超100Gbps光纤传输技术和系统试验最新进展

2011-11-09 17:12

概述

　　随着固定接入宽带用户的持续普及和未来LTE移动网络的部署以及各种宽带应用的大量涌现，骨干传送网带宽需求将持续快速增长。据光互连论坛（OIF）公布的数据，商用网络运营商长期年均流量增长将超过50%，即不到2年流量就翻一倍；而来自中国电信的数据是每年传输容量增加接近100%，5年带宽增长10-20倍。在带宽需求不断快速增长的驱动下，N×100GbpsDWDM开始走向规模商用，同时下一代DWDM技术即单信道超100Gbps技术的研究已经启动。

　　所谓“超100Gbps DWDM系统”一般指单波长信道速率400Gbps或1Tbps、而频谱效率大于目前主流的N×100Gbps DWDM的2bit/s/Hz的大容量波分复用系统。超100Gbps系统单信道和客户侧接口速率主要有2种：

　　100Gbps或1Tbps，按IP界速率演进规律1Tbps是一种选择，但综合技术实现难度等，400Gbps也是另外一种可能的选择。近2、3年国际领先的研究机构和知名的光通讯设备商在超100Gbps技术上都积极开展了较为深入的研究，完成了若干对未来超100Gbps技术走向有影响力的系统试验。本文将简要分析超100Gbps光纤传输系统所涉及的关键技术，并介绍具有代表性的超100Gbps系统试验成果。

超100Gbps系统关键技术分析

　　偏振复用正交相位调制（PDM-QPSK）、相干光接收、电均衡补偿是目前业界共识的100Gbps系统实现方式，也应是未来超100Gbps系统的技术基础。为了维持大容量长距离传输能力，超100Gbps光纤传输需要在更高效的光调制、各种损伤（尤其是光纤非线性损伤）补偿等关键技术上取得突破，更好传输性能的新型光纤等也是对超100Gbps光纤长距离传输的有利支持。

高效光调制技术

　　目前的N×100Gbps DWDM陆地系统通道间隔为50GHz，单纤C波段容量为8Tbps，频谱效率为2bit/s/Hz。发展需求要求超100Gbps DWDM系统提供大于N×100Gbps DWDM的单纤传输容量。业界比较一致的认识是采用多电平调制方案，即偏振复用M进制正交幅度调制（PDM-MQAM），光谱宽度可以压缩到PDM-QPSK的2/log2M。

　　图1[1]描述光信噪比OSNR代价与不同调制方式的每符号比特数的关系。不同的调制方式，每符号的比特数不一样，如PDM-QPSK是4比特/符号，而PDM-16QAM是8比特/符号，其光谱宽度是PDM-QPSK的1/2，从而可以容纳更多的波长通道或更高的信号速率，提升了传输容量。但是多电平调制由于各符号间码距缩小增加了OSNR代价，即达到同样的误码性能需要更高的系统OSNR，如PDM-16QAM需要的OSNR比PDM-QPSK高4dB。如假设系统发射功率、信道损伤影响等其它条件都不变，则PM-16QAM的传输距离只有PM-QPSK的40%，这可能会增加大量的电中继，提高了系统造价（即投资成本Capex）和运维复杂性（即运维成本Opex），所以高阶调制方案在长距DWDM应用中受到了很大的限制。

图1 OSNR代价与每符号比特数的关系

　光正交频分复用技术（O-OFDM）

　　“低系统总成本”要求高阶调制OSNR的劣化不能太大，从而限制了高阶调制阶数；在可接受的调制阶数下所需要的相干光接收机中的模数转换器（ADC）又难以实现。超100Gbps系统符号速率就已经很高，如400Gbps信号，加上20%的前向纠错编码（FEC）总速率约480Gbps，PM-8QAM调制下波特率约80GBps，单载波调制电驱动器带宽要大于50GHz，ADC的采样速率要高于120 GSps，目前这么高采样率ADC面临巨大的技术实现瓶颈。因此完全通过单载波高阶调制实现超100Gbps大容量骨干传输的可行性较小。而O-OFDM采用多个正交子载波来承载信息，每个子载波信号速率较低，增加了方案的可行性。同时OFDM子载波频谱交叠也提高了频谱效率。

　　光正交多子载波的产生是O-OFDM方案的核心技术之一。业界试验了多种技术方案，图2[2]是较流行的基于循环频移器（RFS）光正交多载波结构图。RFS包括一个闭合的光纤环路、1个IQ调制器和两个光放大器（用来补偿频率转换所产生的损耗）。IQ调制器由两个幅度相等、90°相移的信号所驱动。多子载波幅度的一致性以及保持较高的子载波OSNR是该项技术的难点所在。

图2 基于RFS多载波发生器的结构图

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