伍浩成 罗青松
中国电子科技集团公司第三十四研究所
摘 要 给出了40Gb/s DWDM传送系统的进展现状，分析了40Gb/s传输问题和一系列使能技术进展，讨论了40Gb/s DWDM传送系统基本结构，并从实用的角度，对10Gb/s和40Gb/s传输系统的特性及成本进行了比较，最后指出了发展40Gb/s传送系统思路及对策。
1、40Gb/s DWDM传送技术现状
信息社会对大容量、无缝连接的全球光网络的需求的增长促进和刺激着宽带宽、长距离、高容量光传送系统的发展。近年来，骨干网IP业务指数增长趋势及每比特传输成本的下降对光传送系统提出了新的要求，这就是在提高容量的基础上进一步降低传输成本。借助现有商用DWDM技术基本构架，从提高系统传输容量的角度来考虑，其方式有（1）提高通道速率，如将通道传输速率提高到20Gb/s、40Gb/s或甚至是采用OTDM技术；（2）减少通道间隔，采用超密集波分复用(UDWDM)技术，将通道间隔从商用的50GHz向25GHZ或12.5GHz推进；（3）扩展可用带宽，如利用全波段拉曼光放大器、S、L+波段放大器等将现有的C+L扩展到S+C+L，甚至可以包含L+波段；（4）采用新技术，如偏振复用使容量加倍。在多种技术方案中，DWDM+EDFA的方式仍然是主流。近期一系列的使能技术如色散补偿、脉冲调制、拉曼放大、40Gb/s Transponder等导致40Gb/s日趋成熟，和10Gb/s相比，40Gb/s技术具有谱效率高、设备数量少、管理成本低等技术优势，已成为业界关注的焦点课题。另外在这些关键使能技术的的刺激下，40Gb/s传输也被提上议程，并得到飞速进展，表一给出了近两年来几次重大会议中报道的典型40Gb/s DWDM传输系统(表中，加*号的表示采用环路演示环实现的传输距离)。
表一、40Gb/s传输系统试验概况
另一方面，各大设备厂商也在积极投身开发40Gb/s设备，Lucent、Notel、阿尔卡特等都开发出相应的产品。而康宁公司推出第3代增强型LEAF光纤，偏振模色散（PMD）性能约提高50％，有助于提高40Gb/s骨干网的性能价格比。在现场试验上，2002年5月以来，Lambda Xtreme? Transport已在德国电信网络现场试验中实现了40Gb/s、734km的传输，WorldCom则在250公里的距离上试验了西门子的40Gb/s×80系统，这标志着40Gb/s的传送技术正向商用化迈进。
2、40Gb/s DWDM传送问题及技术使能
2.1 色散
光纤色散引起的脉冲展宽将导致比特符号之间的干扰，从而会使得系统的误码性能劣化或变坏。10Gb/s系统的色散限制距离约60km，和10Gb/s系统相比较，40Gb/s色散容限要提高16倍，其色散容限约为50ps/nm，这相当于3km标准单模光纤(SMF)所引起的色散，因此，随着光通道速率的提高，色散受限距离已经取代了功率受限距离，并成为主要限制因素之一，对于40Gb/s传输，采取合理的色散补偿是必需的。目前光传输系统中的色散补偿，可行的色散补偿方法可以分为两大类，其一是基于光纤的色散补偿技术，如采用色散补偿光纤(DCF)、反色散光纤(RDF)等；其二采用色散补偿模块(DCM)对通道色散及色散斜率进行补偿，如基于啁啾光纤布拉格光栅(CFBG)、镜像相位阵列(VIPA)、平面波导的各类色散补偿器等。对与已敷设的系统，一种简单直接的色散补偿方案是在线路放大器中插入无源的固定色散补偿模块(DCM)，这对于目前的10Gb/s传输是可行的。而对于新建系统，更多的则是采用色散补偿光纤(DCF)，这也是目前唯一被广泛使用的方案，当前的DCF可以对某些类型的光纤如SSMF和TW-RS光纤的色散和色散斜率进行同时补偿，然而，遗憾的是，一般的DCF并不能使LEAF和TW光纤的色散斜率得到完全的补偿。图1给出了不足够的色散斜率补偿给传输系统带来的影响。显然，由于色散斜率未得到完全补偿，这就需要在接收端对不同通道的色散进行独立调节。最近报道的一种由高介模(HOM)光纤组成新型的高介模光纤色散补偿(HOM-DCM)模块则能较好地补偿LEAF光纤的色散斜率。
环境温度的变化对光纤色散值的影响是40Gb/s DWDM长距离传输面临的另一个技术挑战。自适应色散补偿模块(ADCM，也称为有源色散补偿技术)是解决温度影响和不同光通道残留色散的可行解决方案，目前基于光纤光栅(FBG)的自适应色散补偿技术已成功在40Gb/s传输系统中演示。针对健壮的实际40Gb/s系统的构建，采用固定色散值的DCM进行粗色散补偿，结合自适应色散补偿来补偿补偿残留色散将无疑是最佳的色散补偿方案。笔者认为，自适应色散补偿、色散斜率补偿技术在未来几年中取得长足发展。
2.2 偏振模色散(PMD)
由于光纤内部结构不对称或波导管外部压力等原因都会导致出现偏振模色散(PMD)，使具有不同偏振态的信号光以不同的速率(称为差分群延时，DGD)在光纤中传输，最终导致信号失真或系统误码。PMD容忍度与比特率成反比，也就是说，40Gb/s信号的PMD容忍度较10Gb/s信号低四倍。一直以来，偏振模色散（PMD）被认为是妨碍40Gb/s技术商用的主要因素。因此有人争辩说，如果不配置昂贵的PMD补偿模块（PMDCM），40Gb/s技术将无法支持已有的光纤平台。直到最近，随着研究工作的继续深入，这种观点才得以改观，实际的事实是，在合适的传输距离内，PMD并不是限制40Gb/s传输的灾难性因素。
如图2(a)所示，对于40Gb/s的归零码(RZ)信号，10ps的DGD(平均DGD约为3.5ps)对信号引入的功率损伤量约为1dB。而在PMD影响对40Gb/s传输距离限制问题上，图2(b)给出的以下三项研究结果大快人心，一是借助当今高水平的光纤技术和RZ调制技术，PMD影响对40Gb/s传输距离上限可以达到6000km；二是对1994/1995年敷设的光纤的研究说明，对于大部分光纤链路，PMD影响对40Gb/s传输距离上限可达到2000km，只有少部分由于PMD损伤，其受限传输距离在2000km以下；三是在考虑长途链路其他通用设备如光放大器、复用器、解复用器及在线色散补偿模块等的PMD时，在当前的高水平的光纤和先进调制技术的使能下，40Gb/s系统的PMD限制可以很容易被克服，在多数的光纤链路中传输2000km(估计似乎过于乐观，笔者注)是可能的，而多数文献报道认为40Gb/s系统在现有平台基础上传输距离可以达到1000公里。对于1993年以前PMD较高的旧光纤，有效距离将有所缩短，但对于短距离(SR)和甚短距离(VSR)应用40Gb/s则是完全可以胜任的。而对于长距离（LH）应用，不久的将来，价格适中的PMDCM也将成为40G技术的另一个选择。
.3 光放大技术
衰耗是指当光信号沿着光纤传播时所产生的功率损失。幸运的是，衰耗区最低的波段是C波段（1530-1565nm）和L波段（1565-1620nm），而这一波段正好是掺铒光纤放大器（EDFA）产生增益的波段。正是这种关系促成了现在的DWDM光网络的发展。EDFA作为40Gb/s光网络的光放大器并不新鲜。然而，通过现有的EDFA来实现光放大器会引入相当大的光噪声和非线性失真，它们都会对40Gb/s光网络造成损害。因此，可靠的40Gb/s传输需要具有较低噪声系数的EDFA。分布式拉曼放大（DRA）和EDFA的混合使用，既可提高光信噪比（OSNR），又能减少纤芯中任意一点的光强度。这样，DRA通过采用后向泵浦结构在接收端将输入信号加以放大的方法就完全可以避免使用高噪声、高功率EDFA，而且通过采用工作在不同波长的多个拉曼泵浦激光器，并精确地控制输出功率就能获得较平坦的增益特性。
在传输系统中使用分布式拉曼放大器的增益特性可以带来三大好处：（1）它只要求在光纤设备的给定长度内稍稍放大光信号，而不必在中间插入物理放大器，这样就能降低总噪声。（2）通过采用后向泵浦结构就可以在沿光纤段的任意一点上保持较低的功率电平，在减少非线性影响的同时获得增益。因此，EDFA+DRA混合放大所产生的噪声较低，同时又能提高OSNR，完全有能力支持40Gb/s线路速率并延长传输距离。（3）分布式拉曼放大也适用于S波段（1450-1530nm），从而使得传输波段向S波段扩展成为可能，而传统的EDFA，由于其自身的增益特性，是无法对S波段进行放大的。
高功率14XXnm泵浦源和基于包层泵浦技术的拉曼光纤激光器的发展为下一代40Gb/s传输奠定了基础，并提供重要技术使能。最近报道的采用脊形波导(RWG)技术实现的高功率14XXnm波导激光器可以达到W级输出功率[22]，波长分布可以用于S波段、C波段和L波段放大，见表二。该技术和传统的异质结掩埋(BH)相比较，具有有源区更大、低光功率密度、一步MOVCD生长过程、产量高等突出优势。而在拉曼光纤激光器(RFL)方面,单波长和双波长拉曼光纤激光器已进入商用，ECOC2002报导的具有1415、1427、1440、1455、1465、1480nm六个波长输出波长的多波长拉曼光纤激光器(MlRFL)则代表了其最新进展[23]。
表二：采用RWG技术的高功率激光器实验进展状况
2.4 数字包封技术
点到点的WDM传输逐步向光传送网(OTN)演进是网络发展的必然趋势，数字包封技术作为40Gb/s传输的始能技术，一方面为光通道提供帧定位信号、网管开销通路、自动保护倒换指令等必要的开销，用以实现对光通道的控制、管理及性能监视；另一方面是采用前向纠错技术(FEC)，获得额外的开销增益，改善系统的误码特性。采用前向纠错技术(FEC)可在不增加系统OSNR的情况下提高系统的误码性能。FEC技术可分为带内FEC(IBFEC)和带外(OOBFEC)，带内FEC由于用于纠错的字节数目受到限制，因此其带来的增益改善量小，通常为2--3dB，难以满足40Gb/s传输需要。OOBFEC将生成的FEC纠错码加到原待发数据后而不使用SONET/SDH的开销字段，因此需要提高线路速率。目前2.5Gb/s和10Gb/s的OOBFEC已有芯片供应，基本是采用RS(255,239)编码格式，其编码增益为6dB，速率约提高7%左右。目前正在研究新的FEC，如级联RS编码（如RS(255,239)+RS(255,223)码和BTC BCH(128,113,6)2码）、BCH-30码和软决策编码等。软决策的编码首先对在若干电平上检测到的脉冲进行抽样的，然后再处理非二进制的多电平信息，进而实现10dB的编码增益。40Gb/s传输具体选择什么样的带外编码方案需要在编码增益与线路速率之间进行妥协和折衷。
2.5信号调制格式
信号调制格式是40Gb/s传输的一项重要使能技术。第一、每跟光纤可利用的带宽和可达到的谱效率决定着光纤总容量。实验表明，利用DWDM技术实现超过1bit/s/Hz的谱效率是可能的。然而，若采用二进制调制技术(如NRZ、RZ)，系统最大的谱效率是1bit/s/Hz，实际上，由于警戒带的限制，其谱效率通常在1bit/s/Hz以下。第二、先进的信号调制格式将提高40Gb/s传输的色散、非线性和PMD容限，部分调制格式则可以提高系统的OSNR，对提升40Gb/s传输距离大有裨益。对于40Gb/s信号调制格式，有非归零(NRZ)、归零(RZ)、色散管理孤立子(DMS)、载波抑制RZ(CS-RZ)、啁啾RZ(CRZ)等多种方式。以NRZ作参考，表三列举了不同的信号调制格式的特性。
表三、已报道的信号调制格式及比较
各种调制格式中，报道的最多的则是RZ调制方式。通常具有短的脉冲占空周期的调制格式(如RZ、CS-RZ、CRZ和DMS)具有高的PMD容限，其中DMS由于具有更窄的脉冲宽度，因而其PMD容限要略胜传统的RZ方式，然而，在中或高PMD情况下，DMS调制则表现出不稳定。相反，C-RZ方式由于具有脉冲压缩能力，能容忍较DMS更高的PMD值。同时，CS-RZ和C-RZ均可以缓解信号在光纤中的非线性交互作用。在40Gb/s的调制方式的选择上，目前仍没有达成统一定论，但笔者认为，在短距离传输上，采用NRZ格式是经济可行的方案，而长距离传输时，DPSK由于具有6dB的OSNR改善量，将可能成为有前途的方案之一。
摘自《光纤新闻网》
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