面向單纖100 Tbit/s容量的光傳輸技術

羅 鳴，賀志學，胡 榮，劉 武，楊 奇，余少華

（武漢郵電科學研究院光纖通信技術和網絡國家重點實驗室 武漢430074）

1 引言

隨著互聯網、云計算、移動寬帶、數據中心的快速發展，網絡傳輸帶寬需求呈現爆炸式增長，推動著超大容量光傳輸系統的發展。為了提升現有光傳輸系統的容量，波分復用、數字相干接收及低噪聲光放大等關鍵技術被認為是提升容量的有效解決方案[1]。自20世紀80年代末，波分復用技術被引入光纖通信領域之后，單模光纖單纖傳輸容量成倍增長。僅最近15年內，實驗室中獲得的單模光纖單纖傳輸容量就從10 Tbit/s迅速擴展到超過100 Tbit/s。在實際商用系統方面，目前已大規模商用的單通道100 Gbit/s DWDM傳輸系統的滿配信道數量已經超過180波，總容量接近20 Tbit/s數量級。隨著下一代單通道400 Gbit/s/1 Tbit/s光傳輸技術的發展，商用骨干網單纖傳輸容量也將很快接近或達到100 Tbit/s數量級。通過提升信道速率，并且結合波分復用技術是目前提高光纖傳輸系統通信容量的主流技術。

另一方面，相比于傳統的直接探測方式，數字相干接收技術具有靈敏度高、噪聲低、傳輸質量好的優點。但由于數字相干技術實現較為復雜、對器件要求較高等缺點，過去長期難以真正實用。近10年以來，隨著窄線寬激光器、集成相干接收器件以及高速數字信號處理芯片的突破，數字相干接收技術被應用到商用高速光纖通信領域，并成為新一代單通道100 Gbit/s商用骨干光傳輸網的主要傳輸方式。

以數字相干技術為基礎，國內外眾多研究機構圍繞高譜效率和高波特率展開了一系列研究：2011年，Qian D Y等人實現了PMD-1024QAM-OFDM光信號高階調制，獲得了目前相干光信號單通道最高譜效率[2]；2012年OFC會議上Raybon G等人將相干光信號調制的最高波特率提升至80 Gbaud/s，創造了當時相干光信號最高調制波特率的紀錄[3]。最后，傳統商用光纖傳輸鏈路中的EDFA（摻餌光纖放大器）已經不能完全滿足迅猛增長的傳輸容量對光放大器噪聲指數的需求，因此低噪聲光放大技術成為學術界和業界討論的熱點問題，Raman（拉曼）光放大器、超低噪聲EDFA等技術均是未來光纖傳輸鏈路放大的候選方案。波分復用、數字相干接收及低噪聲光放大等關鍵技術的逐步應用，為實現單纖100 Tbit/s容量的光傳輸系統奠定了堅實的基礎。

2 超大容量單纖光傳輸技術研究現狀

本文中所說的單纖光傳輸技術中的“單纖”，特指一根單芯單模光纖，少模光纖、多芯光纖不在本文的討論范圍之內。截至2014年底，國內外容量超過60 Tbit/s的單纖光傳輸系統實驗見表1。

從表1可以看出，第一個容量超60 Tbit/s的單模光纖傳輸系統實驗是2010年在C/L波段采用PDM-36QAM單載波和相干探測技術完成的，傳輸距離320 km，使用了大有效面積光纖結合EDFA和拉曼放大器混傳的鏈路，譜效率為8 bit/(s·Hz)[4]，同 年Sano A采 用PDM-16QAM單 載波調制方式在C/L+波段實現了傳輸容量達69 Tbit/s的光傳輸系統實驗，信號用EDFA和拉曼放大器混合放大，在大有效面積光纖鏈路上傳輸了240 km，譜效率為6.4 bit/(s·Hz)[5]。近幾年，高階調制方式如64QAM、128QAM、512QAM和1024QAM也被應用到光傳輸系統中，通過提升傳輸譜效率來增大光傳輸容量[2,6～8]，分別實現了C/L波段101.7 Tbit/s PDM-128QAM-OFDM信號在標準單模光纖結合拉曼放大器鏈路上傳輸165 km的系統實驗[6]和C/L+波段102.3 Tbit/s PDM-64QAM單載波頻分復用信號在大有效面積光纖結合拉曼放大鏈路上傳輸240 km的系統實驗[7]，而該實驗是目前單模光纖波分復用光傳輸系統的最大傳輸容量。

表1 國內外單纖光傳輸容量超過60 Tbit/s的波分復用光傳輸系統實驗統計

過去，由于實驗設備和技術水平的限制，國內在超大容量單模單纖光傳輸領域的研究明顯落后于國外。近5年來，武漢郵電科學研究院（以下簡稱武郵）作為國內光纖通信研究的主力軍在該領域奮起直追，逐漸接近或達到國際領先水平。2011年，在國內首次實現了C波段30.7 Tbit/s相干光PDM-16QAM-OFDM 80 km標準單模光纖傳輸實驗[9]。2012年，采用DFT-S OFDM調制技術實現了168×100 Gbit/s DFT-S 8PSK OFDM 2 240 km標準單模光纖傳輸系統實驗[10]，其容量距離積屬當時國際領先水平。2013年，采用PDM-16QAM-OFDM調制實現了67.44 Tbit/s超大容量160 km標準單模光纖傳輸系統實驗[11]，達到了當時國內光纖傳輸的最高水平。2014年，在國內首次實現了100.2 Tbit/s雙偏振DFT-S 128QAM OFDM信號傳輸80 km標準單模光纖的系統實驗[12]，填補了我國在這一領域的空白。

圖1顯示的是目前國際單模光纖波分復用系統傳輸容量的現狀（截至2014年底）。可以看出，實現的單纖100.2 Tbit/s傳輸容量已屬國際領先水平，與NTT、NEC等國外研究機構處于同一水平線，而在國內屬于首次實現單纖100 Tbit/s級超大容量光傳輸。

3 單纖100 Tbit/s容量光傳輸系統的技術路線

各種研究表明，100 Tbit/s傳輸容量被認為是單模光纖傳輸的極限容量，超過這一容量時單模光纖內的非線性效應和OSNR（光信噪比）的代價將使無誤碼傳輸難以實現。為了實現單纖100 Tbit/s容量的光傳輸系統，必須解決以下3個現實問題：如何產生數量龐大的信道光源；如何實現高調制階數和高譜效率的光信號調制；如何降低光纖傳輸鏈路的功率損耗和噪聲累積，同時降低鏈路的非線性損傷。針對這3個問題提出實現單纖100 Tbit/s容量光傳輸的技術路線。

3.1 多載波光源產生技術

目前，由于光、電器件帶寬的限制，實驗室中進行的超大容量單模單纖光傳輸系統實驗都是利用DWDM（密集波分復用）的方式，將低速調制的光載波在光頻域上并行復用來實現傳輸容量的增加。面向百Tbit/s級超大容量的光傳輸系統的頻譜，覆蓋了C波段和L波段的絕大部分，這意味著系統需要提供數百個間隔相等的穩定光源。對比當前主流的超大容量光傳輸實驗，穩定光源的獲取都采取以下兩種方式。

圖1 單模光纖WDM系統傳輸容量現狀

[6,7]采用數百個成本較低的DFB（分布反饋激光器）光源構成DWDM信道光源。由于DFB光源成本只有窄線寬光源ECL（外腔激光器）的1/10，因此可以大大降低實驗系統成本。但DFB光源的線寬較寬，不適合用于相干光通信，在實際測試每個信道的星座圖和BER時，要使用一個波長可調的窄線寬激光器來代替要測試的那一路信道光源。該方法只限于實驗室研究使用，實際系統中均需要采用窄線寬激光器作為系統光源，光源數量多，成本高。

·參考文獻[11,12]采用16個獨立激光源，并利用了多載波光源產生技術，每個獨立光源展寬為25個頻率間隔為25 GHz的光載波。因此，16個獨立光源展寬為數百個光子載波，且每個光子載波的OSNR均大于40 dB。由于引入了多載波產生技術，只需要少量激光器就可以產生大量頻率間隔固定的載波光源，大大降低了系統成本并提升了系統性能。

因此，利用少量激光器來產生大量頻率間隔固定的載波光源，從而來減少激光器的數量，節省成本并提高系統性能的多載波光源生成技術，是百Tbit/s級超大容量光傳輸系統的關鍵技術，是系統構建的第一個環節，是系統中不可缺少的重要部分。多載波光源產生技術的好壞直接決定百Tbit/s級超大容量光傳輸系統的系統性能。

3.2 新型光調制和復用技術

要實現百Tbit/s級超大容量單模單纖光傳輸系統，其最大的技術瓶頸就是如何有效提高系統譜效率，新型的調制技術和有效的復用技術被認為是提升譜效率的關鍵。對調制格式而言，從理論上講只要提高調制階數，就可以提高系統譜效率，從而提升系統的傳輸容量。但在實際系統中，調制階數的提高要求接收端具有更高的光信噪比。單純地通過提高調制階數來提升系統傳輸容量會受到一定的限制，需要在探求新型光調制技術的同時構建信號傳輸損傷機制，通過預調制處理及數字信號補償的方式實現系統容量的提升。

提升譜效率的另一種途徑就是如何有效地減少通道間的保護間隔，更大限度地利用有限的頻譜資源，光OFDM（正交頻分復用）技術及單載波奈奎斯特調制復用技術均可以有效地減少系統通道間的保護間隔，有效提升系統譜效率，是實現百Tbit/s級超大容量光傳輸系統首選的調制復用技術。近年來，單載波奈奎斯特調制復用技術逐漸成為研究熱點，其原理是在信號發射端用電域或者光域濾波的方式，利用奈奎斯特濾波器對頻譜進行整形，整形后的子波帶頻譜接近一個矩形，其頻譜帶寬等于光子載波信號傳輸波特率，能夠極大地減小帶外的能量泄露，從而減小子波帶之間的串擾[13]。但單載波奈奎斯特濾波調制，無論是電域整形還是光域濾波，都會增加一定的成本，頻帶間隔過小會導致其頻帶間干擾引起系統性能下降，譜效率提升遭遇瓶頸。

相干光OFDM是一種多載波調制方式，首先將輸入信號經過串并轉換后變為頻域上的并行數據，然后通過傅立葉反變換（IFFT），將其變為時域信號再進行傳輸，在接收端，信號通過傅立葉變換（FFT）后轉換到頻域上再進行信號的解調。相干光OFDM在頻域上呈現的是矩形頻譜，這使其能夠更好地適用于多級光學濾波系統，OFDM的譜效率從原理上來說比傳統單載波系統高一倍，在實際應用中也優于其40%以上；另一方面，相干光OFDM由于引入了循環前綴，因此擁有較強的抵抗色度色散和偏振模色散的能力；此外，OFDM信號還具有DSP運算復雜度低、接收端要求的信號采樣率低等優良特性[14]。然而其高峰均比易導致非線性效應、過多的循環前綴及導頻信息限制其譜效率的進一步提升。

針對傳統的OFDM信號峰均功率比較高導致非線性容忍度較差的缺點，DFT-S（離散傅立葉變換擴展）OFDM調制應運而生。它與傳統OFDM調制的不同點在于，發送端數據映射之后，將數據分為N個子帶，先經過一個離散傅立葉變換，將這N個子帶在頻域上進行擴展。擴展之后的結果再進行反向快速傅立葉變換，將信號從頻域轉向時域。在這一過程中，發送端的DFT-S OFDM信號峰均功率比相較于傳統OFDM信號低約5 dB。參考文獻[15,16]均證明，在OFDM光纖傳輸系統中，DFT-S技術可以有效地降低發送端的峰均功率比，從而提高光信號的最佳入纖功率，改善超大容量光傳輸系統性能。

3.3 光纖鏈路及放大方式

商用的單模光纖傳輸系統主要利用G.652標準單模光纖作為傳輸介質，使用EDFA光放大器進行衰減補償。當傳輸容量達到100 Tbit/s級別時，由于系統通道數的急劇增加，入纖功率大幅提高；同時，傳輸信號的調制階數達到或超過64QAM，使得接收端性能對傳輸鏈路損傷極為敏感，因此要實現100 Tbit/s級別的長距離傳輸，需要更為先進的光纖鏈路和放大方式。

目前，100 Tbit/s級單模光纖傳輸鏈路主要通過以下3種手段提高傳輸距離。

（1）大有效面積光纖鏈路

標準單模光纖的有效面積為70～80μm2，而大有效面積光纖的有效面積一般超過110μm2。更大的有效面積可以顯著降低光纖的非線性效應，提高信號的入纖功率，增加接收端光信號的OSNR。大有效面積光纖的優良性能表現，使它成為近年的研究熱點，也使其成為100 Tbit/s容量單模光纖傳輸鏈路的備選方案。

（2）Raman光放大器補償鏈路損耗

Raman光放大器的工作原理是基于石英光纖中的受激拉曼散射效應，在形式上表現為處于泵浦光的拉曼增益帶寬內的弱信號與強泵浦光波同時在光纖中傳輸，從而使弱信號光得到放大。相比于EDFA放大器，Raman光放大器具有全波段放大、超低噪指數、抑制非線性效應等顯著優勢，因而是單纖100 Tbit/s級光傳輸鏈路的首選放大方式，表1中所列的超大容量光傳輸實驗均使用了Raman光放大器。

（3）縮短鏈路跨距

常規商用光纖鏈路的跨距一般為80～100 km，而單纖100 Tbit/s級光傳輸鏈路跨距一般為40～50 km。更小的跨距意味著更小的鏈路損耗和更小的累積噪聲，對提升接收端的OSNR有積極意義。

上述方法已經在國際上一些超大容量單模光纖傳輸實驗中得到了應用。參考文獻[6]采用55 km跨距的標準單模光纖結合Raman光放大器，實現了101.7 Tbit/s雙偏振OFDM 128QAM信號傳輸165 km，在世界上首次實現了100 Tbit/s容量級別光信號的單模光纖傳輸；參考文獻[7]采用80 km跨距的大有效面積光纖結合Raman光放大器，實現了102.3 Tbit/s雙偏振單載波頻分復用64QAM調制信號傳輸240 km。

4 國內首次單纖100 Tbit/s容量的光傳輸系統實驗介紹

在67.44 Tbit/s超大容量光傳輸實驗研究的基礎上，通過研究高階調制格式帶來的系統性能惡化等問題，采用雙偏振DFT-S 128QAM OFDM高階調制結合全鏈路拉曼放大，實現C/L波段100.2 Tbit/s（凈荷速率）超大容量超密集波分復用相干光OFDM信號傳輸80 km G.652光纖的系統實驗，實驗系統裝置如圖2所示。

系統的詳細配置如下。

圖2 100 Tbit/s相干光OFDM 80 km SSMF傳輸系統實驗框架

在發射端，C/L波段各8個光源，共16個光源，分別分為8路奇數路和8路偶數路，8路奇數路光源和8路偶數路光分別經過4×1保偏耦合器耦合后，利用保偏EDFA放大至23 dBm后，進入相位調制器生成多載波光，相位調制器分別被頻率為25 GHz、強度約為1.5 W的正弦波信號調制，調制后每個光源生成了23個以上的光子載波，每個光子載波間隔為25 GHz，生成多載波經過WSS整形合波后，根據光器件的波長范圍，共產生C波段190路、L波段185路，共計375路頻率間隔為25 GHz的光傳輸信道，經過C/L合波器后進入IQ調制器。另有一個單獨的波長可調的ECL激光器輸入IQ調制器，該光源是測試每一路信道誤碼率和星座圖的種子光源，用來替代多載波產生的光載波。

傳輸信號由MATLAB編程產生，231-1的偽隨機碼經過映射為DFT-S 128QAM OFDM基帶信號，該基帶信號包含168個帶有有效載荷的子載波，另有4個子載波作為導頻用以估計相位，2個子載波用來抵消相干光接收時本振光源對信號的影響，總子載波數為256個，1/32的碼元時間作為循環前綴，采用泰克公司的任意波形發生器將編程的DFT-S 128QAM OFDM基帶信號生成電信號，通過IQ調制器將該電信號同時調制到所有光子載波上，經EDFA放大至22 dBm，進入強度調制器，該調制器被頻率為8.156 25 GHz，強度為10 mW的正弦波信號調制后，生成的子載波信道調制光被擴展為3路頻率間隔為8.156 25 GHz的子信道，每路子載波信道的傳輸信號帶寬為24.468 75 GHz，其略小于子載波信道間隔（25 GHz），目的是為相鄰的信道留出保護間隔。

生成的DFT-S 128QAM OFDM信號經過一個偏振分束器，該偏振分束器的一路相比另外一路延遲了一個OFDM幀時間長度（22 ns），用以仿真偏振復用狀態，由此產生了每路信道。每個8.156 25 GHz間隔子信道的傳輸速率為12×7×2×168/(256+8)=106.9 Gbit/s，每路25 GHz間隔的光子載波信道速率為3×106.9 Gbit/s=320.7 Gbit/s，每路信道的譜效率為12.828 bit/(s·Hz)。由此，該系統的375路信道的總傳輸速率為120.262 5 Tbit/s，由于系統使用第三代FEC糾錯編碼，解碼門限為0.02，編碼冗余為20%，因此系統凈傳輸速率為120.262 5/(1+0.2)=100.218 7 Tbit/s，凈譜效率為10.69 bit/(s·Hz)。信號經過兩段由Raman放大器放大的40 km標準單模光纖（SMF）傳輸后，到達接收端，經過接收端EDFA放大和光濾波器濾波后，得到任意路的光子載波信號，調整相干接收端的本振光源的波長，利用相干接收將任意路的光子載波信號解調，通過平衡接收機的光電轉換輸入進入實時示波器進行數據采集，信號由實時示波器模數轉換后，通過計算機離線處理后得到恢復，離線處理一般都經過信號同步、循環前綴去除、串并變換、FFT、信道估計、相位估計等步驟來恢復解調出最終數據，恢復的128QAM星座圖及整形后的375個光子載波光譜如圖3所示。

圖3 128QAM星座圖及關鍵點的光譜

其整形后的375個子載波經過DFT-S 128QAM OFDM信號調制后的光譜如圖4所示。

圖4 加載DFT-S 128QAM OFDM調制信號后的光譜

經過80 km傳輸后，系統接收端的光譜和各子信道的原始誤碼率情況如圖5所示。結果顯示，每個子信道的原始誤碼率均低于0.02，低于第三代FEC糾錯編碼解碼門限，經過糾錯解碼后即可無誤碼接收。

圖5 100 Tbit/s信號經過80 km傳輸后光譜及各子信道傳輸誤碼情況

5 結束語

本文對目前國內外單模單纖超大容量光傳輸系統實驗進行了比較分析，全面介紹了面向單纖100 Tbit/s容量的光傳輸技術，比較了近年來國內外在超大容量單模光纖傳輸領域的一些實驗進展；重點闡述了100 Tbit/s容量單模光纖傳輸系統的技術特點和技術路線，并詳細介紹了武漢郵電科學研究院實現的100.2 Tbit/s雙偏振DFT-S 128QAM OFDM信號80 km標準單模光纖光傳輸系統實驗的系統方案與實驗結果。100 Tbit/s級單模單纖光傳輸實驗代表了光纖傳輸領域的世界最高水平，也是未來商用光纖傳輸系統發展的必然趨勢，圍繞其實現的關鍵技術如多載波光產生技術、新型調制及復用技術、非線性損傷的算法補償、新型光纖鏈路研究以及光纖通信波段的擴展等，還面臨諸多挑戰，因此面向單纖100 Tbit/s容量的光傳輸技術將是未來業界的持續研究熱點。

參考文獻

1 Winzer P J.Modulation and multiplexing in optical communication systems.IEEE LEOS Newsletter,2009,23(1):4～10

2 Huang M F,Qian D Y,Ip E.50.53-Gbit/s PDM-1024QAM-OFDM transmission using pilot-based phase noise mitigation.Proceedings of Opto Electronics and Communications Conference(OECC),Torino,Italy,2011:752～753

3 Raybon G.8×320-Gbit/s transmission over 5 600 km using all-ETDM 80-Gbaud polarization multiplexed QPSK transmitter and coherentreceiver.Proceedings of OFC/NFOEC 2012,Los Angeles,USA,2012

4 Zhou X.64-Tbit/s(640×107-Gbit/s)PDM-36QAM transmission over 320 km using both pre-and post-transmission digital equalization.Proceedings of Optical Fiber Communication,Collocated National Fiber Optic Engineers Conference,San Diego,CA,USA,2010

5 Sano A,Masuda H,Kobayashi T,et al.69.1-Tbit/s(432×171-Gbit/s)C-and extended L-band transmission over 240 km using PDM-16-QAM modulation and digital coherent detection.Proceedings of OFC/NFOEC2010,Anaheim,California,CA,USA,2010

6 Qian D.High capacity/spectral efficiency 101.7-Tbit/s WDM transmission using PDM-128QAM-OFDM over 165-km SSMF within C-and L-bands.Journal of Lightwave Technology,2012,30(10):1540～1548

7 Sano1 A,Kobayashi T,Yamanaka S,et al.102.3-Tbit/s(224×548-Gbit/s)C-and extended L-band all-Raman transmission over 240 km using PDM-64QAM single carrier FDM with digital pilot tone.Proceedings of OFC/NFOEC2012,Los Angeles,CA,USA,2012

8 Okamoto S,Toyoda K,Omiya T,et al.512 QAM(54 Gbit/s)coherent optical transmission over 150 km with an optical bandwidth of 4.1 GHz.Proceedings of EOEC 2010,Torino,Italy,2010

9 賀志學,羅鳴,李超等.30.7 Tbit/s相干光PDM 16QAM OFDM 80 km SSMF傳輸.光通信研究,2012(6):1～3 He Z X,Luo M,Li C,et al.30.7 Tbit/s coherent light PDM 16QAM OFDM 80 km SSMF transmissions.Study on Optical Communications,2012(6):1～3

10 Yang Q,Xiao X,Li C,et al.168×103 Gbit/s 25-GHz-spaced C-band transmission over 2 240 km SSMF with improved nonlinearity using DFT-S OFDM-8PSK modulation.Proceedings of Asia Communications and Photonics Conference,Guangzhou,China,2012:7～10

11 Li C,Luo M,Xiao X,et al.63-Tbit/s(368×183.3-Gbit/s)C-and L-band all-Raman transmission over 160-km SSMF using OFDM-16QAM modulation.Chinese Optics Letters,2013,12(4)

12 Luo M,Li C,Yang Q,et al.100.3-Tbit/s(375×267.27-Gbit/s)Cand L-band transmission over 80-km SSMF using DFT-S OFDM 128-QAM.Proceedings of Asia Communications and Photonics Conference 2014(ACP’2014),Shanghai,China,2014:11～14

13 楊奇,張曉吟.基于OFDM調制和Nyquist濾波的超寬通道大容量光傳輸.光通信研究,2012(6):6～9 Yang Q,Zhang X Y.Ultra-wideband high-capacity optical transmission based on OFDM modulation and Nyquist filtering.Study on Optical Communications,2012(6):6～9

14 Nazarathy M,Weidenfeld R,Noe R,et al.Recent advances in coherent optical OFDM high-speed transmission.Proceedings of IEEE IPGC 2008,Singapore,2008

15 Yang Q,He Z,Yang Z,et al.Coherent optical DFT-spread OFDM transmission using orthogonal band multiplexing.Opt Express,2012,20(3):2379～2385

16 Li C,Yang Q,Jiang T,et al.Investigation of coherent optical multiband DFT-S OFDM in long haul transmission.IEEE Photon Technol Lett,2012,24(19):1704～1707