的容量大，但頻譜寬、色散容限小。CS-RZ頻譜比RZ的窄，對色散和SPM的容忍度較高。RZ-DPSK的頻譜也比RZ窄，而且對非線性的容限很高，可獲得近似線性的傳輸系統，因此在大容量、長距離的40Gbuit/s傳輸系統中很有優勢，但需要相關接收機，設備復雜，到目前為止也僅限于實驗室系統。

　　突破偏振模色散瓶頸

　　對光纖傳輸系統而言，當光信噪比、色度色散的問題解決后，偏振模色散成為傳輸的最終限制因素。如果光纖的偏振模色散為0.1ps/km2，若以平均差分群時延(DGD)小于信號比特周期的1/10作為PMD對系的限制，則40gbit/s信號無電中繼的最大傳輸距離僅為625km。此外，當單信道信號速率達到40Gbit/s，二階偏振模色散效應也明顯起來，如在一階偏振模色散補償的研究中不考慮高階偏振模色散的影響，系統允許的DGD可以從信號比特周期的0.11倍提高到信號比特周期的0.38倍，但由于高階偏振模色散的作用，在實際系中傳輸限制只能提高到信號比特周期的0.29倍。因此，偏振模色散的寬帶自適應實時補償成為40gnit/s傳輸研究的熱點問題之一。

　　由于偏振模色散值是統計隨機量，所以人測量和補償都較困難。PMD的補償可在電域或光域進行，考慮到高速系統中電子器件的速率限制，最可能應用偏振模補償的方案將在光域進行，目前在報道一階PMD的補償采用偏振控制器加保偏光纖米實現，但高階PMD的補償則較為困難，而且對PMD進行實時有效的監測是實現PMD的補償的難點。目前，對PMD的更為現實的研究是提高碼型的PMD容限及減小光纖的PMD系數。

　　
----《通信產業報》