应用在超高速光传输系统里的新兴调制方式

作者：Akira Hirano   Yutaka Miyamoto

NTT网络创新实验室

 摘要：我们已经提交了包括CS-RZ，DCS-RZ和CSRZ-DPSK在内的各种新兴传输方式。在本文我们讨论了每种调制方式在DWDM应用时的性能表现，并进行了40 ch x 43-Gbit/s/ch传输演示。

 1、40G调制方式发展趋势

 一种成熟的调制方式不仅可以压缩传输频带，使频带利用率提高，同时也能帮助系统获得更高的性能——能更好地抵御GVD和PMD的影响。我们已经提交了CS-RZ [1]和DCS-RZ [2]两种调制方式，这两种调制方式所输出的压缩光谱不仅具有更高的GVD和PMD容限，也能很好地抑制光纤非线性效应所带来的影响。最近，我们又提交了CSRZ-DPSK [3]和RZ-DPSK方式[4, 5]，这两种方式对光纤非线性效应有更好的抑制作用，特别是在DWDM传输时的交叉相位调制XPM方面。

 归零差分相移键控RZ－DPSK信号将数据承载于邻近光脉冲的差分相位上，即前后2个信号的载波相位相同是信号“1”；前后2个信号的载波相位相反是信号“0”，光脉冲作为载波。从光学振幅的角度来看，光脉冲都是all-mark图形（pattern）。在振幅键控（Amplitude Shift Keying）传输应用时，邻近通道可能是Mark也可能是Space，这依赖于数据，从而导致交叉相位调制XPM的数量明显趋于多样化。然而，XPM在RZ-DPSK传输时被有效遏制，这是因为邻近通道都是all-mark。在DWDM应用方面，CSRZ-DPSK（载波抑制差分相位调制）方式相比RZ-DPSK方式能得到更窄的压缩频带。因此，这种调制方式拥有更多的优势，如更高的滤波串联（filter cascading）容限，更宽的GVD容限，更低的通道间串扰以及更高的非线性抵制能力[6]。

 因此，近期的长途和大容量40Gbps传输试验[7，8]大多采用CSRZ-DPSK调制方式。图1总结了近年来OFC报告上有关40Gbps最新趋势。图中显示，新颖的调制方式结合先进的滤波技术将成为高容量长距离高光谱效率传输系统发展演化道路上的强大推动力量。在2004年OFC上CS-RZ是最受欢迎码型。而在所有的信号调制方式当中，如果要综合考虑容量×距离和光谱效率等因素的话，CSRZ-DPSK无疑是最具优势的调制方式。

2. CS-RZ DPSK的优势

 我们来比较一下CSRZ-DPSK和RZ-DPSK两种调制方式的差别，这两种信号都可以通过图2所显示的发射机结构来获得。如图3所示，CSRZ码由两个马赫-曾德（Mach-Zehnder）调制器级联调制而产生，首先由分布反馈式激光二极管（DFB-LD）发射光波，然后进入第一个推拉式的马赫-曾德（Mach-Zehnder）调制器，经过MZ调制器的编码生成一个43-Gbit/s DPSK信号。该调制器偏离发射零点（null point）以调制相位。接着DPSK信号被传送到时钟部分，那里放置了第二个MZ调制器，该调制器的作用是将DPSK信号转换为一个RZ形式的脉冲流。该脉冲流视第二个调制器的偏压点（bias point）的不同，而具有两种不同的信号模式，当偏压点被设置在发射最大量的位置（transmission maximum），驱动正弦振幅为2 Vπ的时候，产生的是RZ-DPSK信号，所产生脉冲的占空因子（duty cycle）为33%；如果将偏压点设定在发射空位（transmission null）上，则产生CSRZ-DPSK信号，其duty cycle为66%。如果是采用CSRZ-DPSK信号模式，那光谱应该得到更有效的压缩。受此影响，CSRZ-DPSK在处理更窄的通道间隔时显得更为娴熟（或者说robustness）。图3显示了在三通道机构里中心通道的串扰代价（crosstalk penalty）与通道间隔之间的关系。

通道间隔减少时，线性串扰代价就会逐渐增加。光通带（pass-band）也随着通道间隔的缩小而减少，这是因为通带是通道间隔的0.75倍。因此，图中显示的串扰代价是在通道间隔变小的时候受到狭窄光滤波引起的。RZ-DPSK信号由此就比CSRZ-DPSK信号获得更多的串扰代价，如通道间隔是100-GHz的时候，RZ-DPSK信号相比CSRZ-DPSK信号的1.45dB总串扰代价，就多了0.74-dB的额外代价。这样看来，无论是从串扰的角度还是光滤波代价的角度看，CSRZ-DPSK信号都显得更加适合用于DWDM领域。

 为了评估每一种信号调制方式的总传输性能，我们引入了一个8通道43-Gbit/s/ch DWDM数字传输模拟系统。该系统的结构可参看图4，8个发射机可产生一个43-Gbit/s CSRZ-DPSK 或者RZ-DPSK信号。通道间隔为100GHz的光载波频率范围从192.1 到192.8 THz，正好处于G.652光纤的C波段内。这些信号被100-GHz平坦型AWG复用。邻近光通道的27-1伪随机二进制序列（PRBS）图案（patterns）相对地被25%的总图案长度抵消。传输线包含了两个光纤跨度，一种是G.652光纤，一种是属于负色散光纤（RDF），这种光纤被用来补偿色度色散及其斜率的。两种跨度的长度都是120公里。

接着发射的WDM信号又被100-GHz平坦型AWG解复用。这些解复用的43-Gbit/s CSRZ-DPSK或RZ-DPSK信号再通过一个马赫-曾德干涉仪（MZI）滤波器来转变成一个幅度调制 (AM)信号。MZI滤波器具有1比特的延迟（23ps）和零光差分相位。因而，它拥有一个43GHz的自由光谱范围（FSR），可以从CSRZ-DPSK或RZ-DPSK信号里提取出中心光谱成分。

 图4显示的是两种信号经过240公里的传输后1-dB 眼开度代价（eye-opening penalty）的等高线图，这个图被看作是入纤功率和总色度色散（包括了在接收终端的色散补偿光纤DCF）之间的关系图。所有8个通道的结果都显示在这个图中。RDF主要用来补偿G.652光纤的色散及其斜率的，所有8个通道都得到了0-ps/nm的总色散优化。如果采用RZ-DPSK方式，那最大的入纤功率就被限制在7 dBm以内，如果采用CSRZ-DPSK信号，那允许的最大注入功率就可以达到10 dBm/ch。另外，传输后的每一个通道色散容限也都是RZ-DPSK信号的2倍。因而240公里的G.652光纤传输模拟结果就显示出CSRZ-DPSK信号相比RZ-DPSK.增加了3-dB的额外入纤功率，色散容限也是后者的两倍。

3. 采用分布式拉曼放大器的40 ch x 43-Gbit/s传输试验                 

 演示过程中我们采用CSRZ-DPSK 方式来进行40 ch x 43-Gbit/s DWDM传输。图5显示了本次演示的结构图。载波波长按照100-GHz的间隔从1480.46 到1509.53 nm依序排列。每一个跨度都包含了100公里的DSF（带有前置和后置拉曼泵浦源），增益带宽位移掺Tm光纤放大器(GS-TDFA)串联再生器[9]（内嵌色散补偿光纤和增益均衡器）。每一个再生器的输出功率都设定在+17 dBm。图6显示了经过400公里传输后的1.6 Tbit/s Q参数情况。清晰的眼开双二进制（duobinary）RZ码也被获得。所有的43-Gbit/s通道都可以在Q参数高于12 dB的情况下被成功传输。

4. 结论

在最近的报道中，使用CSRZ-DPSK方式获得的最高性能是容量x距离超过20-Pbit km/s，光谱效率达到0.8 bit/s/Hz。通过与RZ-DPSK调制方式的对比我们大致了解了CSRZ-DPSK的优异基本线性串扰和容限性能。其中这些超级性能中一个关键参数就是其占空比（duty ratio）达到66%。CSRZ-DPSK本质上可以获得比RZ-DPSK更窄的压缩频带，在100GHz DWDM应用时的代价也更小，只有0.7 dB。压缩的频带也可以产生两倍于RZ-DPSK的色度色散容限。我们也发现CSRZ-DPSK在标准单模光纤上传输时能更好地抑制光纤非线性效应。CSRZ-DPSK在仅仅两个跨度的传输中就增加了3-dB的入纤功率。在40 ch x 43-Gbit/s DWDM传输时，我们也演示了集成切边放大器技术CSRZ-DPSK的优异性能。

 5. 参考文献

[1] Y. Miyamoto, et al., ”320-Gbit/s (8 x 40-Gbit/s) WDM transmission over 367-km zero-dispersion-flattened line with 120-km repeater spacing using carrier-suppressed return-to-zero pulse format,” Technical Digest of OAA’99 post-deadline paper, PDP4,1999.

[2] Y. Miyamoto et al., “S-band 3x120-km DSF transmission of 8x42.7-Gbit/s DWDM duobinary-carrier-suppressed RZ signals generated by novel wideband PM/AM conversion,” Technical Digest of OAA’2001 post-deadline paper, PD6, 2001.

[3] Y. Miyamoto et al., “S-band WDM coherent transmission of 40/spl times/43-Gbit/s CS-RZ DPSK signals over 400 km DSF using hybrid GS-TDFAs/Raman amplifiers,” IEE Electron. Lett., vol. 38, pp.1569-1570, 2002.

[4] T. Miyano et al., “Suppression of degradation induced by SPM/XPM+GVD in WDM transmission using bit-synchronous intensity modulated DPSK signal,” Technical Digest of OECC’2000, Paper 14D3-3, 2000.

[5] A. H. Gnauck et al., “2.5 Tb/s (64x42.7 Gb/s) transmission over 40x100 km NZDSF using RZ-DPSK format and all-Ramanamplified spans,” Technical Digest of OFC’2002, post-deadline paper FC2, 2002.

[6] A. Hirano et al., “Performances of CSRZ-DPSK and RZ-DPSK in 43-Gbit/s/ch DWDM G.652 single-mode-fiber transmission,” Technical Digest of OFC’2003 paper ThE4, 2003.

[7] C. Rasmuseen et al., “DWDM 40G transmission over trans-Pacific distance (10,000km) using CSRZ-DPSK, enhanced FEC and all-Raman amplified 100km UltraWave fiber spans,” Technical Digest of OFC’2003 post-deadline paper, PD18, 2003.

[8] B. Zhu et al., “6.4-Tb/s (160 x 42.7 Gb/s) transmission with 0.8 bit/Hz spectral efficiency over 32 x 100km of fiber using CSRZ-DPSK format,” Technical Digest of OFC’2003 post-deadline paper, PD19, 2003.

[9] S. Aozasa et al., “1480-1510 nm-band Tm doped fiber amplifiers (TDFA) with a high conversion efficiency of 42%,”