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Benyuan Zhu
OFS公司
摘要：本文回顧了近幾年來高頻譜密度、高容量、長距離陸地傳輸光網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展歷程，分析了其優(yōu)勢和局限性，并討論了下一代光傳送網(wǎng)的技術(shù)挑戰(zhàn)。
關(guān)鍵詞：光通訊，調(diào)制，光傳送網(wǎng)
引言
如何降低每千米比特的傳輸成本是下一代光傳送網(wǎng)的關(guān)鍵。過去的做法是增加單根光纖的帶寬，讓更多的信道共享設(shè)備，從而降低每波長成本。最近科學(xué)家正致力于擴展非再生系統(tǒng)的傳輸距離，并引入透明傳輸光網(wǎng)絡(luò)，通過減少光-電-光轉(zhuǎn)換再生器來降低網(wǎng)絡(luò)成本。高級調(diào)制形式、低噪聲拉曼放大器、高性能傳輸光纖以及高編碼增益前向糾錯等技術(shù)的出現(xiàn)使得每光纖傳輸容量上升到數(shù)T比特，利用放大器傳輸距離可擴展到幾千公里。但是，要實現(xiàn)透明光傳輸網(wǎng)絡(luò)還面臨許多技術(shù)挑戰(zhàn)。
T比特長距離WDM傳輸系統(tǒng)優(yōu)勢
目前，高容量商業(yè)陸地光傳輸系統(tǒng)的配置可超過1Tb/s，傳輸距離超過1000km。這些系統(tǒng)利用密集WDM，在C-和L-波段擁有一百多個50GHz信道間隔、10Gb/s傳輸速率的信道。WDM結(jié)合高速電路時分復(fù)用，可在保證網(wǎng)絡(luò)可靠升級的同時大大降低成本。通過縮小信道帶寬或采用更好的鏈路速率如40Gb/s，可提高頻譜效率從而實現(xiàn)容量升級。雖然光通訊行業(yè)的近期低迷一定程度上影響了40Gb/s系統(tǒng)的配置，但40Gb/s鏈路速率天生就是10Gb/s的繼承者，因為它是標準的SDH數(shù)據(jù)速率，40Gb/s WDM系統(tǒng)通過減小信道間隔提高信號頻譜效率和傳輸容量，同時降低了功率消耗，從而大大降低了每千米比特的傳輸成本。但提高鏈路速率的同時還會增大色散、偏振模式色散（PMD）和光纖非線性效果。最近，為了克服這些問題，科學(xué)家提出了各種不同的新傳輸技術(shù)，在采用放大器基礎(chǔ)上實現(xiàn)了幾千米距離的多T比特容量通信，頻譜效率高達0.4和0.8 bit/s/Hz。圖1顯示了10Gb/s和40Gb/s WDM系統(tǒng)在80km-100km距離上的傳輸實驗結(jié)果。
圖1：10-Gb/s和40-Gb/s DWDM傳輸系統(tǒng)實驗結(jié)果
如圖1所示，40Gb/s WDM技術(shù)正朝著多T比特長距離傳輸系統(tǒng)發(fā)展。該實驗采用電信運營商現(xiàn)有標準SMF（SSMF）和非零色散光纖（NZDF）設(shè)備。對于信道間隔為25GHz（頻譜效率為0.4 bit/s/Hz）的10Gb/s系統(tǒng)，利用色散管理光纖跨度（DMFS）可演示15 Pb-km/s的容量-距離積。當采用40Gb/s信道速率和50GHz信道間隔，光纖跨度設(shè)置為100km可實現(xiàn)160信道（6.4Tb/s）超過3200km的傳輸距離，創(chuàng)造了20 Pb-km/s的容量-距離積。通過采用一系列增強技術(shù)包括高級調(diào)制格式、拉曼放大、新傳輸光纖和高編碼增益FEC可實現(xiàn)很好的效果。
高容量長距離傳輸系統(tǒng)的增強技術(shù)
高級調(diào)制技術(shù)
長距離陸地系統(tǒng)調(diào)制格式減小了非線性的負面影響，提高了接收靈敏度，并允許更窄的頻譜寬度，從而提高了頻譜效率。最常用的格式是非歸零碼（NRZ）、歸零碼（RZ）和載波抑制歸零碼（CSRZ）。最近又研究出更高級的編碼格式如差分相移鍵控歸零碼（RZ-DPSK）、雙二進制、單邊帶/殘余邊帶調(diào)制（SSB/VSB）、相位整形二進制傳輸（PSBT）都可應(yīng)用于高速率WDM傳輸系統(tǒng)。
實驗證明CSRZ-DPSK調(diào)制格式加上光信號濾波器是實現(xiàn)40Gb/s超高速頻譜效率（0.8 bit/s/Hz）的最佳調(diào)制格式，同時也能保證系統(tǒng)幾千公里的傳輸距離。和傳統(tǒng)的開關(guān)鍵控（OOK）信號相比，DPSK的優(yōu)勢是在實現(xiàn)給定比特誤碼率（BER）前提下，光信號載干比要求更低~3dB。例如，為實現(xiàn)10-9的BER，采用42.7Gb/s的RZ-DPSK的靈敏度為45光子/比特。其它優(yōu)勢包括減小了10Gb/s WDM系統(tǒng)中信道間交叉相位調(diào)制（XPM）的損傷。此外，即使加上信道間四波混頻（IFWM）和非線性相位噪聲，40Gb/s DPSK的所有非線性余量也比OOK傳輸系統(tǒng)高。對窄頻譜帶寬操作，CSRZ-DPSK有更多的優(yōu)勢，并能繼續(xù)保持高接收靈敏性。
拉曼技術(shù)
拉曼技術(shù)是低噪聲中繼放大器的基礎(chǔ)，具有大持續(xù)范圍帶寬。分布式拉曼放大器結(jié)合摻餌光纖放大器（EDFA）可擴展WDM傳輸距離和容量，降低了每信道功率消耗，并保證長距離系統(tǒng)所需的OSNR。所有的拉曼放大器都可應(yīng)用于40Gb/s和10Gb/s傳輸系統(tǒng)，有時還會采用互泵浦和相對泵浦技術(shù)。拉曼放大的性能（包括拉曼增益效率和有效噪聲輪廓）取決于所使用的光纖類型和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。拉曼增益效率和一系列因素有關(guān)，包括拉曼有效面積、光纖組成以及泵浦和信號波長。
光纖的有效面積必須最優(yōu)化才能實現(xiàn)最好的拉曼增益效果，并有效降低非線性影響和瑞利后向散射系數(shù)，該系數(shù)與光纖有效面積成反比。分布式拉曼所用光纖必須在泵浦波長處有較低的損耗，因此為了獲得一定的拉曼增益有必要降低泵浦功率。此外，光纖性能如色散和色散斜率將決定與拉曼噪聲關(guān)聯(lián)的pump-pump或pump-signal非線性交感是否發(fā)生。低色散斜率NZDF從泵浦波長范圍轉(zhuǎn)移到零色散波長，防止了互泵浦拉曼放大系統(tǒng)中因pump-pump四波混頻和pump-signal四波混頻而造成信號OSNR降低。
高性能傳輸光纖
新光纖技術(shù)的設(shè)計要求包括：支持寬帶寬色散和色散斜率補償，系統(tǒng)PMD低，增強拉曼放大效果，降低非線性引起的系統(tǒng)損耗，并簡化光網(wǎng)絡(luò)。最近研制出了色散為+7到+8 ps/nm/km且具有低關(guān)聯(lián)色散斜率（RDS）的光纖。這些光纖有足夠的色散優(yōu)勢來降低信道間的非線性，比SSMF有更低的色散，大大降低了成本以及DCF。新NZDF光纖在1550nm波長處λ0<1400nm，色散為7 ps/nm/km，RDS為0.0058/nm。特種光纖類型（如超大面積光纖（SLA）和反向色散光纖（IDF））也可應(yīng)用于陸地光傳輸網(wǎng)。色散斜率管理光纖加上良好的色散圖形將更好地管理信號失真和非線性引起的信號損失。除了支持C-和L-波段的斜率補償外，色散管理還大大減少了泵浦色散補償模塊的缺陷，色散補償模塊的作用是在不增加總系統(tǒng)時長的前提下降低系統(tǒng)損耗、PMD和成本。相關(guān)的實驗已經(jīng)在使用DMFS的10Gb/s和40Gb/s系統(tǒng)中成功完成。
高編碼增益前向糾錯技術(shù)
FEC在WDM長距離傳輸系統(tǒng)的應(yīng)用實質(zhì)上獲得了足夠的余量。常用的FEC編碼是（255，239）RS碼，將比特速率提高了7%，在10-15 BER可獲得6dB編碼增益。實驗證明RS編碼線性速率從7%增加到14%時可獲得1.2dB編碼增益。串聯(lián)FEC編碼可進一步改善編碼增益，而兩種FEC編碼，包括內(nèi)部編碼和外部編碼都可繼續(xù)使用。
光梳和迭代編碼也經(jīng)常應(yīng)用于串聯(lián)FEC編碼。建議在10Gb/s系統(tǒng)中采用RS（255.223）和RS（255，239）級聯(lián)碼可獲得2dB編碼增益和25%的線性速率。最近的實驗證明，采用3 bit軟判決塊Turbo碼，可獲得10.1dB的凈編碼增益和24.6%的冗余。對于40Gb/s傳輸系統(tǒng)，由于接收機對OSNR更敏感，因此系統(tǒng)對FEC要求更高。由于在高鏈路速率中經(jīng)常發(fā)生信號損傷，因此在40Gb/s系統(tǒng)中需要提高的編碼增益，并降低開銷冗余。
下一代光傳輸網(wǎng)的挑戰(zhàn)
在當前的骨干網(wǎng)中，高密度WDM主要應(yīng)用于傳輸，提供節(jié)點間的固定點對點連接。業(yè)務(wù)的交叉連接仍然以電信號形式完成，因此在傳輸系統(tǒng)和交叉連接處需要O/E/O轉(zhuǎn)換器。O/E/O轉(zhuǎn)換再生器增加了網(wǎng)絡(luò)成本，因此出現(xiàn)了透明或“全光”網(wǎng)絡(luò)概念。透明光傳輸網(wǎng)是指系統(tǒng)依靠可重構(gòu)光分插復(fù)用器（ROADM）和光交叉連接器（OXC）實現(xiàn)業(yè)務(wù)在波長或頻帶粒度上透明傳送，不再需要O/E/O轉(zhuǎn)換，從而降低系統(tǒng)成本。
光傳輸損耗仍然是透明光傳輸網(wǎng)絡(luò)的主要問題，因此高容量長距離傳輸技術(shù)是透明光傳輸網(wǎng)的關(guān)鍵。此外，當系統(tǒng)從靜態(tài)的點對點發(fā)展到動態(tài)透明光網(wǎng)絡(luò)時還面臨很多其它的挑戰(zhàn)。鏈路上的光信號可能來自不同的信號源，有不同的目的地，因此OSNR值也各不相同；網(wǎng)絡(luò)可能由不同類型和不同長度的光纖混合組成，因此有不同的色散曲線。此外，由于波長濾波引起帶寬變窄，所以信號上下路波長水平不同可能造成在光節(jié)點處的層疊。信道上下路還可以引起功率瞬態(tài)變化，并在幾個放大跨度上積聚。
為了創(chuàng)建透明WDM網(wǎng)絡(luò)，容忍不同線性或非線性損耗的傳輸技術(shù)是必不可少的，同時還需要清晰的色散圖形，使得波長可在任何距離、任何節(jié)點和任何波長處分插。高可靠性和高性價比ROADM和OXC、多粒度波長以及頻帶交換機，結(jié)合高級傳輸技術(shù)，可能是動態(tài)透明WDM光網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展方向。
總結(jié)
陸地傳輸技術(shù)正朝著多T比特長距離點對點鏈路發(fā)展。最佳調(diào)制形式、低噪聲拉曼放大、新型光纖和高編碼增益FEC都是實現(xiàn)高容量長距離光傳輸系統(tǒng)的高級技術(shù)。之后的相關(guān)研發(fā)課題是發(fā)展一種有效、高容忍和適應(yīng)性的技術(shù)，來滿足未來透明光傳送網(wǎng)的要求。
參考文獻
1 B. Zhu, et al., ECOC’2002, Paper PD4.2.
2 C. Rasmussen, et al.,OFC’2003, Paper PD18.
3 L. Noirie, OFC’2003, Paper FA1.
4 I. Tomkos, ECOC’2002, Paper PD2.1.
5 B. Zhu, et al., OFC’2001, Paper PD23.
6 S. Bigo, et al., ECOC’2001, Paper PD.M.1.1.
7 A. H. Gnauck, et al., OFC’2002, Paper FC2.
8 B. Zhu, et al., OFC’2002, Paper FC8.
9 G. Charlet, et al., OFC’2003, Paper WE3
10 D. F. Grosz, et al., ECOC’2002, Paper PD4.3.
11 C. Rasmussen, et al., ECOC’2002, Paper PD4.4.
12 B. Zhu, et al., OFC’2003, Paper PD19.
13 G. Charlet, et al., OFC’2003, Paper PD25.
14 T. Tanaka, et al., ECOC’2000, Paper PD1.8.
15 D. F. Grosz, et al., ECOC’2001, Paper PDB. 1.3.
16 C. Hullin, et al., ECOC2002, Paper 1.13.
17 G. Vareille, et al., OFC’2003, Paper PD20
18 F. Di Pasquale, et al., OFC’2003, Paper WE2.
19 Y. Frignac, et al., OFC’2002, Paper FC5.
20 D. Chen, et al., OFC’2001, Paper PD36.
21 T. Otani, et al., OFC’2002, Paper FC9.
22 D. Chen, et al., OFC’2002, Paper FC10.
23 A. R. Pratt, et al., OFC’2003, Paper PD26.
24 A. H. Gnauck, et al., IEEE Photon. Technol. Lett. Vol. 15, pp. 99-101, (2003).
25 X. Liu, et al., ECOC’2002, Paper 9.6.5.
26 R. Neuhauser, et al., OFC’2001, Paper MA4.
27 J. Bromage, et al., OAA’2002, Paper OWA5.
28 S. Ait, OFC’2001, Paper TuF1.
29 T. Mizuochi, et al., OFC’2003, Paper PD21.
30 M. D. Feuer, OFC’2003, Paper WG4.
