走向实用化的40Gb/s技术

Brian Lavallee 著 赵锋 译

　　对于系统设计者来说，主要有两种选择来满足日益增长的带宽需求，那就是部署更多的10Gb/s通道或提高单信道速率。服务提供商基本上不关心实际的线路速率。如果他们部署基于40Gb/s技术的网络，那就首先要有一个具有更高可靠性、灵活性、可管理性和低成本的全网解决方案。换句话说，能使40Gb/s光网络成功地商用化的驱动因素并不是简单地增加带宽，而是一个相对于现在和未来的10Gb/s光网络而言更好的商业模型。

　　幸运的是，40Gb/s技术的快速进步使得它们终于能够走出实验室。光设备制造商很快就将能提供商用化的40Gb/s光网络解决方案，这种方案有助于降低运营成本，并能满足现在和未来的带宽和业务需求。

更高的技术要求

　　虽然将线路速率提高到原来的四倍具有明显的好处，但是这样一来，对器件、模块和系统的可靠性和成本又有了新的要求。新的技术需要使用新的处理过程和材料，在发展的初期它们的成本可能会比较高，但在关键领域的快速革新将会有助于解决这一问题。设备厂商必须能够充分证明：虽然单个40Gb/s器件的成本较高，但是由于光谱效率的提高，减少了所需的网络设备，从而可以抵消掉这部分成本。

　　40Gb/s系统在技术上的成功并不能保证其在商业上的成功。40Gb/s光网络必须要允许服务提供商降低网络的整体成本以确保它在商业上的成功。可靠性和生存能力是任何承载关键商业应用的网络的基本条件。由于一个40Gb/s波长所承载的信息量是10Gb/s波长的四倍，因此整个网络必须要具有极高的可靠性。

　　40Gb/s网络与10Gb/s的主要区别是前者的线路速率是后者的四倍，从而比特间隔也缩小为后者的四分之一。由于色散与线路速率成平方反比关系，所以，40Gb/s网络受脉冲畸变或色散影响的程度是10Gb/s网络的16倍。此外，在40Gb/s网络中光接收机能检测到的脉冲功率也减少为10Gb/s网络的四分之一。因此，40Gb/s脉冲波形、脉冲间隔以及功率电平都需要使用非常精密的控制技术才能使接收机能正确地分辨输入的光脉冲。

　　目前最主要的挑战是充分地理解造成光脉冲传输失真的原因，然后寻找可靠的、经济上有效的控制技术。40Gb/s系统设计者的最终目标是确保在网络输出端收到的脉冲与在网络输入端发送的脉冲在波形和定时上保持一致。

关键的支撑技术

精确的色散

　　每一个包含着信息的光脉冲都有一个确定的光谱宽度。不同的波长以不同的速率传播是光纤的一个本征特性，这会导致色散（CD：chromatic dispersion）的产生。如果不加以控制，那么随着脉冲的发散，相邻的两个脉冲最终将会重叠而产生码间干扰从而产生误码。幸运的是，这种关系是近乎线性的，因此在大多数应用中都可以用相对比较简单的技术来进行控制。在实际应用中，常用的控制方法是在线路上插入由掺杂质的特制光纤所构成的无源色散补偿模块（DCM：dispersion compensation module），它可以有效地抵消色散。这种广为人知的方法对于大多数10Gb/s光网络来说已经足够了。

　　目前所采用的大多数色散补偿方法都比较简单，它们对所有的波长都同时进行补偿。近来部署的斜率式DCM对此有所改善。但是40Gb/s传输需要更精确的色散补偿，这是因为40Gb/s光网络的抗色散能力更加脆弱。

　　现在有一些更精确的色散补偿方法可以选择一组波长甚至单个波长进行补偿。使用固定的补偿模块来实现非常准确的补偿需要采用大量的补偿模块，这会导致很大的衰耗，因此尽管可达到补偿的目的，但它不是一种理想的方法。

　　有源色散补偿技术是一种更高级、更有效的解决方案。把有源和无源的斜率式色散补偿结合起来能产生非常理想的效果。光纤设备的环境温度和物理变化而引起的色散变化可以通过有源补偿来解决，从而可提高网络的性能。在40Gb/s光网络中，可采用现有的固定斜率DCM进行粗略的补偿，然后采用动态补偿模块调节残余色散。

改进的光放大

　　衰耗是指当光信号沿着光纤传播时所产生的功率损失。幸运的是，衰耗区最低的波段是C波段（1530-1565nm）和L波段（1565-1620nm），而这一波段正好是掺铒光纤放大器（EDFA）产生增益的波段。正是这种关系促成了现在的DWDM光网络的发展。

　　EDFA作为40Gb/s光网络的光放大器并不新鲜。然而，通过现有的EDFA来实现光放大器会引入相当大的光噪声和非线性失真，它们都会对40Gb/s光网络造成损害。因此，可靠的40Gb/s传输需要具有较低噪声系数的EDFA。结合采用分布式拉曼放大（DRA：distributed 拉曼 amplification）和EDFA的网络有助于降低总噪声系数。

　　EDFA可以将输入信号放大到非常高的功率电平而且具有很陡的放大特性。不幸的是，这种高功率电平会使纤心的光强度过高而迅速产生非线性失真，从而限制了可用的比特速率或传输距离。

　　适当降低EDFA的光强度和噪声系数并结合使用DRA，最终可提高光信噪比（OSNR），同时又能减少纤心中任意一点的光强度。这样，DRA通过采用后向泵浦结构在接收端将输入信号加以放大的方法就可使用低噪声、低功率EDFA。

　　通过采用运行于不同频率的多个拉曼泵浦激光器，并精确地控制输出功率就能获得较平坦的增益特性。由于DRA利用了非线性失真（随光强度而变），因此它更适用于内径较小的光纤，然而，使用功率更高的拉曼泵浦激光源，DRA也可使用于内径较大的光纤中。

　　分布式拉曼放大器的增益特性可以带来三大好处：

　　* 它只要求在光纤设备的给定长度内稍稍放大光信号，而不必在中间插入物理放大器，这样就能降低总噪声。

　　* 通过采用后向泵浦结构就可以在沿光纤段的任意一点上保持较低的功率电平，在减少非线性失真的同时获得最大的增益。如果使用前向泵浦，那么由于泵浦耗尽比较快，EDFA和拉曼激光器泵浦的混合输出功率就非常容易受到非线性失真的影响而且使拉曼增益变得很小。总之，结合使用EDFA与DRA所产生的噪声较低，同时又能提高OSNR，这样就能支持40Gb/s线路速率并延长传输距离。

　　* 分布式拉曼放大也适用于S波段（1450-1530nm）从而可利用这一尚未被发掘的传输波段，而传统的EDFA，由于其自身的增益特性，是无法对S波段进行放大的。

带外FEC

　　在一段给定的光纤链路上实现可靠的信息传输有两种方式：

　　* 确保在传输过程中少出或不出比特差错。这需要有极端精确的光控制技术，尤其是当线路速率达到40Gb/s时，这在成本和技术上都难以实现。

　　* 在传输过程中允许接收一定数量的比特差错，在接收端动态地实时监测并进行纠错。这种方式比纯光解决方案更经济，因为最近在FEC和ASIC的设计上已经取得了重大的进步。

　　FEC的实际纠错能力是由所选择的编码方案和传送FEC编码的方法决定的。生成更多的编码数据可以提高纠错能力，但同时也需要在传送数据信号的同时传送更多的纠错码。FEC的一个主要优点是可缓解对光器件技术指标的严格要求和放松光器件的制造条件，从而可提高产量和降低生产成本。

　　实现FEC有两种方法：带内（IB：in-band）FEC和带外（OOB：out-of-band）FEC。IBFEC将FEC纠错码写入未定义的SONET/SDH开销字段中，把它从网络输入端（发射机）传送到网络输出端（接收机）。由于未定义的SONET/SDH开销字段容量有限，因此最终的FEC纠错能力就会受到限制，不能完全满足40Gb/s光传输的需要。但是，它对于目前的大多数10Gb/s光网络已经足够了。此外，带内FEC的另一个好处是它能够与不支持FEC的系统相互兼容。

　　OOBFEC将生成的FEC纠错码加到原待发数据中而不使用SONET/SDH的开销字段，这样将可提高线路速率。虽然如此，但是它大大提高了编码增益。现有的超长距离10Gb/s光设备通过使用强大的带外FEC方案能够将10-3的BER纠正到10-15以下。纠错/检错能力的显著增加使得更长的分段和更高的线路速率成为可能。40Gb/s网络将使用带外FEC来获得高水平的编码增益。选择什么样的编码方案需要在编码增益与线路速率之间进行折衷。在10Gb/s和40Gb/s网络中实现基于BCH-30（Bose-Chaudhuri-Hocquenghem编码方案）的FEC纠错码能收到非常好的效果。

　　在OSNR和BER之间有直接的关系，较低的BER会导致较高的OSNR，反之亦然。因此，使用FEC来纠正实际的BER就能有效地提高系统的OSNR。在数学上，FEC能消除产生误码的衰耗、色散和噪声的影响，即使在40Gb/s线路速率上也能保持可靠、低成本的链路性能。由于FEC是一种数学技术而不是纯粹的光技术，因此可以把它嵌入到ASIC分离元件中。

脉冲波形的格式

　　有许多种可用的编码格式，它们主要分为两大类：归零（RZ：return-to-zero）编码和不归零（NRZ：non-return-to-zero）编码。

　　在光域中使用NRZ编码时，光比特序列的平均功率电平比RZ编码高，这使得它们更容易受到非线性失真的影响。由于每一个脉冲的NRZ码元过渡不归零，它们对传输损伤更为敏感。因此NRZ不适合于40Gb/s传输。

　　对于40Gb/s传输系统来说，RZ是一种更为有效的编码格式，特别是当光链路的长度超过1000公里时更是如此。在光网络中，以没有光脉冲来代表“0”，以有光脉冲来代表“1”。RZ编码格式对40Gb/s传输有些好处。当数据流是由一长串1和0组成时仍然存在码元过渡，这有利于时钟恢复。此外，RZ脉冲不容易受到损害40Gb/s传输的非线性失真和PMD的影响。RZ码的主要缺点是相对于NRZ，比特过渡的数量较多而导致带宽的增加，需要采用速率更快的发射机和接收机。然而，发射机和接收机制造工艺的进步使得RZ发射机在技术上和经济上都可行。

光交换机

　　能使40Gb/s光链路延长到1000公里以上的技术很快就能部署。为了实现一个理想的解决方案，执行带宽管理功能的核心光交换机也必须要运行于40Gb/s线路速率，以免网络采用昂贵而且过多的电复用/解复用器，从而增加了网络的复杂度和降低可靠性。直接把DWDM收发机嵌入到核心光交换机中会进一步降低整个网络的成本和复杂度，这样就会避免不必要的光电光（OEO）转换。消除了所有可能的多余设备之后，才能更快地采用40Gb/s网络。

　　由于目前用户业务网络的交换机和路由器还不支持40Gb/s的线路速率，因此在连接到40Gb/s网络之前需要进行业务量整形。这就要求电核心交换机交换模块的容量扩充到若干太比特的水平，这样才能适应未来的发展需要并显著降低扩充的成本。任意大小的交换模块都能支持40Gb/s的线路速率，但是较小的交换模块就意味着可用的端口数较少。只有多太比特的交换模块才能充分使用未来的40Gb/s线路速率。

　　支持40Gb/s线路速率的下一代光交换机还必须同时支持现有的10Gb/s线路速率和业务。事实上，采用能支持从2.5Gb/s到40Gb/s的光交换机，服务提供商就能够平滑地扩展他们的网络。为了更灵活地管理带宽，交叉连接粒度应从STS-1开始。由于核心交换机的流量巨大，网络管理必须与光网络元素紧密地集成在一起以提高网管的效力。

　　在部署40Gb/s网络时还应该考虑网络的拓扑。目前大多数的核心网络采用了SONET环，它具有强大的保护能力和管理功能。然而，采用智能光控制平面的格形网络拓扑更适合于新出现的高速数据业务，如租用波长业务和光虚拟专用网。

　　服务提供商已经投入了大量的资金来部署强大的SONET/SDH环以支持现有的应用。因此，未来的40Gb/s核心光交换机必须要能同时支持现有的SONET/SDH环和未来的格形网络，以便充分利用已有的投资。

　　近来ASIC和基于VECSEL的光器件所取得的进步将会促进灵活的多太比特交换核心的出现。格形网络和SONET环可以有效地集成为单个40Gb/s网络，从而只需要集中管理一个网络。

线路速率不是最重要的

　　40Gb/s光网络在技术方面确实存在一定的障碍需要克服，但这仅仅是商用化过程的一部分。真正的挑战是如何采用经济的方法将新技术融合在目前广泛部署的10Gb/s光网络中。采用支持多种拓扑（格形和环形）和支持10Gb/s、40Gb/s线路速率的通用平台将有助于降低成本，因为它减少了重复的网络基础设施。

　　随着40Gb/s技术的进步和成本的进一步下降，它在网络中的引入速度将会不断加快。运营商并不关心40Gb/s的线路速率，他们关心的是如何获得完全可靠的、可管理的网络和尽量降低传输成本，以确保40Gb/s技术的最终商用化。

摘自《通讯世界》2002.5期译自《Lightwave》2001.12期《40Gbits/s: applied physics, enabled economics》