40 Gb/s波分系统设备技术

    随着IP业务的爆炸式增长，对传输速率和传输容量需求的不断增加，40 Gb/s端口路由器的出现直接刺激了40 Gb/s波分系统的发展。人们已从早几年的“该不该发展40 Gb/s 波分技术”的犹豫中走出来，越来越多的光通信器件和系统设备供应商以及网络运营商参与到40 Gb/s波分系统的研究和建设中来。目前40 Gb/s波分设备技术基本成熟，但价格仍居高不下。本文综合分析了40 Gb/s波分系统的传输限制因素以及采取的技术解决方案。

1 波分系统配置
    波分系统的基本配置见图1，包括光终端(OTM)、光线路放大器(OLA)站点[1-2]。图1中未画出色散补偿模块(DCM)。

    40 Gb/s波分系统接收端光波长转换器(OTU)的配置较复杂，见图2。由于复用段的DCM不能完成色散精细补偿，40 Gb/s的系统色散容限小，需配置可调色散补偿器(TDC)。由于接收机输入光功率的动态范围有限，为了使接收机在较高输入光功率下获得较大的光信噪比(OSNR)容限，需配置光放大器(OA)锁定输出光功率。OA和TDC集成在OTU单板内，根据系统偏振模色散的大小，还需选配偏振模色散补偿器(PMDC)。此外，40 Gb/s波分系统中其他光器件比10 Gb/s波分系统的参数规范更严格。

2 40 Gb/s系统设备的调制码型
    表1给出了目前40 Gb/s系统设备常见的调制码型的性能参数[3]。非归零码(NRZ)实现简单，适用于短距离的客户侧光互联；光双二进制码(ODB)信号谱宽小、实现简单、OSNR容限较差，适合城域网或8×22 dB以内的长途传输；非归零差分相移键控码(NRZ-DPSK)的非线性性能好、OSNR容限好、实现较复杂，适合12×22 dB以内的长途传输；归零交替传号反转码(RZ-AMI)性能介于ODB和NRZ-DPSK之间；偏振复用正交相移键控码(DP-QPSK)的相干检测系统值得关注。

    早期的相干检测技术被认为是提高接收机灵敏度的有效手段，在光放大器出现之后，相干检测技术研究陷入低潮，最近几年相干检测又成为40 Gb/s和100 Gb/s传输的研究热点。DP-QPSK通过偏振复用和四相位调制将40 Gb/s信号速率降为10 Gb/s，从而适合数字信号处理，可在电域实现色散补偿、偏振模色散补偿，如果模拟数字转换和数字信号处理芯片的处理速率进一步提高，设备体积和功耗大幅度降低，未来几年内DP-QPSK可能达到工程实用化的水平。

3 传输限制因素及技术解决方案

3.1 系统噪声
    系统中光放大器产生的放大自发辐射(ASE)噪声是限制传输性能的主要因素。系统中ASE用OSNR来衡量，即通道内的信号功率与0.1 nm内的噪声功率的比值。40 Gb/s的波分系统传输性能的评估优先考虑OSNR代价，而不是以往的通道功率代价。系统的OSNR设计从两方面进行考虑：提高系统接收端的OSNR和提高系统的OSNR容限。系统接收端的OSNR与系统的OSNR容限之差就是系统的OSNR裕量。

    波分系统的接收端的OSNR与传输距离、每跨段距离、单波入纤光功率、光放大器个数密切相关。提高单波入纤光功率可有效提高系统接收端的OSNR，但必须权衡考虑非线性效应引起的OSNR代价。传输距离越长，系统的OSNR代价越大。

    40 Gb/s系统的OSNR容限比10 Gb/s系统差6 dB，OSNR容限成为40 Gb/s系统工程实用化首当其冲的技术难题。提高系统OSNR容限的途径包括多种：采用更高OSNR容限的调制码型、提高消光比、优化接收机、采用前向误码纠错(FEC)技术。FEC是提高系统OSNR容限的最有效的手段，目前40 Gb/s FEC芯片已成熟商用。FEC提高系统OSNR容限的能力用编码增益来衡量。ITU-T G.709[4]中提供的标准FEC的编码增益大约5.8 dB，ITU-T G.975.1[5]列出了多种增强型FEC，编码增益为8.5 dB左右，不同FEC之间不能互联互通。

3.2 非线性效应
    波分系统中常见的非线性效应包括自相位调制(SPM)、交叉相位调制(XPM)、四波混频(FWM)、受激喇曼散射(SRS)、受激布里渊散射(SBS)。对40 Gb/s系统传输而言，影响最严重的是通道内四波混频(IFWM)和通道内交叉相位调制(IXPM)[6-7]。

    在10 Gb/s系统长途传输中，SPM效应一定程度上相当于色散补偿，推荐色散欠补偿20 km左右；但40 Gb/s系统的SPM效应并不明显，推荐完全补偿。40 Gb/s波分系统属于伪线性系统，光纤色散导致信号脉冲迅速相互交叠。G.652光纤40 Gb/s波分系统，IFWM起主导作用；G.655光纤40 Gb/s波分系统，IXPM起主导作用。40 Gb/s的线路侧调制码型均有载波抑制，例如ODB、NRZ-DPSK、RZ-AMI，这样在40 Gb/s单跳超长系统中，SBS不再是最大入纤光功率的限制因素。FWM限制了G.653光纤的波分复用，可以优化波长配置方案、采用RZ-AMI码传输来降低FWM的影响、采用光纤色散系数较大的L波段进行波分传输[8]。

3.3 色散补偿
    色散补偿分光域色散补偿和电域色散补偿。40 Gb/s系统的色散容限小，NRZ 40G色散容限只有NRZ10G的1/16。40 Gb/s的电域色散补偿由于受芯片处理速率限制，暂时还不成熟。40 Gb/s波分系统的光域色散补偿分固定色散补偿和可调色散补偿，即：复用段配置固定色散补偿，通道层的接收机之前配置TDC。DCM完成复用段色散粗略补偿，TDC大多采用技术相对较成熟的光纤光栅，完成通道层色散精细补偿。

    TDC的色散并不是宽带分布，色散带宽与色散调整量存在相互制约的关系，系统设计需考虑色散带宽满足调制码型的带宽需求。TDC采取自适应色散补偿策略，反馈信号为FEC芯片提供的纠错信息，根据纠错前误码率的变化规律指导色散调整。目前TDC只能调整总色散，不能调整通道色散。未来有可能出现通道级TDC，从而可以在复用段完成可调色散补偿，大幅度降低通道层接收端的配置复杂性。

3.4 偏振模色散
    偏振模色散(PMD)源于光纤的双折射，使得信号的不同偏振态分量产生了离散效应。PMD效应用差分群时延(DGD)来衡量。DGD容限与信号传输速率相关，40 Gb/s的DGD容限很小，例如40 Gb/s的NRZ-DPSK只有8 ps，从而不得不考虑PMD设计。

    系统的PMD设计可从两方面着手，降低系统PMD和提高系统DGD容限。降低系统的PMD可通过采用PMD较低的光纤及器件，也可以通过PMDC实现。目前已铺设的光纤的PMD系数很小，大部分都是小于
0.05 ps/km1/2。PMDC分光域补偿和电域补偿，电域补偿受限于芯片处理速率，光域补偿也尚未达到工程实用化的水平。分布式快速扰偏结合FEC技术最有可能成为PMDC的实用方案，通过快速扰偏降低突发误码，平均化后的突发误码利用FEC机制完成纠错。系统的DGD容限主要与调制码型以及信号速率有关，超长距离传输时可以采用DGD容限较高的调制码型。

3.5 频谱效率
    频谱效率定义为信号速率除以信号所占的带宽，以C波段80/96×40G波分系统为例，频谱效率为每赫兹0.8 b/s。目前广泛应用的50 GHz间隔传输的10 Gb/s波分系统设备的频谱效率为每赫兹0.2 b/s，25 GHz间隔的10 Gb/s系统的工程应用相对较少。40 Gb/s波分系统将以50 GHz间隔波分复用为主，少数超长距离系统为100 GHz间隔波分复用。40 Gb/s波分系统应用于50 GHz间隔波分复用时，尤其在可重构的光分插复用器(ROADM)系统中，需考虑多个滤波器级联的OSNR代价。

    40 Gb/s系统通过减小信号谱宽来实现更密集的波分复用。例如ODB码，由于压缩了谱宽，从而可以适用于50 GHz间隔波分系统；传统的NRZ-DPSK适用于100 GHz间隔波分复用，如果减小解调器的延时，在略微牺牲OSNR容限、非线性性能、DGD容限的前提下，也可以应用于50 GHz间隔波分复用；多电平调制和偏振复用降低信号码速率可获得窄信号谱宽；残留边带调制(VSB)技术也可以减少信号谱宽，实现更密集的波分复用；相干检测也可容忍更密集的波分复用。

3.6 客户侧光模块
    与线路侧光模块的应用环境不同，客户侧光模块传输距离短、输入信号中光噪声小、非线性效应较小，优先考虑使用NRZ码。客户侧光模块要求实现简单、成本低、结构紧凑、良好的横向兼容性，应尽量避免配置光放大器和色散补偿。为减小线路色散，可采用1 310 nm传输窗口；为避免光放大器，可提高光接收机的灵敏度以及采用标准FEC技术。下面简述2 km和10 km的客户侧光模块。

    ITU-T G.693[9]规范了2 km光模块(VSR2000-3R1和VSR2000-3R2)，分别为1 310 nm和1 550 nm窗口传输，输出光功率为0~+3 dBm，线路损耗最大为4 dB，输入光功率范围为-5~+3 dBm。传输距离2 km不能完全满足实际工程需求，ITU-T G.959.1[10]最近规范了10 km光模块，均为1 310 nm窗口传输，其中规定了输出光功率范围为0~+4 dBm，同时输入光功率范围为-7~+4 dBm，线路最大损耗为6 dB，通过规范发射机波长范围来限制系统的最大色散为±16 ps/nm。

4 结束语
    预计在2009年40 Gb/s波分系统将实现小规模的高端应用，未来几年 40 Gb/s波分系统必将逐步替代现有的10 Gb/s波分系统。20世纪90年代早期出现的掺铒光纤放大器奠定了波分系统的发展基础；2000年左右无线通信中的FEC技术开始应用于光通信，使得10 Gb/s系波分统无电中继传输距离突破1 000 km。波分系统的下一个技术热点是什么？是高速数字信号处理技术在40 Gb/s或100 Gb/s系统中的应用吗？40 Gb/s波分系统的产品生命周期又有多长？100 Gb/s波分系统何时进入工程实用阶段？让我们拭目以待。

5 参考文献
[1] 中华人民共和国通信行业标准. N×40Gbps光波分复用（WDM）系统技术要求[S].
[2] 中华人民共和国通信行业标准. N×10G超长距离WDM系统技术要求（送审稿）[S].
[3] ITU T G-series Recommendations – Supplement 39. Optical system design and engineering considerations[S]. 2006.
[4] ITU-T G.709. Interfaces for the Optical Transport Network (OTN) [S]. 2003.
[5] ITU-T G.975.1. Forward error correction for high bit-rate DWDM submarine systems[S].2004.
[6] 顾畹仪.WDM超长距离光传输技术[M]. 北京:北京邮电大学出版社，2006.
[7] Kaminov I p. Optical fiber telecommunication,V-B:Systems and networks[M]., San Diego,CA,USA: Elsevier Inc, 2008.
[8] Agrawal g p. Lighwave technology: Telecommunication systems[M]. New York,NY,USA: John Wiley & Sons, 2005.
[9] ITU-T G.693. Optical interfaces for intra-office systems[S].2006.
[10] ITU-T G.959.1. Optical transport network physical layer interfaces[S].2003.

收稿日期：2008-04-21

[摘要] 随着40 Gb/s端口路由器的出现，未来几年内40 Gb/s波分系统设备将取代现有的10 Gb/s波分系统设备，就像前几年10 Gb/s波分系统设备取代2.5 Gb/s波分系统设备一样。然而，40 Gb/s波分系统有很多传输限制因素，包括光放大器自发辐射噪声、光纤非线性效应、色散、偏振模色散等等。为实现40 Gb/s的波分传输，采取新型调制码型、可调色散补偿、偏振模色散补偿等措施至关重要。

[关键词] 波分复用；调制码型；光信噪比；光纤非线性

[Abstract] With the emerging of 40 Gb/s port router, the 40 Gb/s Wavelength Division Multiplexing (WDM) system equipment will replace the 10 Gb/s WDM system equipment, just like 10 Gb/s WDM system equipment replaced 2.5 Gb/s WDM system equipment several years ago. The 40 Gb/s WDM system has several transmission limiting factors, such as Amplified Spontaneous Emission (ASE) noise, fiber nonlinearities, chromatic dispersion, plorization mode dispersion, etc. In order to solve these problems, it is necessary to use new modulation formats, chromatic dispersion compensation and polarization mode dispersion compensation.

[Keywords] WDM; modulation formats; OSNR; fiber nonlinearities