超100Gbps光纤传输技术和系统试验最新进展

11/11/2011，摘要：随着100Gbps光纤传输系统商用部署的启动，超100Gbps光纤传输技术逐渐成为了光通信领域新的研究热点。简要分析超100Gbps光纤传输所涉及的关键技术，并介绍目前较有代表性的超100Gbps系统试验成果。

　　英文摘要:
　　关键词: 超100Gbps光纤传输，光正交频分复用， 正交幅度调制
　　英文关键词：Beyond 100Gbps，OFDM，QAM

　　概述

　　随着固定接入宽带用户的持续普及和未来LTE移动网络的部署以及各种宽带应用的大量涌现，骨干传送网带宽需求将持续快速增长。据光互连论坛（OIF）公布的数据，商用网络运营商长期年均流量增长将超过50%，即不到2年流量就翻一倍；而来自中国电信的数据是每年传输容量增加接近100%，5年带宽增长10-20倍。在带宽需求不断快速增长的驱动下，N×100Gbps DWDM开始走向规模商用，同时下一代DWDM技术即单信道超100Gbps技术的研究已经启动。

　　所谓“超100Gbps DWDM系统”一般指单波长信道速率400Gbps或1Tbps、而频谱效率大于目前主流的N×100Gbps DWDM的2bit/s/Hz的大容量波分复用系统。超100Gbps系统单信道和客户侧接口速率主要有2种：

　　100Gbps或1Tbps，按IP界速率演进规律1Tbps是一种选择，但综合技术实现难度等，400Gbps也是另外一种可能的选择。近2、3年国际领先的研究机构和知名的光通讯设备商在超100Gbps技术上都积极开展了较为深入的研究，完成了若干对未来超100Gbps技术走向有影响力的系统试验。本文将简要分析超100Gbps光纤传输系统所涉及的关键技术，并介绍具有代表性的超100Gbps系统试验成果。

　　超100Gbps系统关键技术分析

　　偏振复用正交相位调制（PDM-QPSK）、相干光接收、电均衡补偿是目前业界共识的100Gbps系统实现方式，也应是未来超100Gbps系统的技术基础。为了维持大容量长距离传输能力，超100Gbps光纤传输需要在更高效的光调制、各种损伤（尤其是光纤非线性损伤）补偿等关键技术上取得突破，更好传输性能的新型光纤等也是对超100Gbps光纤长距离传输的有利支持。

　　高效光调制技术

　　目前的N×100Gbps DWDM陆地系统通道间隔为50GHz，单纤C波段容量为8Tbps，频谱效率为2bit/s/Hz。发展需求要求超100Gbps DWDM系统提供大于N×100Gbps DWDM的单纤传输容量。业界比较一致的认识是采用多电平调制方案，即偏振复用M进制正交幅度调制（PDM-MQAM），光谱宽度可以压缩到PDM-QPSK的2/log2M。

　　图1[1]描述光信噪比OSNR代价与不同调制方式的每符号比特数的关系。不同的调制方式，每符号的比特数不一样，如PDM-QPSK是4比特/符号，而PDM-16QAM是8比特/符号，其光谱宽度是PDM-QPSK的1/2，从而可以容纳更多的波长通道或更高的信号速率，提升了传输容量。但是多电平调制由于各符号间码距缩小增加了OSNR代价，即达到同样的误码性能需要更高的系统OSNR，如PDM-16QAM需要的OSNR比PDM-QPSK高4dB。如假设系统发射功率、信道损伤影响等其它条件都不变，则PM-16QAM的传输距离只有PM-QPSK的40%，这可能会增加大量的电中继，提高了系统造价（即投资成本Capex）和运维复杂性（即运维成本Opex），所以高阶调制方案在长距DWDM应用中受到了很大的限制。


图1 OSNR代价与每符号比特数的关系

　　光正交频分复用技术（O-OFDM）

　　“低系统总成本”要求高阶调制OSNR的劣化不能太大，从而限制了高阶调制阶数；在可接受的调制阶数下所需要的相干光接收机中的模数转换器（ADC）又难以实现。超100Gbps系统符号速率就已经很高，如400Gbps信号，加上20%的前向纠错编码（FEC）总速率约480Gbps，PM-8QAM调制下波特率约80GBps，单载波调制电驱动器带宽要大于50GHz，ADC的采样速率要高于120 GSps，目前这么高采样率ADC面临巨大的技术实现瓶颈。因此完全通过单载波高阶调制实现超100Gbps大容量骨干传输的可行性较小。而O-OFDM采用多个正交子载波来承载信息，每个子载波信号速率较低，增加了方案的可行性。同时OFDM子载波频谱交叠也提高了频谱效率。

　　光正交多子载波的产生是O-OFDM方案的核心技术之一。业界试验了多种技术方案，图2[2]是较流行的基于循环频移器（RFS）光正交多载波结构图。RFS包括一个闭合的光纤环路、1个IQ调制器和两个光放大器（用来补偿频率转换所产生的损耗）。IQ调制器由两个幅度相等、90°相移的信号所驱动。多子载波幅度的一致性以及保持较高的子载波OSNR是该项技术的难点所在。


图2 基于RFS多载波发生器的结构图

　　光纤非线性补偿

　　光纤非线性效应不管是克尔效应还是受激散射效应都与光功率密度相关，超100Gbps系统要实现更大的系统容量通常采用更密集的光载波和较高阶的高阶光调制。由于更密集的光载波意味着更大的非线性损伤，而且高阶调制对非线性引入的噪声更敏感，超100Gbps系统的非线性损伤对系统性能影响较100Gbps系统严重得多。如为减小非线性损伤引入的传输代价而降低每载波的光功率，那么对于同样的光纤链路超100Gbps系统所能达到OSNR会更低，无电中继传输距离再次被缩短，从而不能满足系统应用要求。因此光纤的非线性补偿是超100Gbps系统中不得不重点突破的技术难题。研究表明超100Gbps系统中带内非线性是各种非线性效应中的主要因素，这增加了非线性补偿的可能性。

    新型光纤技术

　　开发非线性效应低而且损耗更低的光纤也是在超100Gbps系统驱动下光纤技术的发展方向之一，近几年报道的用于大容量光纤传输实验的光纤大都是特殊光纤，如线性增强的纯硅纤芯光纤（PSCF)、多纤芯光纤（MCF）。未来还可能有中空型纤芯光子晶体光纤（HC-PCF)，其主要通过扩大纤芯面积（如150um2，是G.652光纤的2倍）来降低非线性效益，这类新型光纤损耗也更小一些，但规模生产还需要时间。

　　超100Gbps系统研究进展

　　近年业界进行了大量的超100Gbps系统试验，表1汇总了颇具代表性的基于O-OFDM技术的超100Gbps系统传输试验。从中可以看出1Tbps速率以上的方案以O-OFDM为主。
　　 
　　表1 超100Gbps系统传输试验



    另外超100Gbps 光时分复用（OTDM）系统传输实验也有一些研究报道[8][9]，其串行方式造成码速率太高，相关技术的成熟度较差，预计难以走向实用。对于400Gbps速率，通常为多子载波和高阶光调制方式并存，但高阶调制在提高频谱效率的同时传输能力明显下降。

　　结束语

　　随着N×100Gbps DWDM系统的部署，超100Gbps光纤传输技术成为了新的研究热点。超100Gbps系统面临技术和工程化的巨大挑战，全球研究机构、设备商和电信运营商开展了卓有成效的技术研究，已取得了诸多研究成果，我们欣喜地看到中国的企业如中兴通讯也跻身其中，期望能引领未来的超100Gbps系统技术发展和应用。

　　参考文献：
　　(1) S.Chandrasekhar et al.，OFC2011,OMU5.
　　(2) Y.Ma et al., OFC2009, PDPC1.
　　(3) Jianjun Yu et al., OFC2011,PDPA6.
　　(4) Ze Dong et al., OECC2011, PDP4.
　　(5) S. Chandrasekhar et al., ECOC2009, PD2.6.
　　(6) Tiejun J Xia et al., OFC2011, PDPA3.
　　(7) Qi Yang et al., OFC2011, JThA35.
　　(8) T.Richter et al., OFC2011,PDPA9.
　　(9) Chao Zhang et al., ECOC2009, PD2.8.