11/11/2011，摘要：隨著100Gbps光纖傳輸系統(tǒng)商用部署的啟動，超100Gbps光纖傳輸技術逐漸成為了光通信領域新的研究熱點。簡要分析超100Gbps光纖傳輸所涉及的關鍵技術，并介紹目前較有代表性的超100Gbps系統(tǒng)試驗成果。

　　英文摘要:
　　關鍵詞: 超100Gbps光纖傳輸，光正交頻分復用， 正交幅度調制
　　英文關鍵詞：Beyond 100Gbps，OFDM，QAM

　　概述

　　隨著固定接入寬帶用戶的持續(xù)普及和未來LTE移動網絡的部署以及各種寬帶應用的大量涌現(xiàn)，骨干傳送網帶寬需求將持續(xù)快速增長。據光互連論壇（OIF）公布的數據，商用網絡運營商長期年均流量增長將超過50%，即不到2年流量就翻一倍；而來自中國電信的數據是每年傳輸容量增加接近100%，5年帶寬增長10-20倍。在帶寬需求不斷快速增長的驅動下，N×100Gbps DWDM開始走向規(guī)模商用，同時下一代DWDM技術即單信道超100Gbps技術的研究已經啟動。

　　所謂“超100Gbps DWDM系統(tǒng)”一般指單波長信道速率400Gbps或1Tbps、而頻譜效率大于目前主流的N×100Gbps DWDM的2bit/s/Hz的大容量波分復用系統(tǒng)。超100Gbps系統(tǒng)單信道和客戶側接口速率主要有2種：

　　100Gbps或1Tbps，按IP界速率演進規(guī)律1Tbps是一種選擇，但綜合技術實現(xiàn)難度等，400Gbps也是另外一種可能的選擇。近2、3年國際領先的研究機構和知名的光通訊設備商在超100Gbps技術上都積極開展了較為深入的研究，完成了若干對未來超100Gbps技術走向有影響力的系統(tǒng)試驗。本文將簡要分析超100Gbps光纖傳輸系統(tǒng)所涉及的關鍵技術，并介紹具有代表性的超100Gbps系統(tǒng)試驗成果。

　　超100Gbps系統(tǒng)關鍵技術分析

　　偏振復用正交相位調制（PDM-QPSK）、相干光接收、電均衡補償是目前業(yè)界共識的100Gbps系統(tǒng)實現(xiàn)方式，也應是未來超100Gbps系統(tǒng)的技術基礎。為了維持大容量長距離傳輸能力，超100Gbps光纖傳輸需要在更高效的光調制、各種損傷（尤其是光纖非線性損傷）補償等關鍵技術上取得突破，更好傳輸性能的新型光纖等也是對超100Gbps光纖長距離傳輸的有利支持。

　　高效光調制技術

　　目前的N×100Gbps DWDM陸地系統(tǒng)通道間隔為50GHz，單纖C波段容量為8Tbps，頻譜效率為2bit/s/Hz。發(fā)展需求要求超100Gbps DWDM系統(tǒng)提供大于N×100Gbps DWDM的單纖傳輸容量。業(yè)界比較一致的認識是采用多電平調制方案，即偏振復用M進制正交幅度調制（PDM-MQAM），光譜寬度可以壓縮到PDM-QPSK的2/log2M。

　　圖1[1]描述光信噪比OSNR代價與不同調制方式的每符號比特數的關系。不同的調制方式，每符號的比特數不一樣，如PDM-QPSK是4比特/符號，而PDM-16QAM是8比特/符號，其光譜寬度是PDM-QPSK的1/2，從而可以容納更多的波長通道或更高的信號速率，提升了傳輸容量。但是多電平調制由于各符號間碼距縮小增加了OSNR代價，即達到同樣的誤碼性能需要更高的系統(tǒng)OSNR，如PDM-16QAM需要的OSNR比PDM-QPSK高4dB。如假設系統(tǒng)發(fā)射功率、信道損傷影響等其它條件都不變，則PM-16QAM的傳輸距離只有PM-QPSK的40%，這可能會增加大量的電中繼，提高了系統(tǒng)造價（即投資成本Capex）和運維復雜性（即運維成本Opex），所以高階調制方案在長距DWDM應用中受到了很大的限制。


圖1 OSNR代價與每符號比特數的關系

　　光正交頻分復用技術（O-OFDM）

　　“低系統(tǒng)總成本”要求高階調制OSNR的劣化不能太大，從而限制了高階調制階數；在可接受的調制階數下所需要的相干光接收機中的模數轉換器（ADC）又難以實現(xiàn)。超100Gbps系統(tǒng)符號速率就已經很高，如400Gbps信號，加上20%的前向糾錯編碼（FEC）總速率約480Gbps，PM-8QAM調制下波特率約80GBps，單載波調制電驅動器帶寬要大于50GHz，ADC的采樣速率要高于120 GSps，目前這么高采樣率ADC面臨巨大的技術實現(xiàn)瓶頸。因此完全通過單載波高階調制實現(xiàn)超100Gbps大容量骨干傳輸的可行性較小。而O-OFDM采用多個正交子載波來承載信息，每個子載波信號速率較低，增加了方案的可行性。同時OFDM子載波頻譜交疊也提高了頻譜效率。

　　光正交多子載波的產生是O-OFDM方案的核心技術之一。業(yè)界試驗了多種技術方案，圖2[2]是較流行的基于循環(huán)頻移器（RFS）光正交多載波結構圖。RFS包括一個閉合的光纖環(huán)路、1個IQ調制器和兩個光放大器（用來補償頻率轉換所產生的損耗）。IQ調制器由兩個幅度相等、90°相移的信號所驅動。多子載波幅度的一致性以及保持較高的子載波OSNR是該項技術的難點所在。


圖2 基于RFS多載波發(fā)生器的結構圖

　　光纖非線性補償

　　光纖非線性效應不管是克爾效應還是受激散射效應都與光功率密度相關，超100Gbps系統(tǒng)要實現(xiàn)更大的系統(tǒng)容量通常采用更密集的光載波和較高階的高階光調制。由于更密集的光載波意味著更大的非線性損傷，而且高階調制對非線性引入的噪聲更敏感，超100Gbps系統(tǒng)的非線性損傷對系統(tǒng)性能影響較100Gbps系統(tǒng)嚴重得多。如為減小非線性損傷引入的傳輸代價而降低每載波的光功率，那么對于同樣的光纖鏈路超100Gbps系統(tǒng)所能達到OSNR會更低，無電中繼傳輸距離再次被縮短，從而不能滿足系統(tǒng)應用要求。因此光纖的非線性補償是超100Gbps系統(tǒng)中不得不重點突破的技術難題。研究表明超100Gbps系統(tǒng)中帶內非線性是各種非線性效應中的主要因素，這增加了非線性補償的可能性。

    新型光纖技術

　　開發(fā)非線性效應低而且損耗更低的光纖也是在超100Gbps系統(tǒng)驅動下光纖技術的發(fā)展方向之一，近幾年報道的用于大容量光纖傳輸實驗的光纖大都是特殊光纖，如線性增強的純硅纖芯光纖（PSCF)、多纖芯光纖（MCF）。未來還可能有中空型纖芯光子晶體光纖（HC-PCF)，其主要通過擴大纖芯面積（如150um2，是G.652光纖的2倍）來降低非線性效益，這類新型光纖損耗也更小一些，但規(guī)模生產還需要時間。

　　超100Gbps系統(tǒng)研究進展

　　近年業(yè)界進行了大量的超100Gbps系統(tǒng)試驗，表1匯總了頗具代表性的基于O-OFDM技術的超100Gbps系統(tǒng)傳輸試驗。從中可以看出1Tbps速率以上的方案以O-OFDM為主。
　　 
　　表1 超100Gbps系統(tǒng)傳輸試驗



    另外超100Gbps 光時分復用（OTDM）系統(tǒng)傳輸實驗也有一些研究報道[8][9]，其串行方式造成碼速率太高，相關技術的成熟度較差，預計難以走向實用。對于400Gbps速率，通常為多子載波和高階光調制方式并存，但高階調制在提高頻譜效率的同時傳輸能力明顯下降。

　　結束語

　　隨著N×100Gbps DWDM系統(tǒng)的部署，超100Gbps光纖傳輸技術成為了新的研究熱點。超100Gbps系統(tǒng)面臨技術和工程化的巨大挑戰(zhàn)，全球研究機構、設備商和電信運營商開展了卓有成效的技術研究，已取得了諸多研究成果，我們欣喜地看到中國的企業(yè)如中興通訊也躋身其中，期望能引領未來的超100Gbps系統(tǒng)技術發(fā)展和應用。

　　參考文獻：
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　　(9) Chao Zhang et al., ECOC2009, PD2.8.