４０Ｇｂ／ｓ波分系統(tǒng)設(shè)備技術(shù)

摘要：隨著40 Gb/s端口路由器的出現(xiàn)，未來(lái)幾年內(nèi)40 Gb/s波分系統(tǒng)設(shè)備將取代現(xiàn)有的10 Gb/s波分系統(tǒng)設(shè)備，就像前幾年10 Gb/s波分系統(tǒng)設(shè)備取代2.5 Gb/s波分系統(tǒng)設(shè)備一樣。然而，40 Gb/s波分系統(tǒng)有很多傳輸限制因素，包括光放大器自發(fā)輻射噪聲、光纖非線性效應(yīng)、色散、偏振模色散等等。為實(shí)現(xiàn)40 Gb/s的波分傳輸，采取新型調(diào)制碼型、可調(diào)色散補(bǔ)償、偏振模色散補(bǔ)償?shù)却胧┲陵P(guān)重要。

關(guān)鍵詞：波分復(fù)用；調(diào)制碼型；光信噪比；光纖非線性

隨著IP業(yè)務(wù)的爆炸式增長(zhǎng)，對(duì)傳輸速率和傳輸容量需求的不斷增加，40 Gb/s端口路由器的出現(xiàn)直接刺激了40 Gb/s波分系統(tǒng)的發(fā)展。人們已從早幾年的“該不該發(fā)展40 Gb/s 波分技術(shù)”的猶豫中走出來(lái)，越來(lái)越多的光通信器件和系統(tǒng)設(shè)備供應(yīng)商以及網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商參與到40 Gb/s波分系統(tǒng)的研究和建設(shè)中來(lái)。目前40 Gb/s波分設(shè)備技術(shù)基本成熟，但價(jià)格仍居高不下。本文綜合分析了40 Gb/s波分系統(tǒng)的傳輸限制因素以及采取的技術(shù)解決方案。

1 波分系統(tǒng)配置

波分系統(tǒng)的基本配置見(jiàn)圖1，包括光終端(OTM)、光線路放大器(OLA)站點(diǎn)[1-2]。圖1中未畫出色散補(bǔ)償模塊(DCM)。

40 Gb/s波分系統(tǒng)接收端光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器(OTU)的配置較復(fù)雜，見(jiàn)圖2。由于復(fù)用段的DCM不能完成色散精細(xì)補(bǔ)償，40 Gb/s的系統(tǒng)色散容限小，需配置可調(diào)色散補(bǔ)償器(TDC)。由于接收機(jī)輸入光功率的動(dòng)態(tài)范圍有限，為了使接收機(jī)在較高輸入光功率下獲得較大的光信噪比(OSNR)容限，需配置光放大器(OA)鎖定輸出光功率。OA和TDC集成在OTU單板內(nèi)，根據(jù)系統(tǒng)偏振模色散的大小，還需選配偏振模色散補(bǔ)償器(PMDC)。此外，40 Gb/s波分系統(tǒng)中其他光器件比10 Gb/s波分系統(tǒng)的參數(shù)規(guī)范更嚴(yán)格。

2 40 Gb/s系統(tǒng)設(shè)備的調(diào)制碼型

表1給出了目前40 Gb/s系統(tǒng)設(shè)備常見(jiàn)的調(diào)制碼型的性能參數(shù)[3]。非歸零碼(NRZ)實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，適用于短距離的客戶側(cè)光互聯(lián)；光雙二進(jìn)制碼(ODB)信號(hào)譜寬小、實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、OSNR容限較差，適合城域網(wǎng)或8×22 dB以內(nèi)的長(zhǎng)途傳輸；非歸零差分相移鍵控碼(NRZ-DPSK)的非線性性能好、OSNR容限好、實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜，適合12×22 dB以內(nèi)的長(zhǎng)途傳輸；歸零交替?zhèn)魈?hào)反轉(zhuǎn)碼(RZ-AMI)性能介于ODB和NRZ-DPSK之間；偏振復(fù)用正交相移鍵控碼(DP-QPSK)的相干檢測(cè)系統(tǒng)值得關(guān)注。

早期的相干檢測(cè)技術(shù)被認(rèn)為是提高接收機(jī)靈敏度的有效手段，在光放大器出現(xiàn)之后，相干檢測(cè)技術(shù)研究陷入低潮，最近幾年相干檢測(cè)又成為40 Gb/s和100 Gb/s傳輸?shù)难芯繜狳c(diǎn)。DP-QPSK通過(guò)偏振復(fù)用和四相位調(diào)制將40 Gb/s信號(hào)速率降為10 Gb/s，從而適合數(shù)字信號(hào)處理，可在電域?qū)崿F(xiàn)色散補(bǔ)償、偏振模色散補(bǔ)償，如果模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換和數(shù)字信號(hào)處理芯片的處理速率進(jìn)一步提高，設(shè)備體積和功耗大幅度降低，未來(lái)幾年內(nèi)DP-QPSK可能達(dá)到工程實(shí)用化的水平。

3 傳輸限制因素及技術(shù)解決方案

3.1 系統(tǒng)噪聲

系統(tǒng)中光放大器產(chǎn)生的放大自發(fā)輻射(ASE)噪聲是限制傳輸性能的主要因素。系統(tǒng)中ASE用OSNR來(lái)衡量，即通道內(nèi)的信號(hào)功率與0.1 nm內(nèi)的噪聲功率的比值。40 Gb/s的波分系統(tǒng)傳輸性能的評(píng)估優(yōu)先考慮OSNR代價(jià)，而不是以往的通道功率代價(jià)。系統(tǒng)的OSNR設(shè)計(jì)從兩方面進(jìn)行考慮：提高系統(tǒng)接收端的OSNR和提高系統(tǒng)的OSNR容限。系統(tǒng)接收端的OSNR與系統(tǒng)的OSNR容限之差就是系統(tǒng)的OSNR裕量。

波分系統(tǒng)的接收端的OSNR與傳輸距離、每跨段距離、單波入纖光功率、光放大器個(gè)數(shù)密切相關(guān)。提高單波入纖光功率可有效提高系統(tǒng)接收端的OSNR，但必須權(quán)衡考慮非線性效應(yīng)引起的OSNR代價(jià)。傳輸距離越長(zhǎng)，系統(tǒng)的OSNR代價(jià)越大。

40 Gb/s系統(tǒng)的OSNR容限比10 Gb/s系統(tǒng)差6 dB，OSNR容限成為40 Gb/s系統(tǒng)工程實(shí)用化首當(dāng)其沖的技術(shù)難題。提高系統(tǒng)OSNR容限的途徑包括多種：采用更高OSNR容限的調(diào)制碼型、提高消光比、優(yōu)化接收機(jī)、采用前向誤碼糾錯(cuò)(FEC)技術(shù)。FEC是提高系統(tǒng)OSNR容限的最有效的手段，目前40 Gb/s FEC芯片已成熟商用。FEC提高系統(tǒng)OSNR容限的能力用編碼增益來(lái)衡量。ITU-T G.709[4]中提供的標(biāo)準(zhǔn)FEC的編碼增益大約5.8 dB，ITU-T G.975.1[5]列出了多種增強(qiáng)型FEC，編碼增益為8.5 dB左右，不同F(xiàn)EC之間不能互聯(lián)互通。

3.2 非線性效應(yīng)

波分系統(tǒng)中常見(jiàn)的非線性效應(yīng)包括自相位調(diào)制(SPM)、交叉相位調(diào)制(XPM)、四波混頻(FWM)、受激喇曼散射(SRS)、受激布里淵散射(SBS)。對(duì)40 Gb/s系統(tǒng)傳輸而言，影響最嚴(yán)重的是通道內(nèi)四波混頻(IFWM)和通道內(nèi)交叉相位調(diào)制(IXPM)[6-7]。

在10 Gb/s系統(tǒng)長(zhǎng)途傳輸中，SPM效應(yīng)一定程度上相當(dāng)于色散補(bǔ)償，推薦色散欠補(bǔ)償20 km左右；但40 Gb/s系統(tǒng)的SPM效應(yīng)并不明顯，推薦完全補(bǔ)償。40 Gb/s波分系統(tǒng)屬于偽線性系統(tǒng)，光纖色散導(dǎo)致信號(hào)脈沖迅速相互交疊。G.652光纖40 Gb/s波分系統(tǒng)，IFWM起主導(dǎo)作用；G.655光纖40 Gb/s波分系統(tǒng)，IXPM起主導(dǎo)作用。40 Gb/s的線路側(cè)調(diào)制碼型均有載波抑制，例如ODB、NRZ-DPSK、RZ-AMI，這樣在40 Gb/s單跳超長(zhǎng)系統(tǒng)中，SBS不再是最大入纖光功率的限制因素。FWM限制了G.653光纖的波分復(fù)用，可以優(yōu)化波長(zhǎng)配置方案、采用RZ-AMI碼傳輸來(lái)降低FWM的影響、采用光纖色散系數(shù)較大的L波段進(jìn)行波分傳輸[8]。

3.3 色散補(bǔ)償

色散補(bǔ)償分光域色散補(bǔ)償和電域色散補(bǔ)償。40 Gb/s系統(tǒng)的色散容限小，NRZ 40G色散容限只有NRZ10G的1/16。40 Gb/s的電域色散補(bǔ)償由于受芯片處理速率限制，暫時(shí)還不成熟。40 Gb/s波分系統(tǒng)的光域色散補(bǔ)償分固定色散補(bǔ)償和可調(diào)色散補(bǔ)償，即：復(fù)用段配置固定色散補(bǔ)償，通道層的接收機(jī)之前配置TDC。DCM完成復(fù)用段色散粗略補(bǔ)償，TDC大多采用技術(shù)相對(duì)較成熟的光纖光柵，完成通道層色散精細(xì)補(bǔ)償。

TDC的色散并不是寬帶分布，色散帶寬與色散調(diào)整量存在相互制約的關(guān)系，系統(tǒng)設(shè)計(jì)需考慮色散帶寬滿足調(diào)制碼型的帶寬需求。TDC采取自適應(yīng)色散補(bǔ)償策略，反饋信號(hào)為FEC芯片提供的糾錯(cuò)信息，根據(jù)糾錯(cuò)前誤碼率的變化規(guī)律指導(dǎo)色散調(diào)整。目前TDC只能調(diào)整總色散，不能調(diào)整通道色散。未來(lái)有可能出現(xiàn)通道級(jí)TDC，從而可以在復(fù)用段完成可調(diào)色散補(bǔ)償，大幅度降低通道層接收端的配置復(fù)雜性。

3.4 偏振模色散

偏振模色散(PMD)源于光纖的雙折射，使得信號(hào)的不同偏振態(tài)分量產(chǎn)生了離散效應(yīng)。PMD效應(yīng)用差分群時(shí)延(DGD)來(lái)衡量。DGD容限與信號(hào)傳輸速率相關(guān)，40 Gb/s的DGD容限很小，例如40 Gb/s的NRZ-DPSK只有8 ps，從而不得不考慮PMD設(shè)計(jì)。

系統(tǒng)的PMD設(shè)計(jì)可從兩方面著手，降低系統(tǒng)PMD和提高系統(tǒng)DGD容限。降低系統(tǒng)的PMD可通過(guò)采用PMD較低的光纖及器件，也可以通過(guò)PMDC實(shí)現(xiàn)。目前已鋪設(shè)的光纖的PMD系數(shù)很小，大部分都是小于

0.05 ps/km1/2。PMDC分光域補(bǔ)償和電域補(bǔ)償，電域補(bǔ)償受限于芯片處理速率，光域補(bǔ)償也尚未達(dá)到工程實(shí)用化的水平。分布式快速擾偏結(jié)合FEC技術(shù)最有可能成為PMDC的實(shí)用方案，通過(guò)快速擾偏降低突發(fā)誤碼，平均化后的突發(fā)誤碼利用FEC機(jī)制完成糾錯(cuò)。系統(tǒng)的DGD容限主要與調(diào)制碼型以及信號(hào)速率有關(guān)，超長(zhǎng)距離傳輸時(shí)可以采用DGD容限較高的調(diào)制碼型。

3.5 頻譜效率

頻譜效率定義為信號(hào)速率除以信號(hào)所占的帶寬，以C波段80/96×40G波分系統(tǒng)為例，頻譜效率為每赫茲0.8 b/s。目前廣泛應(yīng)用的50 GHz間隔傳輸?shù)?0 Gb/s波分系統(tǒng)設(shè)備的頻譜效率為每赫茲0.2 b/s，25 GHz間隔的10 Gb/s系統(tǒng)的工程應(yīng)用相對(duì)較少。40 Gb/s波分系統(tǒng)將以50 GHz間隔波分復(fù)用為主，少數(shù)超長(zhǎng)距離系統(tǒng)為100 GHz間隔波分復(fù)用。40 Gb/s波分系統(tǒng)應(yīng)用于50 GHz間隔波分復(fù)用時(shí)，尤其在可重構(gòu)的光分插復(fù)用器(ROADM)系統(tǒng)中，需考慮多個(gè)濾波器級(jí)聯(lián)的OSNR代價(jià)。

40 Gb/s系統(tǒng)通過(guò)減小信號(hào)譜寬來(lái)實(shí)現(xiàn)更密集的波分復(fù)用。例如ODB碼，由于壓縮了譜寬，從而可以適用于50 GHz間隔波分系統(tǒng)；傳統(tǒng)的NRZ-DPSK適用于100 GHz間隔波分復(fù)用，如果減小解調(diào)器的延時(shí)，在略微犧牲OSNR容限、非線性性能、DGD容限的前提下，也可以應(yīng)用于50 GHz間隔波分復(fù)用；多電平調(diào)制和偏振復(fù)用降低信號(hào)碼速率可獲得窄信號(hào)譜寬；殘留邊帶調(diào)制(VSB)技術(shù)也可以減少信號(hào)譜寬，實(shí)現(xiàn)更密集的波分復(fù)用；相干檢測(cè)也可容忍更密集的波分復(fù)用。

3.6 客戶側(cè)光模塊

與線路側(cè)光模塊的應(yīng)用環(huán)境不同，客戶側(cè)光模塊傳輸距離短、輸入信號(hào)中光噪聲小、非線性效應(yīng)較小，優(yōu)先考慮使用NRZ碼?？蛻魝?cè)光模塊要求實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、成本低、結(jié)構(gòu)緊湊、良好的橫向兼容性，應(yīng)盡量避免配置光放大器和色散補(bǔ)償。為減小線路色散，可采用1 310 nm傳輸窗口；為避免光放大器，可提高光接收機(jī)的靈敏度以及采用標(biāo)準(zhǔn)FEC技術(shù)。下面簡(jiǎn)述2 km和10 km的客戶側(cè)光模塊。

ITU-T G.693[9]規(guī)范了2 km光模塊(VSR2000-3R1和VSR2000-3R2)，分別為1 310 nm和1 550 nm窗口傳輸，輸出光功率為0~+3 dBm，線路損耗最大為4 dB，輸入光功率范圍為-5~+3 dBm。傳輸距離2 km不能完全滿足實(shí)際工程需求，ITU-T G.959.1[10]最近規(guī)范了10 km光模塊，均為1 310 nm窗口傳輸，其中規(guī)定了輸出光功率范圍為0~+4 dBm，同時(shí)輸入光功率范圍為-7~+4 dBm，線路最大損耗為6 dB，通過(guò)規(guī)范發(fā)射機(jī)波長(zhǎng)范圍來(lái)限制系統(tǒng)的最大色散為±16 ps/nm。

4 結(jié)束語(yǔ)

預(yù)計(jì)在2009年40 Gb/s波分系統(tǒng)將實(shí)現(xiàn)小規(guī)模的高端應(yīng)用，未來(lái)幾年 40 Gb/s波分系統(tǒng)必將逐步替代現(xiàn)有的10 Gb/s波分系統(tǒng)。20世紀(jì)90年代早期出現(xiàn)的摻鉺光纖放大器奠定了波分系統(tǒng)的發(fā)展基礎(chǔ)；2000年左右無(wú)線通信中的FEC技術(shù)開(kāi)始應(yīng)用于光通信，使得10 Gb/s系波分統(tǒng)無(wú)電中繼傳輸距離突破1 000 km。波分系統(tǒng)的下一個(gè)技術(shù)熱點(diǎn)是什么？是高速數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)在40 Gb/s或100 Gb/s系統(tǒng)中的應(yīng)用嗎？40 Gb/s波分系統(tǒng)的產(chǎn)品生命周期又有多長(zhǎng)？100 Gb/s波分系統(tǒng)何時(shí)進(jìn)入工程實(shí)用階段？讓我們拭目以待。

5 參考文獻(xiàn)

[1] 中華人民共和國(guó)通信行業(yè)標(biāo)準(zhǔn). N×40Gbps光波分復(fù)用（WDM）系統(tǒng)技術(shù)要求[S].

[2] 中華人民共和國(guó)通信行業(yè)標(biāo)準(zhǔn). N×10G超長(zhǎng)距離WDM系統(tǒng)技術(shù)要求（送審稿）[S].

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[10] ITU-T G.959.1. Optical transport network physical layer interfaces[S].2003.

收稿日期：2008-04-21

作者簡(jiǎn)介

沈百林，中興通訊股份有限公司工程師，碩士畢業(yè)于華中科技大學(xué)。長(zhǎng)期從事長(zhǎng)途波分系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)和相關(guān)技術(shù)研究。