作者：Akira Hirano Yutaka Miyamoto
NTT網絡創(chuàng)新實驗室
摘要：我們已經提交了包括CS-RZ，DCS-RZ和CSRZ-DPSK在內的各種新興傳輸方式。在本文我們討論了每種調制方式在DWDM應用時的性能表現(xiàn)，并進行了40 ch x 43-Gbit/s/ch傳輸演示。
1、40G調制方式發(fā)展趨勢
一種成熟的調制方式不僅可以壓縮傳輸頻帶，使頻帶利用率提高，同時也能幫助系統(tǒng)獲得更高的性能——能更好地抵御GVD和PMD的影響。我們已經提交了CS-RZ [1]和DCS-RZ [2]兩種調制方式，這兩種調制方式所輸出的壓縮光譜不僅具有更高的GVD和PMD容限，也能很好地抑制光纖非線性效應所帶來的影響。最近，我們又提交了CSRZ-DPSK [3]和RZ-DPSK方式[4, 5]，這兩種方式對光纖非線性效應有更好的抑制作用，特別是在DWDM傳輸時的交叉相位調制XPM方面。
歸零差分相移鍵控RZ－DPSK信號將數(shù)據(jù)承載于鄰近光脈沖的差分相位上，即前后2個信號的載波相位相同是信號“1”；前后2個信號的載波相位相反是信號“0”，光脈沖作為載波。從光學振幅的角度來看，光脈沖都是all-mark圖形（pattern）。在振幅鍵控（Amplitude Shift Keying）傳輸應用時，鄰近通道可能是Mark也可能是Space，這依賴于數(shù)據(jù)，從而導致交叉相位調制XPM的數(shù)量明顯趨于多樣化。然而，XPM在RZ-DPSK傳輸時被有效遏制，這是因為鄰近通道都是all-mark。在DWDM應用方面，CSRZ-DPSK（載波抑制差分相位調制）方式相比RZ-DPSK方式能得到更窄的壓縮頻帶。因此，這種調制方式擁有更多的優(yōu)勢，如更高的濾波串聯(lián)（filter cascading）容限，更寬的GVD容限，更低的通道間串擾以及更高的非線性抵制能力[6]。
因此，近期的長途和大容量40Gbps傳輸試驗[7，8]大多采用CSRZ-DPSK調制方式。圖1總結了近年來OFC報告上有關40Gbps最新趨勢。圖中顯示，新穎的調制方式結合先進的濾波技術將成為高容量長距離高光譜效率傳輸系統(tǒng)發(fā)展演化道路上的強大推動力量。在2004年OFC上CS-RZ是最受歡迎碼型。而在所有的信號調制方式當中，如果要綜合考慮容量×距離和光譜效率等因素的話，CSRZ-DPSK無疑是最具優(yōu)勢的調制方式。
2. CS-RZ DPSK的優(yōu)勢
我們來比較一下CSRZ-DPSK和RZ-DPSK兩種調制方式的差別，這兩種信號都可以通過圖2所顯示的發(fā)射機結構來獲得。如圖3所示，CSRZ碼由兩個馬赫-曾德（Mach-Zehnder）調制器級聯(lián)調制而產生，首先由分布反饋式激光二極管（DFB-LD）發(fā)射光波，然后進入第一個推拉式的馬赫-曾德（Mach-Zehnder）調制器，經過MZ調制器的編碼生成一個43-Gbit/s DPSK信號。該調制器偏離發(fā)射零點（null point）以調制相位。接著DPSK信號被傳送到時鐘部分，那里放置了第二個MZ調制器，該調制器的作用是將DPSK信號轉換為一個RZ形式的脈沖流。該脈沖流視第二個調制器的偏壓點（bias point）的不同，而具有兩種不同的信號模式，當偏壓點被設置在發(fā)射最大量的位置（transmission maximum），驅動正弦振幅為2 Vπ的時候，產生的是RZ-DPSK信號，所產生脈沖的占空因子（duty cycle）為33%；如果將偏壓點設定在發(fā)射空位（transmission null）上，則產生CSRZ-DPSK信號，其duty cycle為66%。如果是采用CSRZ-DPSK信號模式，那光譜應該得到更有效的壓縮。受此影響，CSRZ-DPSK在處理更窄的通道間隔時顯得更為嫻熟（或者說robustness）。圖3顯示了在三通道機構里中心通道的串擾代價（crosstalk penalty）與通道間隔之間的關系。
通道間隔減少時，線性串擾代價就會逐漸增加。光通帶（pass-band）也隨著通道間隔的縮小而減少，這是因為通帶是通道間隔的0.75倍。因此，圖中顯示的串擾代價是在通道間隔變小的時候受到狹窄光濾波引起的。RZ-DPSK信號由此就比CSRZ-DPSK信號獲得更多的串擾代價，如通道間隔是100-GHz的時候，RZ-DPSK信號相比CSRZ-DPSK信號的1.45dB總串擾代價，就多了0.74-dB的額外代價。這樣看來，無論是從串擾的角度還是光濾波代價的角度看，CSRZ-DPSK信號都顯得更加適合用于DWDM領域。
為了評估每一種信號調制方式的總傳輸性能，我們引入了一個8通道43-Gbit/s/ch DWDM數(shù)字傳輸模擬系統(tǒng)。該系統(tǒng)的結構可參看圖4，8個發(fā)射機可產生一個43-Gbit/s CSRZ-DPSK 或者RZ-DPSK信號。通道間隔為100GHz的光載波頻率范圍從192.1 到192.8 THz，正好處于G.652光纖的C波段內。這些信號被100-GHz平坦型AWG復用。鄰近光通道的27-1偽隨機二進制序列（PRBS）圖案（patterns）相對地被25%的總圖案長度抵消。傳輸線包含了兩個光纖跨度，一種是G.652光纖，一種是屬于負色散光纖（RDF），這種光纖被用來補償色度色散及其斜率的。兩種跨度的長度都是120公里。
接著發(fā)射的WDM信號又被100-GHz平坦型AWG解復用。這些解復用的43-Gbit/s CSRZ-DPSK或RZ-DPSK信號再通過一個馬赫-曾德干涉儀（MZI）濾波器來轉變成一個幅度調制 (AM)信號。MZI濾波器具有1比特的延遲（23ps）和零光差分相位。因而，它擁有一個43GHz的自由光譜范圍（FSR），可以從CSRZ-DPSK或RZ-DPSK信號里提取出中心光譜成分。
圖4顯示的是兩種信號經過240公里的傳輸后1-dB 眼開度代價（eye-opening penalty）的等高線圖，這個圖被看作是入纖功率和總色度色散（包括了在接收終端的色散補償光纖DCF）之間的關系圖。所有8個通道的結果都顯示在這個圖中。RDF主要用來補償G.652光纖的色散及其斜率的，所有8個通道都得到了0-ps/nm的總色散優(yōu)化。如果采用RZ-DPSK方式，那最大的入纖功率就被限制在7 dBm以內，如果采用CSRZ-DPSK信號，那允許的最大注入功率就可以達到10 dBm/ch。另外，傳輸后的每一個通道色散容限也都是RZ-DPSK信號的2倍。因而240公里的G.652光纖傳輸模擬結果就顯示出CSRZ-DPSK信號相比RZ-DPSK.增加了3-dB的額外入纖功率，色散容限也是后者的兩倍。
3. 采用分布式拉曼放大器的40 ch x 43-Gbit/s傳輸試驗
演示過程中我們采用CSRZ-DPSK 方式來進行40 ch x 43-Gbit/s DWDM傳輸。圖5顯示了本次演示的結構圖。載波波長按照100-GHz的間隔從1480.46 到1509.53 nm依序排列。每一個跨度都包含了100公里的DSF（帶有前置和后置拉曼泵浦源），增益帶寬位移摻Tm光纖放大器(GS-TDFA)串聯(lián)再生器[9]（內嵌色散補償光纖和增益均衡器）。每一個再生器的輸出功率都設定在+17 dBm。圖6顯示了經過400公里傳輸后的1.6 Tbit/s Q參數(shù)情況。清晰的眼開雙二進制（duobinary）RZ碼也被獲得。所有的43-Gbit/s通道都可以在Q參數(shù)高于12 dB的情況下被成功傳輸。
4. 結論
在最近的報道中，使用CSRZ-DPSK方式獲得的最高性能是容量x距離超過20-Pbit km/s，光譜效率達到0.8 bit/s/Hz。通過與RZ-DPSK調制方式的對比我們大致了解了CSRZ-DPSK的優(yōu)異基本線性串擾和容限性能。其中這些超級性能中一個關鍵參數(shù)就是其占空比（duty ratio）達到66%。CSRZ-DPSK本質上可以獲得比RZ-DPSK更窄的壓縮頻帶，在100GHz DWDM應用時的代價也更小，只有0.7 dB。壓縮的頻帶也可以產生兩倍于RZ-DPSK的色度色散容限。我們也發(fā)現(xiàn)CSRZ-DPSK在標準單模光纖上傳輸時能更好地抑制光纖非線性效應。CSRZ-DPSK在僅僅兩個跨度的傳輸中就增加了3-dB的入纖功率。在40 ch x 43-Gbit/s DWDM傳輸時，我們也演示了集成切邊放大器技術CSRZ-DPSK的優(yōu)異性能。
5. 參考文獻
[1] Y. Miyamoto, et al., ”320-Gbit/s (8 x 40-Gbit/s) WDM transmission over 367-km zero-dispersion-flattened line with 120-km repeater spacing using carrier-suppressed return-to-zero pulse format,” Technical Digest of OAA’99 post-deadline paper, PDP4,1999.
[2] Y. Miyamoto et al., “S-band 3x120-km DSF transmission of 8x42.7-Gbit/s DWDM duobinary-carrier-suppressed RZ signals generated by novel wideband PM/AM conversion,” Technical Digest of OAA’2001 post-deadline paper, PD6, 2001.
[3] Y. Miyamoto et al., “S-band WDM coherent transmission of 40/spl times/43-Gbit/s CS-RZ DPSK signals over 400 km DSF using hybrid GS-TDFAs/Raman amplifiers,” IEE Electron. Lett., vol. 38, pp.1569-1570, 2002.
[4] T. Miyano et al., “Suppression of degradation induced by SPM/XPM+GVD in WDM transmission using bit-synchronous intensity modulated DPSK signal,” Technical Digest of OECC’2000, Paper 14D3-3, 2000.
[5] A. H. Gnauck et al., “2.5 Tb/s (64x42.7 Gb/s) transmission over 40x100 km NZDSF using RZ-DPSK format and all-Ramanamplified spans,” Technical Digest of OFC’2002, post-deadline paper FC2, 2002.
[6] A. Hirano et al., “Performances of CSRZ-DPSK and RZ-DPSK in 43-Gbit/s/ch DWDM G.652 single-mode-fiber transmission,” Technical Digest of OFC’2003 paper ThE4, 2003.
[7] C. Rasmuseen et al., “DWDM 40G transmission over trans-Pacific distance (10,000km) using CSRZ-DPSK, enhanced FEC and all-Raman amplified 100km UltraWave fiber spans,” Technical Digest of OFC’2003 post-deadline paper, PD18, 2003.
[8] B. Zhu et al., “6.4-Tb/s (160 x 42.7 Gb/s) transmission with 0.8 bit/Hz spectral efficiency over 32 x 100km of fiber using CSRZ-DPSK format,” Technical Digest of OFC’2003 post-deadline paper, PD19, 2003.
[9] S. Aozasa et al., “1480-1510 nm-band Tm doped fiber amplifiers (TDFA) with a high conversion efficiency of 42%,”
