超高密度、超长距光传输网

Benyuan Zhu
OFS公司

摘要：本文回顾了近几年来高频谱密度、高容量、长距离陆地传输光网络的发展历程，分析了其优势和局限性，并讨论了下一代光传送网的技术挑战。

关键词：光通讯，调制，光传送网

引言

如何降低每千米比特的传输成本是下一代光传送网的关键。过去的做法是增加单根光纤的带宽，让更多的信道共享设备，从而降低每波长成本。最近科学家正致力于扩展非再生系统的传输距离，并引入透明传输光网络，通过减少光-电-光转换再生器来降低网络成本。高级调制形式、低噪声拉曼放大器、高性能传输光纤以及高编码增益前向纠错等技术的出现使得每光纤传输容量上升到数T比特，利用放大器传输距离可扩展到几千公里。但是，要实现透明光传输网络还面临许多技术挑战。

T比特长距离WDM传输系统优势

目前，高容量商业陆地光传输系统的配置可超过1Tb/s，传输距离超过1000km。这些系统利用密集WDM，在C-和L-波段拥有一百多个50GHz信道间隔、10Gb/s传输速率的信道。WDM结合高速电路时分复用，可在保证网络可靠升级的同时大大降低成本。通过缩小信道带宽或采用更好的链路速率如40Gb/s，可提高频谱效率从而实现容量升级。虽然光通讯行业的近期低迷一定程度上影响了40Gb/s系统的配置，但40Gb/s链路速率天生就是10Gb/s的继承者，因为它是标准的SDH数据速率，40Gb/s WDM系统通过减小信道间隔提高信号频谱效率和传输容量，同时降低了功率消耗，从而大大降低了每千米比特的传输成本。但提高链路速率的同时还会增大色散、偏振模式色散（PMD）和光纤非线性效果。最近，为了克服这些问题，科学家提出了各种不同的新传输技术，在采用放大器基础上实现了几千米距离的多T比特容量通信，频谱效率高达0.4和0.8 bit/s/Hz。图1显示了10Gb/s和40Gb/s WDM系统在80km-100km距离上的传输实验结果。
 
图1：10-Gb/s和40-Gb/s DWDM传输系统实验结果

如图1所示，40Gb/s WDM技术正朝着多T比特长距离传输系统发展。该实验采用电信运营商现有标准SMF（SSMF）和非零色散光纤（NZDF）设备。对于信道间隔为25GHz（频谱效率为0.4 bit/s/Hz）的10Gb/s系统，利用色散管理光纤跨度（DMFS）可演示15 Pb-km/s的容量-距离积。当采用40Gb/s信道速率和50GHz信道间隔，光纤跨度设置为100km可实现160信道（6.4Tb/s）超过3200km的传输距离，创造了20 Pb-km/s的容量-距离积。通过采用一系列增强技术包括高级调制格式、拉曼放大、新传输光纤和高编码增益FEC可实现很好的效果。

高容量长距离传输系统的增强技术

高级调制技术
长距离陆地系统调制格式减小了非线性的负面影响，提高了接收灵敏度，并允许更窄的频谱宽度，从而提高了频谱效率。最常用的格式是非归零码（NRZ）、归零码（RZ）和载波抑制归零码（CSRZ）。最近又研究出更高级的编码格式如差分相移键控归零码（RZ-DPSK）、双二进制、单边带/残余边带调制（SSB/VSB）、相位整形二进制传输（PSBT）都可应用于高速率WDM传输系统。

实验证明CSRZ-DPSK调制格式加上光信号滤波器是实现40Gb/s超高速频谱效率（0.8 bit/s/Hz）的最佳调制格式，同时也能保证系统几千公里的传输距离。和传统的开关键控（OOK）信号相比，DPSK的优势是在实现给定比特误码率（BER）前提下，光信号载干比要求更低~3dB。例如，为实现10-9的BER，采用42.7Gb/s的RZ-DPSK的灵敏度为45光子/比特。其它优势包括减小了10Gb/s WDM系统中信道间交叉相位调制（XPM）的损伤。此外，即使加上信道间四波混频（IFWM）和非线性相位噪声，40Gb/s DPSK的所有非线性余量也比OOK传输系统高。对窄频谱带宽操作，CSRZ-DPSK有更多的优势，并能继续保持高接收灵敏性。

拉曼技术
拉曼技术是低噪声中继放大器的基础，具有大持续范围带宽。分布式拉曼放大器结合掺饵光纤放大器（EDFA）可扩展WDM传输距离和容量，降低了每信道功率消耗，并保证长距离系统所需的OSNR。所有的拉曼放大器都可应用于40Gb/s和10Gb/s传输系统，有时还会采用互泵浦和相对泵浦技术。拉曼放大的性能（包括拉曼增益效率和有效噪声轮廓）取决于所使用的光纤类型和系统结构。拉曼增益效率和一系列因素有关，包括拉曼有效面积、光纤组成以及泵浦和信号波长。

光纤的有效面积必须最优化才能实现最好的拉曼增益效果，并有效降低非线性影响和瑞利后向散射系数，该系数与光纤有效面积成反比。分布式拉曼所用光纤必须在泵浦波长处有较低的损耗，因此为了获得一定的拉曼增益有必要降低泵浦功率。此外，光纤性能如色散和色散斜率将决定与拉曼噪声关联的pump-pump或pump-signal非线性交感是否发生。低色散斜率NZDF从泵浦波长范围转移到零色散波长，防止了互泵浦拉曼放大系统中因pump-pump四波混频和pump-signal四波混频而造成信号OSNR降低。

高性能传输光纤
新光纤技术的设计要求包括：支持宽带宽色散和色散斜率补偿，系统PMD低，增强拉曼放大效果，降低非线性引起的系统损耗，并简化光网络。最近研制出了色散为+7到+8 ps/nm/km且具有低关联色散斜率（RDS）的光纤。这些光纤有足够的色散优势来降低信道间的非线性，比SSMF有更低的色散，大大降低了成本以及DCF。新NZDF光纤在1550nm波长处λ0<1400nm，色散为7 ps/nm/km，RDS为0.0058/nm。特种光纤类型（如超大面积光纤（SLA）和反向色散光纤（IDF））也可应用于陆地光传输网。色散斜率管理光纤加上良好的色散图形将更好地管理信号失真和非线性引起的信号损失。除了支持C-和L-波段的斜率补偿外，色散管理还大大减少了泵浦色散补偿模块的缺陷，色散补偿模块的作用是在不增加总系统时长的前提下降低系统损耗、PMD和成本。相关的实验已经在使用DMFS的10Gb/s和40Gb/s系统中成功完成。

高编码增益前向纠错技术
FEC在WDM长距离传输系统的应用实质上获得了足够的余量。常用的FEC编码是（255，239）RS码，将比特速率提高了7%，在10-15 BER可获得6dB编码增益。实验证明RS编码线性速率从7%增加到14%时可获得1.2dB编码增益。串联FEC编码可进一步改善编码增益，而两种FEC编码，包括内部编码和外部编码都可继续使用。

光梳和迭代编码也经常应用于串联FEC编码。建议在10Gb/s系统中采用RS（255.223）和RS（255，239）级联码可获得2dB编码增益和25%的线性速率。最近的实验证明，采用3 bit软判决块Turbo码，可获得10.1dB的净编码增益和24.6%的冗余。对于40Gb/s传输系统，由于接收机对OSNR更敏感，因此系统对FEC要求更高。由于在高链路速率中经常发生信号损伤，因此在40Gb/s系统中需要提高的编码增益，并降低开销冗余。

下一代光传输网的挑战
在当前的骨干网中，高密度WDM主要应用于传输，提供节点间的固定点对点连接。业务的交叉连接仍然以电信号形式完成，因此在传输系统和交叉连接处需要O/E/O转换器。O/E/O转换再生器增加了网络成本，因此出现了透明或“全光”网络概念。透明光传输网是指系统依靠可重构光分插复用器（ROADM）和光交叉连接器（OXC）实现业务在波长或频带粒度上透明传送，不再需要O/E/O转换，从而降低系统成本。

光传输损耗仍然是透明光传输网络的主要问题，因此高容量长距离传输技术是透明光传输网的关键。此外，当系统从静态的点对点发展到动态透明光网络时还面临很多其它的挑战。链路上的光信号可能来自不同的信号源，有不同的目的地，因此OSNR值也各不相同；网络可能由不同类型和不同长度的光纤混合组成，因此有不同的色散曲线。此外，由于波长滤波引起带宽变窄，所以信号上下路波长水平不同可能造成在光节点处的层叠。信道上下路还可以引起功率瞬态变化，并在几个放大跨度上积聚。
为了创建透明WDM网络，容忍不同线性或非线性损耗的传输技术是必不可少的，同时还需要清晰的色散图形，使得波长可在任何距离、任何节点和任何波长处分插。高可靠性和高性价比ROADM和OXC、多粒度波长以及频带交换机，结合高级传输技术，可能是动态透明WDM光网络的发展方向。

总结
陆地传输技术正朝着多T比特长距离点对点链路发展。最佳调制形式、低噪声拉曼放大、新型光纤和高编码增益FEC都是实现高容量长距离光传输系统的高级技术。之后的相关研发课题是发展一种有效、高容忍和适应性的技术，来满足未来透明光传送网的要求。

参考文献
1 B. Zhu, et al., ECOC’2002, Paper PD4.2.
2 C. Rasmussen, et al.,OFC’2003, Paper PD18.
3 L. Noirie, OFC’2003, Paper FA1.
4 I. Tomkos, ECOC’2002, Paper PD2.1.
5 B. Zhu, et al., OFC’2001, Paper PD23.
6 S. Bigo, et al., ECOC’2001, Paper PD.M.1.1.
7 A. H. Gnauck, et al., OFC’2002, Paper FC2.
8 B. Zhu, et al., OFC’2002, Paper FC8.
9 G. Charlet, et al., OFC’2003, Paper WE3
10 D. F. Grosz, et al., ECOC’2002, Paper PD4.3.
11 C. Rasmussen, et al., ECOC’2002, Paper PD4.4.
12 B. Zhu, et al., OFC’2003, Paper PD19.
13 G. Charlet, et al., OFC’2003, Paper PD25.
14 T. Tanaka, et al., ECOC’2000, Paper PD1.8.
15 D. F. Grosz, et al., ECOC’2001, Paper PDB. 1.3.
16 C. Hullin, et al., ECOC2002, Paper 1.13.
17 G. Vareille, et al., OFC’2003, Paper PD20
18 F. Di Pasquale, et al., OFC’2003, Paper WE2.
19 Y. Frignac, et al., OFC’2002, Paper FC5.
20 D. Chen, et al., OFC’2001, Paper PD36.
21 T. Otani, et al., OFC’2002, Paper FC9.
22 D. Chen, et al., OFC’2002, Paper FC10.
23 A. R. Pratt, et al., OFC’2003, Paper PD26.
24 A. H. Gnauck, et al., IEEE Photon. Technol. Lett. Vol. 15, pp. 99-101, (2003).
25 X. Liu, et al., ECOC’2002, Paper 9.6.5.
26 R. Neuhauser, et al., OFC’2001, Paper MA4.
27 J. Bromage, et al., OAA’2002, Paper OWA5.
28 S. Ait, OFC’2001, Paper TuF1.
29 T. Mizuochi, et al., OFC’2003, Paper PD21.
30 M. D. Feuer, OFC’2003, Paper WG4.