北京邮电大学全光网络实验室 闻 和
北京邮电大学 教 授 顾畹仪
概述
光纤以其巨大的带宽资源成为骨干传输媒质的必然选择，而DWDM技术是在现有技术条件下充分利用光纤带宽资源的有效手段，由于不采用电再生中继，超长距离DWDM传输能降低系统成本并提高系统的可靠性，所以备受人们青睐。对此各国正纷纷展开有关研究和实验，我国也把超长距离DWDM传输列入国家863计划之中。截止到目前，超长距离DWDM传输已有了重大发展，实验报道的最大单纤传输容量达到10.92Tbit/s，传输距离300km，而一般容量为3~4Tbit/s的陆地传输距离可达4000km以上，而跨洋系统传输距离可达上10000km。我国在自己的努力下，也于今年3月成功地实现了1.6Tbit/s3000km超长距离试验传输。
超长距离DWDM传输面临ASE噪声、光纤色散和非线性损伤积累严重，各路信道之间功率、残余色散的不均衡等许多问题，需要多种技术手段作为支撑，这包括光放大技术、色散管理与PMD补偿技术、信号调制与接收处理技术、纠错编码技术、新型光纤技术等。下面主要讨论这些关键技术的实现及其对系统的影响。
关键技术及其实现
（1）光放大技术
光放大器用于补偿光纤和其他无源器件对光功率的损伤，但在提升信号功率的同时也引入了噪声干扰，降低了信噪比，从而限制了最大的传输距离。尽管减小放大器之间的间隔可以有效地延长总的传输距离（例如跨洋传输系统），但这增加了系统的成本，所以更有效的手段是降低放大器的噪声水平。
研究和试验表明分布式放大器比集中式放大器具有更低的噪声水平，所以分布式光纤喇曼放大器（DFRA）已经逐渐成为超长距离传输系统必选的技术，或者作为传统的掺铒光纤放大器（EDFA）的前置放大器或者完全取EDFA放大器以减小放大器引入的噪声功率。另外，DFRA还具有非线性损伤小、放大器增益带宽、可以灵活配置等优点，但存在的问题是偏振相关增益大、效率低等问题，好在大功率泵浦源的出现和泵浦褪偏技术能够很好地解决这些问题。
考虑到泵浦相对强度噪声（RIN）和偏振的影响，早期的DFRA多采用后向泵浦方式，但该配置将导致短波长信道的光信噪比（OSNR）低于长波长信道，而双向泵浦配置则能够改善这种信噪比的不均衡性，随着泵浦技术的成熟，双向泵浦方式将被广泛采用；另外，利用高阶斯托克斯光的DFRA能够获得更低的噪声水平，这在得到更大功率的泵浦源后很有可能获得应用。
超长距离传输中还需要考虑放大器的功率均衡和瞬态问题。功率均衡的意义在于减小或克服由于多级放大器各路信道输出功率不均衡的积累导致最后某些信道不能正常接收的问题。解决该问题可以采用优化喇曼放大器泵浦源配置、让EDFA放大器的增益谱与喇曼放大器增益谱互补以及增益平坦滤波器（GFF）和动态增益均衡器（DGE）等方法共同给予解决。目前采用4~5个泵浦源可以实现DFRA在80nm带宽范围内增益波动小于1dB，每隔3~4个放大器放置1个DGE，最终信道功率不均衡度控制在1~2dB范围内。放大器的瞬态效应是指当放大器的输入信号功率发生涨落时，其速率落入放大器的响应带宽之内，从而导致放大器输出功率也随之发生涨落。如果不加以控制，则这种涨落被后级放大器放大，最终会导致无法正常接收，甚至形成光浪涌损坏器件。通常可以采用控制电路对泵浦功率或均衡信道功率减小输出功率涨落来解决该问题。
（2）色散管理与PMD补偿技术
由于光纤对不同频率分量的群速度色散不同将导致信号各频率分量之间产生群时延差，表现为时域脉冲展宽，引起符号间干扰，影响最终接收。对于传统G.652光纤，10Gbit/s信号的色散受限距离约为50km，而40Gbit/s信号色散受限距离仅有3~4km，所以对于超长距离传输必须解决好色散补偿问题。尽管已有多种色散补偿器件，但最为广泛使用还是单模色散补偿光纤（DCF），选择斜率匹配的DCF不仅可以补偿单路信道的色散，还可以同时补偿多路信道的色散。
在准线性传输条件下，需要考虑适当的光纤非线性，此时适当的光纤色散有助于减小非线性影响，把这种联合色散和非线性同时考虑的技术称之为色散管理。色散管理通过设计合理的色散分布，保持较大的本地色散和较小的残余色散，达到既能减小色散影响，同时又利用色散减小非线性影响的目的。
通常的色散分布可分为一段式、两段式和三段式。其中一段式是指传输光纤用一种类型的光纤，而DCF在光放大器部分作色散补偿用，而不作为传输光纤本身用，对于已铺设的早期的传统G.652光纤多采用这样的结构。其优点是结构简单，容易实现，利用G.652光纤本身较大的色散可以有效地减小非线性的影响，但缺点在于G.652光纤色散较大，需要每个放大段都进行色散补偿，增加了系统的无源损耗，限制了最大传输距离，而对于G.655光纤，DCF的色散斜率与之不相匹配，经几个放大段之后需要另外加色散斜率补偿光纤。在两段式中传输光纤由两段色散及斜率相配，但符号相反的光纤组成，因此每经过一个光纤段，残余色散和色散斜率都很小。该方案能有效地减少DCF引入的插损，延长总的传输距离，但存在的问题是其中的负色散光纤的非线性较强，引入的非线性损伤较大，特别是在具有DFRA的系统中。在此基础上的改进方案是三段式ABA方案，即中间为负色散光纤，两边为正色散光纤，在DFRA系统中，由于信号功率的最低点主要出现在中间部分，所以该结构能够有效地消除色散，同时也减小了非线性的影响，只是该结构比较复杂，加大了光缆接续施工的复杂性。
除了单模DCF，还有许多看好的色散补偿器件，例如能增加有效面积，提供较大色散斜率的高阶模多模色散补偿光纤（HOM-DCF），集成度高并可以调节的虚拟成像相位阵列（VIPA），以及简便、可调、插损小、主要用于单路信号色散补偿的光纤布拉格光栅（FBG），它们都有望成为DCF的有效补充方案。
光纤和器件的双折射引入的PMD问题是制约高速率传输而且无法回避的问题，与光纤色散不同，PMD是随机变化的，这更增加了PMD补偿的难度。在现有的各种补偿技术中，目前比较看好偏振控制器加差分群时延器的光域PMD补偿方式和电自适应滤波方式的电域PMD补偿方式，前者能够有效地补偿一阶PMD和高阶PMD，后者能以较低的成本减小PMD的影响，但前者需要性能稳定、响应速度快的偏振控制器以及优化的自动反馈控制算法，后者需要高速的电子器件。
（3）信号调制与接收处理技术
近年来对信号调制格式的研究备受人们的关注，这是因为不同的线路码型抗光纤信道中噪声、色散、非线性影响的程度不同，选择合适的码型能够在不增加其他设施的条件下延长最大传输距离。研究表明传统的NRZ码型并非超长距离传输的理想码型，从抗噪声的角度来看DPSK码和RZ码要优于NRZ码，从抗色散影响的角度看RZ、RZ_DPSK、PSBT、多进制调制都优于NRZ码，从抗非线性影响的角度看CSRZ、DPSK要优于NRZ，从频谱效率的角度看VSB、PSBT和多进制调制也优于NRZ，在不同的系统条件下各种码型具有各自优势，也有自己的劣势，需要权衡考虑。目前多数40Gbit/s试验系统多采用CSRZ和RZ_DPSK，实验证实这些码型比NRZ码更适合于超长距离DWDM传输，当然新的调制码型也增加了调制器和接收机的成本和复杂度。
今后信号调制将向着频谱效率更高的多进制调制和编码调制方向发展，其中的关键是如何以低成本实现高可靠性的调制解调器，预计光电混合集成电路和光子晶体光纤是最为看好的技术。
信号的接收处理包括很多内容，例如滤波、均衡、整形、再生、似然接收等。接收机前的光滤波器能有效地抑制进入接收机的噪声功率，但同时对接收波形也有很大影响，接收机内的电滤波器也有类似的作用，所以针对某种码型存在最优的滤波器带宽，既能够有效抑制噪声，又不至于造成严重的ISI。而电均衡技术能够以较低的成本有效地消除由于色散和PMD引起的ISI，同时还能减小光纤非线性的影响，因此近年来备受关注，特别是随着高速集成电路技术的成熟，已经可以实现40Gbit/s信号的电域自适应均衡，并能够对误码进行监测和对Q因子进行估计。光域内的整形和再生能有效地减小噪声积累和非线性损伤，延长总的传输距离，由于无需光电变换设备，降低了成本，克服了电子器件速率的瓶颈限制。目前虽然光整形和再生还没有达到实用，但已有很多的研究，随着光子技术的不断发展和成熟，将来一定能够有用武之地。
（4）纠错编码技术
纠错编码是超长距离传输中有效增加系统余量的一项关键技术，它通过在信号中加入少量的冗余信息来发现并剔除传输过程中由噪声引起的误码，以较低的成本和较小的带宽损失换取高质量的传输。例如标准的RS（255、239）编码方案具有5dB以上的编码增益而冗余度仅仅为7%，这等效于提高了1~2dB的OSNR，在不增加其他额外设施条件下进一步增加了传输距离。由于纠错编码只需要在收发端增加相应的编译码器，无需增加和改动线路设备，具有成本低、灵活便捷、效果明显的优势，所以备受青睐。
随着超长距离传输系统发展的要求，人们需要具有更强纠错能力的超强纠错编码。考虑到目前高速集成电路的复杂性和工艺水平问题，当前所采用的超强纠错编码多采用级联码方案，即编码由内码和外码两套不同的纠错码交织级联而成，以便更好地纠正多个连续错误，例如与标准RS(255、239)码相比，级联的RS(255、239)+RS(255、239)能多获得1.4dB的编码增益得到10-13的BER，而RS(255、239)+RS(255、223)可使增益增加到1.9dB。当高速集成电路技术更加成熟后，有望实现第三代纠错编码，即Turbo乘积码（TPC），它对码块的行和列分别进行编码，而且在译码过程中采用软判决和迭代译码技术，能进一步提高编码增益。有报道说，采用基于BCH的TPC（BCH（128、113、6）×BCH（256、239、6），码率为0.82）可以取得10.1dB的编码增益。
目前人们在FEC方面的主要工作是继续寻找简单高效的纠错编码方案，例如低密度极性校验码（LDPC）以及纠错编码方案的高速集成电路实现等等。
（5）新型光纤技术
光纤是最主要的传输媒质，其性能对传输信号的影响最大，可以说以上提到的各种关键技术都是针对光纤特性对信号的影响展开来的，所以设计和采用特性优良的光纤是提高传输性能最有效的手段。
对于超长距离传输，理想的光纤特性应该是具有很小的衰减、宽而平坦的光谱、适当的色散、较大的有效面积、很低的PMD、理想的弯曲特性、存在可做色散补偿的色散互逆单元等等。实际中光纤很难同时满足这些要求，但总可以满足部分要求以期望能够改善信号传输质量。例如加大非零色散位移光纤能够提供适当色散既减小色散本身的影响，又利用一定的色散克服光纤非线性的影响，并保持原G.652光纤的大部分好的特性；减小色散斜率的非零色散位移光纤克服了通常非零色散位移光纤色散斜率较大的缺点，能够与DCF更好地匹配；大有效面积非零色散位移光纤能提供较大的有效面积以减小光线非线性的影响；水峰消除光纤把1380nm处的OH-吸收峰消除掉以提供更宽的光谱范围等等，这些新型光纤为超长距离传输铺平了道路。
目前见到的传输试验报道，传统光纤40Gbit/s最大传输距离约2500km，而所有3000km以上传输系统都采用的是新型光纤，实践证明采用新型光纤确实能比传统光纤取得更好的传输性能。
平滑升级问题
网络泡沫的阴影使得现有的营运商变得十分谨慎，他们希望对现有的系统做一些小的改进便达到平滑升级的目的，而不是用大量的资金去重建一个拥有各种先进技术的系统。这意味着在相当长的一段时间内，超长传输系统的建立主要是对现有传输系统的改造和升级，所以在现有基础上进行平滑升级是超长距离传输的一个重要研究课题，也是推进超长距离系统实用化的主要动力。
在平滑升级中，占投资总额最大的光缆部分是保持不动的，只需要增加一些关键器件，并对原有设备做少量改进就能完成系统的升级。当前的系统大约传输500~600km就需要进行电再生，传输距离的限制主要来自于较低的OSNR和较大的残余色散积累，所以若要进一步延伸距离，可以采用DFRA或者DFRA与EDFA的混合方式，并使用色散斜率匹配的DCF，此外还可以考虑使用超强FEC、先进的信号调制和接收处理技术。这些技术不需要对原有系统做很大的改动便能使传输距离延伸2到3倍。如果采用双向泵浦DFRA和喇曼泵浦DCF结构则传输距离仍可以继续延伸。所以目前的主要任务是加快DFRA的实用化进程，加快高速信号处理电路的研制以及可调谐色散补偿单元和PMD补偿单元的开发。
机遇与挑战
高速光传送网作为信息的骨干传输平台被推上了历史舞台，它给相关领域和技术带来了机遇与挑战。仅就最低层次的克服传输距离限制的点到点传输系统，便有许多问题需要解决，例如低成本的WDM光源阵列问题、提高频谱效率和性能优良的信号调制格式问题、理想性能的光纤设计与制造问题、PMD补偿问题、先进的光子信息处理与电信号处理问题、系统性能的在线监测与评估问题、为了优化性能参数需要对控制参量进行动态调节到自适应调节问题等等。这些问题的解决给现有的器件生产、设备制造、系统开发都带来了机遇和挑战。随着光网络向近期的面向连接波长交换光网络的演进以及向远期的无连接光分组交换网络演进，新的技术如快速大容量光开关技术、光交换技术、光缓存技术、全光波长变换技术、光信息识别技术、网络管理与控制技术都将成为有发展潜力和前景广阔的技术。
这些机遇与挑战给我国光通信行业带来了新的发展契机，如果能率先攻破难关，推出具有知识产权专利的技术和产品，尽快开发和占领市场，必将赢得主动地位。当然这需要全社会的关心和参与，既要有政府部门协调、组织，也需要众多设备开发商、业务营运商积极参与和密切合作，需要高校科研部门的支持与投入，还需要媒体的宣传和传播。
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