突破40G光传输技术瓶颈

周伟勤

　　目前单信道传输速率10Gbit/s的波分复用(WDM)系统已得到大量应用。按照传统SDH传输速率呈4倍增长的发展规模，从STM-1、STM-4、STM-16到STM-64，下一步的单信道传输速率应该是速率40Gbit/s的WDM系统的研究进展很快。从市场、技术及WDM传输系统发展的历史来看，40Gbit/sWDM系统是发展趋势。

　　40G光传输系统应运而生

　　从市场来看，虽然目前10Gbit/sWDM系统的传输容量已超过1.6Tbit/s，但业务(尤其是IP业务量)还在迅速增长，带来了对带宽更宽的需求。

　　从技术来看，扩大WDM系统的带宽可通过增加波长通道数或提高单信道传输速率来实现。增加通道数的途径有：减小通道间隔、拓宽波长范围以及采用偏振复用技术等手段。10Gbit/s系统的通道数已超过160个，目前密集波分复用(DWDM)的通道间隔已实现小于50GHz，甚至25GHz的情况，但间隔的进一步减小将使光纤呈线性效应的抑制变得更加困难；波长目前已应用了C和L波段，将向S、xL波段进而全波段发展，但相应波段的光放大器还不成熟。除增加通道数外，另一个扩大带宽的可行途径是提高单信道速率，即将单信道速率从10Gbit/s提高至40Gbit/s甚至更高。

　　从10Gbit/s系统的发展历史来看，当路由器、交换机的接口速率达到2.5Gbit/s时，骨干网需要更高的速率，因而出现了10Gbit/s系统市场的快速增长。现在数据设备已有了10Gbit/s接口，骨干网需要更大的传输颗粒，因此40Gbit/s系统已具备了应用的必要性。

　　降低网络费用一直是运营商的主要目标之一。在同样的传输容量下，40Gbit/s系统所需的波长数少，如组成一个传输容量1.6Tbit/s的WDM系统，10Gbit/s系统需要160波，采用C和L两个波段；40Gbit/s系统只需40波，采用一个波段。这将简化网络管理，降低运营费用。此外，40Gbit/s系统比4个10Gbit/s系统更节省空间、功耗。可见40Gbit/s更适应技术和市场的发展趋势。

　　目前，全球主要的通信设备制造商都对40Gbit/sWDM技术进行了研究，并宣称具备了解决方案，如Alcatel、Nortel、Cisco、Lu-cent、NEC、Mintera等。迄今为止，系统容量的最高纪录是27340Gbit/s(由NEC公司发布，系统共利用了S、C、L3个波段)，或25640Gbit/s(由阿尔卡特公司发布，系统采用率达到1.28bit/s/Hz)。在2003年OFC会议上，OFS公司公布了其最新的研究成果：6400公里的40×40Gbit/sWDM系统，采用了Z-DPSK码型。Alcatel和Fujitsu则同时公布了采用常规不归零码(NRZ)在常规单模光纤上传输的40×40Gbit/s系统的长距离实验结果，其距离分别达到2540km和1600km。但在2003年9月份的ECOC会议上，几乎没有发表新的有关40Gbit/sWDM系统和传输实验研究成果，只有个别公司(如朗讯科技等)发表了以OTDM方式实现160Gbit/s传输的一些试验结果。主要原因是40Gbit/sWDM经过两年的研究并不断取得突破后，传输上的关键技术研究较为深入，40Gbit/s的一些关键芯片及模块大多处于观望之中，在一定程度上阻碍了40Gbit/s系统的进一步发展。

　　40Gbit/sWDM光传输系统的关键技术包括高速信号处理和光传输技术。高速信号处理包括STM-256SDH的分插和复接技术，如TDM复用器与解复用器、帧处理技术、开销处理和指针处理等，以及前向纠错技术(FEC)。这些技术的实现主要依赖关键芯片来实现。

　　40Gbit/s光传输技术主要包括光放大技术、色度色散及色散斜率补偿技术、非线性效应抑制、信号调制格式研究、PMD及其补偿，FEC技术也可归于传输技术中。与10Gbit/sWDM系统相比，40Gbit/sWDM系统对光传输网性能的要求更高：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放大器减小非线性效应

　　由于40Gbit/s系统需要的光信噪比(OSNR)比10Gbit/s高6dB左右，因此需要在放大时尽量抑制噪声。如果只采用提高发射光功率来满足OSNR的方法，则会带来光纤非线性效应。所以必须采用其他的措施，如采用Raman放大器、采用占空比小的信号调制格式等。

　　Raman放大器具有放大带宽大、噪声低的特点。其放大带宽取决于泵浦的波长及泵浦波长数，现在高用的已可达到80nm以上。等效噪声指数可低至0dB以下，在10Gbit/s大容量超长距离传输中已开始应用。采用Raman放大器后，较低的信号光功率就可得到较高的OSNR，从而减少光纤非线性效应的影响。

　　由于Raman放大器采用的受激喇曼散射(SRS)效应的低效率，单个Raman放大器的增益一般不足以补偿信号在光纤一个跨距段上的损耗，因此系统中往往同时需要命名用掺铒光纤放大器(EDFA)或多个Raman放大器。如合Raman放大，即同时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、传输距离20100km的系统和Mintera公司的容量4042.7Gbit/s、传输距离36100km的系统都采用了全喇曼放大，接收端OSNR可达19～22dB，比采用Raman放大器加EDFA混合放大的方式可提高OSNR5dB以上(提高的数据依赖于跨段损耗、Raman放大器的增益、Raman及EDFA的噪声指数、EDFA的增益等多种因素)。

　　进行有效色度色散补偿

　　40Gbit/s系统的色散温度系数约1ps/nm/℃，对色散容限为60ps/nm的40Gbit/s系统而言，意味着其工作温度范围就只有60℃，难以满足实际需求；第二，在实际的网络中，不同波长信号经过的路径不同，其色散不一样，因此，同一个接收机只有能容忍较大的色散变化量，才能满足来自不同路径信号的无误码接收需求；第三，光功率的变化，会引起非线性效应的变化，从而改变色散容忍度。

　　在40Gbit/s系统，尤其是长距离传输系统中，除了进行无源型的色散补偿(如色散补偿光纤)外，也可在信号调制和接收时，采取一定的措施以减小色散的影响。如在信号调制时加啁啾；在接收端进行动态色散补偿，目前可行的可调色散补偿措施是利用啁啾光纤光栅，对每个信道的残余色散进行可调的补偿；或在接收端采取自适应接收技术。

　　在10Gbit/s及以下的常距系统中，普遍采用的是非归零(NRZ)码的调制格式。在10Gbit/sWDM超长距离系统中，已逐渐采用了归零(RZ)码、载波抑制归零(CS-RZ)码。在40Gbit/s系统中，尤其是传输距离较长时，对码型可以获得更高的灵敏度、更低的接收OSNR、更大的色散或非线性容限等。

　　与NRZ相比，RZ的占空比小，同样平均功率时的峰值功率高，因此RZ的灵敏度、允许接收的OSNR更低，对PMD的容量大，但频谱宽、色散容限小。CS-RZ频谱比RZ的窄，对色散和SPM的容忍度较高。RZ-DPSK的频谱也比RZ窄，而且对非线性的容限很高，可获得近似线性的传输系统，因此在大容量、长距离的40Gbuit/s传输系统中很有优势，但需要相关接收机，设备复杂，到目前为止也仅限于实验室系统。

　　突破偏振模色散瓶颈

　　对光纤传输系统而言，当光信噪比、色度色散的问题解决后，偏振模色散成为传输的最终限制因素。如果光纤的偏振模色散为0.1ps/km2，若以平均差分群时延(DGD)小于信号比特周期的1/10作为PMD对系的限制，则40gbit/s信号无电中继的最大传输距离仅为625km。此外，当单信道信号速率达到40Gbit/s，二阶偏振模色散效应也明显起来，如在一阶偏振模色散补偿的研究中不考虑高阶偏振模色散的影响，系统允许的DGD可以从信号比特周期的0.11倍提高到信号比特周期的0.38倍，但由于高阶偏振模色散的作用，在实际系中传输限制只能提高到信号比特周期的0.29倍。因此，偏振模色散的宽带自适应实时补偿成为40gnit/s传输研究的热点问题之一。

　　由于偏振模色散值是统计随机量，所以人测量和补偿都较困难。PMD的补偿可在电域或光域进行，考虑到高速系统中电子器件的速率限制，最可能应用偏振模补偿的方案将在光域进行，目前在报道一阶PMD的补偿采用偏振控制器加保偏光纤米实现，但高阶PMD的补偿则较为困难，而且对PMD进行实时有效的监测是实现PMD的补偿的难点。目前，对PMD的更为现实的研究是提高码型的PMD容限及减小光纤的PMD系数。

----《通信产业报》