馮先成，李 寒，羅 帆，韻 湘

(1.武漢工程大學(xué) 電氣信息學(xué)院，湖北 武漢 430074;2.烽火通信科技股份有限公司，湖北 武漢 430074)

1 光波分復(fù)用N×40 Gbps系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀

Broadband、IPTV、Triple Play、P2P等對(duì)傳輸速率和通信容量需求的不斷增加極大地刺激了40 Gbps傳輸速率、Tbps系統(tǒng)傳輸容量的密集波分復(fù)用(DWDM)光纖傳輸技術(shù)的發(fā)展.近幾年的OFC和ECOC會(huì)議報(bào)道了40 Gbps WDM系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室或者現(xiàn)場(chǎng)傳輸實(shí)驗(yàn)，眾多器件商不斷推出支持40 Gbps速率的各種模塊，為配合40 G接口的應(yīng)用，一些領(lǐng)先的設(shè)備商也宣布可以提供40 G接口的大容量WDM傳輸系統(tǒng)，40 Gbps傳輸相關(guān)技術(shù)已經(jīng)成熟，但缺乏與之對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn).據(jù)Heavy Reading調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，60%的運(yùn)營商將會(huì)選擇40 G光網(wǎng)技術(shù)，到2010年，40 G的市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到20億美元.

2 光波分復(fù)用N×40 Gbps系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

實(shí)現(xiàn)N×40 Gbps系統(tǒng)需要考慮下面的關(guān)鍵技術(shù)：在40 Gbps系統(tǒng)中，需要進(jìn)一步增加光信號(hào)發(fā)射功率以滿足系統(tǒng)光信噪比(OSNR)的要求.所以當(dāng)傳輸信道數(shù)目較多并且傳輸距離較遠(yuǎn)時(shí)，光纖非線性效應(yīng)將導(dǎo)致普通NRZ碼光信號(hào)嚴(yán)重失真.而目前結(jié)合多種調(diào)制方式的新型調(diào)制碼型，如ODB(光雙二進(jìn)制碼)、CSRZ(載波抑制歸零碼)、DRZ(差分歸零碼)、DPSK(差分相移鍵控)、DQPSK(差分四相相移鍵控)等正以其優(yōu)異的性能成為40 G WDM系統(tǒng)的主要碼型[4].

同時(shí)40 Gbps高速DWDM光纖傳輸系統(tǒng)中調(diào)制格式的選擇又與整個(gè)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)有關(guān)，其中包括光纖種類、傳輸系統(tǒng)間距、距離、信道數(shù)目和信道間隔等多方面的考慮.在傳輸物理效應(yīng)方面，不僅僅要考慮色散和帶間非線性效應(yīng)，而且還要考慮PMD和帶內(nèi)非線性效應(yīng)的影響.

更高的濾波代價(jià)要求：在目前的10 G WDM系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)40 Gbps的平滑升級(jí)，需要考慮目前常規(guī)的50 GHz或100 GHz WDM系統(tǒng)中的濾波器,對(duì)于非常規(guī)的NRZ碼有4倍光譜展寬40 Gbps信號(hào),而引起的系統(tǒng)濾波代價(jià).

更高的色散容限和非線性代價(jià)的要求：40 Gbps信號(hào),相對(duì)于10 G信號(hào)將只有它的1/16的色散容限.

更高的OSNR要求：4倍速率的提高將導(dǎo)致6 dB OSNR容限要求的提高，OSNR成為40 Gbps系統(tǒng)的重要限制因素.

總之，40 Gbps系統(tǒng)需要融合一個(gè)現(xiàn)有最新的碼型調(diào)制技術(shù)、強(qiáng)色散管理技術(shù)、高OSNR容忍度、高靈敏度檢測(cè)接收和編碼糾錯(cuò)技術(shù)的復(fù)雜綜合系統(tǒng).

40 Gbps調(diào)制碼型技術(shù)比較：表1是目前業(yè)界商用及研究較多的調(diào)制碼型性能對(duì)比[2].

OSNR預(yù)算

光纖通信系統(tǒng)中，接收機(jī)輸入端的光信噪比OSNR和信號(hào)畸變是決定系統(tǒng)誤碼特性的最重要的因素.以下由對(duì)光信噪比OSNR的要求出發(fā)，進(jìn)一步討論系統(tǒng)設(shè)計(jì)的某些重要原則[5].

接收端信道的光信噪比OSNR定義為

R=Psig/PASE

其中，Psig=Pout-10logM是某信道的平均光功率，Pout是EDFA的總(信號(hào))輸出功率，M是信道數(shù)；而PASE=F(G-1)hvB0(N+1)是EDFA內(nèi)部被放大的自發(fā)輻射(ASE)，通過N個(gè)光纖段即 (N+1) 級(jí)級(jí)聯(lián)EDFA后，在光濾波器帶寬Bo內(nèi)的噪聲功率.通常定義B0=12.6 GHz (相當(dāng)于 0.1 nm)，以分貝表示時(shí)，10log(hvB0)=-58 dBm，F(xiàn)和G分別是EDFA的噪聲系數(shù)和放大倍數(shù).假定每個(gè)EDFA的增益都相等，且正好抵消光纖段的損耗.且近似有

R=Pout-10logM+58-

[NF+G+10log(N+1)]

(1)

可見，由于PASE隨光纖段的長(zhǎng)度指數(shù)增長(zhǎng)，而隨放大器的級(jí)數(shù)線性增長(zhǎng)，當(dāng)系統(tǒng)總長(zhǎng)度一定時(shí)，低增益、多級(jí)數(shù)比高增益、少級(jí)數(shù)方案有高得多的OSNR.

實(shí)際情況下，N個(gè)光纖段的損耗并不相同，但由于EDFA大多工作在(深)飽和狀態(tài)，每級(jí)EDFA增益仍可認(rèn)為恰好補(bǔ)償前一個(gè)光纖段的線路損耗(Li=Gi+1).在工程設(shè)計(jì)中，考慮到各光放大器均大體工作在飽和狀態(tài)，總輸出功率一定，工作點(diǎn)處的增益會(huì)自動(dòng)調(diào)整至前一光纖段的損耗，而與額定增益值有所差異.因此系統(tǒng)OSNR為

R=Pout-10logM+58-NF-

(2)

這樣，根據(jù)線路損耗情況，即可估算出DWDM系統(tǒng)的光信噪比演化過程，對(duì)網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃具有重要的工程指導(dǎo)意義.

以等損耗光纖段為例，可求得EDFA應(yīng)達(dá)到的總輸出功率為

Pout=G+F+R+

10log[M(N+1)]+ΔP-58

(3)

其中ΔP為各種因素(如EDFA及光路中各元件增益/損耗的波長(zhǎng)特性、光纖中的非線性效應(yīng)等)引起的信道功率差.由此也可求出EDFA總輸出功率一定時(shí)信道數(shù)M和光纖段數(shù)N的綜合考量應(yīng)滿足式(4)

M(N+1)≤100.1(58+Pout-G-F-R-ΔP)

(4)

例如，信道數(shù)據(jù)率 40 Gbps (OSNR 取下限20 dB)，EDFA總輸出功率為23 dBm，F(xiàn)=8 dB， ΔP=3 dB，G=22 dB(0.275 dB/km ×80 km)時(shí)的計(jì)算結(jié)果：M(N+1)=631，M=40，則N=14.

3 N×40 Gbps WDM系統(tǒng)光接口參數(shù)的要求

3.1 參考點(diǎn)定義

N×40 Gbps WDM 系統(tǒng)的參考配置如圖1所示[1]. 圖1中 OTU 為光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn) 3R功能即再放大、再整形和再定時(shí)；OMU為光復(fù)用器單元，實(shí)現(xiàn)多個(gè)波長(zhǎng)的復(fù)用功能；OA為光放大單元，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的光域放大(包含色散補(bǔ)償功能)；ODU 為光解復(fù)用器單元，實(shí)現(xiàn)多個(gè)波長(zhǎng)的解復(fù)用功能，Tx/Rx為客戶側(cè)光接口[4].

圖1定義了6 個(gè)系統(tǒng)外參考點(diǎn)和2 個(gè)系統(tǒng)內(nèi)參考點(diǎn)，即S、MPI-SM、RM、SM、MPI-RM、R和Sn、Rn.其中S、R是MS-ULH WDM 系統(tǒng)與客戶系統(tǒng)的接口參考點(diǎn)；MPI-SM、RM、SM、MPI-RM 是MS-ULH WDM系統(tǒng)主光通道的參考點(diǎn)；Sn、Rn是MS-ULH WDM 系統(tǒng)內(nèi)OTU分別與OMU和ODU之間的參考點(diǎn).這些參考點(diǎn)具體含義如下：

圖1 40 Gbps WDM 系統(tǒng)參考配置

S為客戶信號(hào)發(fā)射機(jī)輸出接口之后光纖連接處的參考點(diǎn)；

Sn這OTU 連接到OMU 的輸出接口之后光纖連接處的參考點(diǎn)；

MPI-SM為OMU 后面OA(光功率放大器)光輸出接口之后光纖連接處的參考點(diǎn)；

RM為OA(光線路放大器)輸入接口之前光纖連接處的參考點(diǎn)；

SM為OA(光線路放大器)輸出接口之后光纖連接處的參考點(diǎn)；

MPI-RM為ODU 前面OA(光前置放大器)輸入接口之前光纖連接處的參考點(diǎn)；

Rn為ODU 后面連接OTU 的輸入接口之前光纖連接處的參考點(diǎn)；

R為客戶信號(hào)接收機(jī)輸入接口之前光纖連接處的參考點(diǎn).

3.2 主光通道接口參數(shù)要求

主光通道接口參數(shù)要求如表2所示.

表2 N×40 Gbps WDM系統(tǒng)主光通道參數(shù)

4 光波分復(fù)用 N×40 Gbps系統(tǒng)試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)研究配置

40 Gbps OTU性能測(cè)試配置如圖2所示. 其中：虛線代表的VOA是在進(jìn)行眼圖性能測(cè)試時(shí)加入合適的VOA，使其滿足通信信號(hào)分析儀的輸入光功率要求范圍[9].

圖2 40 Gbps OTU 性能測(cè)試配置圖

40 G OTU BER和OSNR性能測(cè)試配置圖如圖3所示，40 G OTU 采用FONST W1600 40 Gbit/s OTN智能波分復(fù)用系統(tǒng).

圖3 40 Gbps OTU 背靠背BER和OSNR性能測(cè)試配置

4.2 DRZ碼實(shí)現(xiàn)的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器和系統(tǒng)試驗(yàn)

4.2.1 DRZ碼型 40 Gbps波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器頻譜與眼圖 DRZ碼型40 Gbps波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器典型光譜特性如圖4所示，DRZ模塊的典型-3dB 譜寬為0.6 nm.

圖4 DRZ 碼型 40 Gbps OTU 典型光譜

圖5 DRZ 碼型 40 Gbps OTU 典型眼圖

從測(cè)試結(jié)果顯示，DRZ碼的40 Gbps波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器可以沿用目前的 WDM系統(tǒng)的頻率，但它的光譜譜寬比普通NRZ的譜寬要寬，同時(shí)它的占空比普通NRZ低.

4.2.2 DRZ碼型 40 Gbps波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器背靠背情況下OSNR與BER的性能 從測(cè)試結(jié)果圖6顯示，DRZ碼40 Gbps的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器在E-03誤碼率下可容忍的最低OSNR在14 dB左右.

圖6 40 G DRZ系統(tǒng)背靠背BER和OSNR的測(cè)試圖

4.2.3 DRZ碼型 40 Gbps波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)傳輸性能

a.DRZ碼型 40 Gbps波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)傳輸 OSNR 性能.

圖7中1 600 km 長(zhǎng)纖傳輸系統(tǒng)進(jìn)行了色散預(yù)補(bǔ)償，單通道的發(fā)送光功率為 4 dBm/ch.由圖7可見傳輸1 600 km長(zhǎng)纖后的最低OSNR為18.6 dB 左右.

b.DRZ碼型 40 Gbps波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)傳輸色散容限.

圖8是DRZ碼型40 G系統(tǒng)傳輸1 600 km以后的色散窗口，可以看出，色散窗口大約40 ps/nm,色散窗口很小，需要配置TDC以增大色散窗口.

4.3 CSRZ碼實(shí)現(xiàn)的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器和系統(tǒng)試驗(yàn)

4.3.1 CSRZ碼型40 Gbps波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器頻譜與眼圖 CSRZ碼型40 Gbps波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器頻譜與眼圖如圖9和圖10所示.

圖7 40 G系統(tǒng)1 600 km傳輸后的BER與OSNR曲線

圖8 40 G系統(tǒng)傳輸1 600 km后的色散曲線

圖9 CSRZ 碼型40 Gbps OTU典型光譜

圖10 CSRZ碼型40 Gbps OTU典型眼圖

從測(cè)試結(jié)果顯示CSRZ碼的40 Gbps波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器可以沿用目前WDM系統(tǒng)的頻率，但它的光譜譜寬比普通NRZ的譜寬要寬，同時(shí)它的占空比普通 NRZ低.

4.3.2 CSRZ 碼型40 Gbps波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器背靠背情況下OSNR與BER的性能 測(cè)試結(jié)果如圖11所示，CSRZ碼40 Gbps的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器在E-03誤碼率下可容忍的最低OSNR在14 dB 左右.

圖11 CSRZ 碼型40 Gbps OSNR與BER的性能

5 結(jié) 語

通過40 G OTU BER和OSNR性能測(cè)試，對(duì)40 Gbps調(diào)制碼型技術(shù)進(jìn)行性能參數(shù)比較如表3.

因此，40 G 編碼調(diào)制的主要選擇：

a.適用于40 G長(zhǎng)距離(LH)傳輸?shù)木幋a (NRZ or ODB)的特征：典型傳輸數(shù)百公里、色散容限好、適用于50 GHz間隔系統(tǒng)、最大600 km～800 km的傳輸距離.

b.適用于40 G長(zhǎng)距離(ULH)傳輸?shù)木幋a (sDPSK or DPSK):差分相移鍵控調(diào)制格式,適用于50/100 GHz間隔系統(tǒng)、傳輸更遠(yuǎn)的距離、信噪比富余更大、1 000 km以上傳輸距離、可支持50 GHz間隔.

長(zhǎng)距離系統(tǒng)傳輸后的實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果，包括可容忍的最低OSNR、色散容限等數(shù)據(jù)來看，基于ODB、CSRZ、DRZ等調(diào)制編碼技術(shù)的N×40 G DWDM系統(tǒng)已經(jīng)成熟,可以滿足商業(yè)應(yīng)用信息傳輸需求，并將產(chǎn)生巨大的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益.

表3 40 G優(yōu)選碼型系統(tǒng)性能對(duì)比

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