本刊记者 张娟娜
目前，呈爆炸式增长的互联网业务量对数据通信系统提出了严峻的挑战。快速时分复用（TDM）和密集波分复用（DWDM）的综合应用方案应运而生，它通过扩展光放大器的增益带宽来满足网络需求；另一方面，互联网路由器和以太网传输技术方面的研究进展也很显著。高端路由器、千兆以太网交换机的接口速度已经提高到了10Gb/s。中国电信已经开始在上海到杭州的Cisco路由器上采用了10G接口。在北美，也已经出现了直接租用10G带宽的客户。要使网络实现更高速率的传输，骨干网层面必然需要更大的传输颗粒——40Gb/s。40Gb/s作为10Gb/s的后继传输速率，可以满足日益增长的数据业务对网络带宽的需求。尽管世界范围内的经济萧条仍未过去，但40Gb/s光传输网（OTN）的研究却正进行得如火如荼。
40Gb/s传输系统中，集成电子电路技术可以有效控制发射端和接收端的尺寸、功率以及成本，当然，更高速率的光调制解调器的研制也势在必行。另外，光纤中的衰耗、色散、非线性、偏振模色散（PMD）等特性，在如此高速的传输系统中，对光信号的失真影响也变得愈发明显。
40Gb/s传输的应用方向
图1表示光传输在速度和容量方面的发展情况：至90年代中期为止，公用核心网上的TDM传输技术在构建通信系统和获取经济效益方面均取得良好成效。近年来，为满足互联网用户的需求以及每年近乎成倍增长的通信量，TDM向40Gb/s的进军，以及WDM技术的显著发展，使得骨干网的传输速率达到了T比特数量级。二十世纪末以来，10Gb/s×176（即1.76Tb/s）的WDM系统已开始投入商用。使用超高速TDM技术或者超多波长数WDM技术来构建经济型核心网将是未来的发展方向之一。
21世纪呼唤随时随地可以提供丰富信息资源的网络。为了能够通过网络提供多种服务，路由器的接口速率和以太网的协议都在不断地改进（图1）。目前，人们所关注的已不再是简单的语音服务，更多的是一些新的服务种类，比如高质量图像传输，超大信息量的瞬间传送等。
图2给出在光核心/城域网中运用高速传输系统来构建的内容传输和存储服务的结构模型。内容传输服务是通过访问临近的缓冲器来完成的，大大提高了网络的响应时间和传输质量。存储服务缓冲器也是如此，如内容服务是一档视频节目（6Mb/s，MPEG2格式，24小时传送），如果我们使用最大容量为6Mb/s的网络，那么将需要24小时；而如果使用40Gb/s的网络，传输则仅需13秒，持续时间也相当短，因此，其路径和波长都可以动态按需分配。
另外，考虑到建设成本（Capex）和维护成本（Opex），传输网中的增音站和容量问题也需确定。我们相信，面对这些问题，40Gb/s技术可以提供解决方案。
40Gb/s系统中的关键技术
影响40Gb/s传输系统的关键技术有：IC技术、调制技术、提高光信噪比（OSNR）技术和色散补偿技术等。
IC技术
40Gb/s网络随着脉宽或脉冲间隔的变窄，信号抖动和码间干扰（ISI）对信号的影响也变得更差。为了保证高质量的波形传输，就必须改善数字和模拟IC技术，以便高速、宽带、低噪声地对光波形进行整形和再定时。另外，IC功能的改良和功耗的减少是缩减成本的必要途径。图3描述了光通信中的高速数字和模拟IC目前的发展状况。这些IC使用了CMOS、BiCMOS、SiGe异质结双极性晶体管（HBT）、InP HBT和InP高电子迁移率晶体管（HENT）等技术。
正如图3中看到的，高速应用中存在着明显的分离区。基于BiCMOS集成电路的SiGe技术在低功率、高功能应用方面有很大的潜力，而SiGe HBT尽管有高的截至频率fT和最大频率fmax却还未显示出明显的高速性能，这是衬底导致的寄生电容和互联损耗所致。相同的问题也出现在使用标准的、低阻力Si衬底的CMOS技术中。尽管这些问题可以通过使用高电阻绝缘硅晶片来解决，但是要想真正的将40Gb/s投入商用，在CMOS技术上的进一步突破也是必须的。
另一方面，InP HBT和HEMT使用了高电阻的衬底，可以几乎无损地实现40Gb/s网络的互联，业已证明，使用InP HBT的40Gb/s传输系统集成能力很好。InP HENT也已几乎达到了InP HBT的集成化水平。最近在RF-CMOS技术方面的研究有一定进展，但仍有许多关于fT和fmax的问题。迄今为止，InP HENT 和HBT仍然是高度集成化的40Gb/s光网络传输系统用IC电路中引人瞩目的主打技术。某些InP HEMT IC系统已被证明达到了80Gb/s这样的里程碑。InP HEMT IC也可用在160Gb/s的新电路技术中，比如分布式设计以及用来降低截至频率的多元相半速率时钟的应用。
调制技术
图4给出了根据传输距离和系统容量（也就是信道率乘信道数）所绘制的三种传统光调制器的应用图：直接调制分布反馈半导体激光器（DFB-LD），电吸收外部调制（EAM），包括集成在DFB-LD芯片上的EAM和LiNbO3 马赫-曾德尔（Mach-Zehnder）外部调制。这些调制器的应用领域是由他们各自的带宽、啁啾脉冲和波长相关性所决定的。DFB-LD的直接调制因其带宽较窄，啁啾脉冲较宽通常只适用于距离较短、传输速率较低的系统中；EAM可以提供宽带，但其啁啾脉冲又很宽，所以它主要是应用在数百公里的2.5或者10Gb/s系统中；LiNbO3调制可以生成高速、低啁啾的传输信号。而且，它们的特性与波长没有关系，因此，LiNbO3外部调制器被认为是40Gb/s WDM传输系统的最佳选择。
带有行波电极的LiNbO3马赫-曾德尔外部调制器在40Gb/s 的WDM系统中有很好的发展潜力。它具有宽带宽、低介入损耗、低频率啁啾以及相对波长独立等特性。目前40Gb/s的调制器需要大约5伏的单驱动电压，约3伏的双驱动电压。
驱动电压的降低对于降低调制器的成本、器件尺寸和发信功耗都是必须的。最近研制出的一种低驱动电压的LiNbO3调制器，只需0.9Vp-p，这种调制器的设计是基于电极结构的最优化思想。宽带是提高调制速率所必不可少的，但在带宽和驱动电压之间要进行一定的权衡。
目前已有报道的封装双驱动调制器，采用保偏光纤和单模光纤作为输入和输出波导的引出端，V型连接器用于信号向共面电极的反馈。光纤到光纤的介入损耗是6dB，消光系数是27dB。
LiNbO3调制器的性能可以根据带宽与半波电压之比来进行估计。前面提到的这种新型LiNbO3双驱动调制器的性能比现有的其它任何调制器性能的两倍还要高。只需0.9Vp-p的LiNbO3调制器必将揭开40Gb/s 光传输网的宽带应用。
提高光信噪比技术
同10Gb/s WDM 系统相比较，40Gb/s WDM系统有更多与光信噪比（OSNR）、色散、非线性作用、PMD等有关的尚待解决的问题。对于40Gb/s 系统，为了要达到与10Gb/s系统相近的传输误码率，系统OSNR 需大致提高6～8dB。目前，在低噪声的光放大器中，分布式（或是离散型）拉曼放大是普遍采用的技术，但发展并不看好。我们知道，WDM系统中的级联光中继器需要取得均匀增益，预加重就是一种有效的技术，它可以调整每个信道的输出功率和级联中继器的可变增益均衡。
色散补偿技术
由于小于100ps/nm色散容差很小，对于40Gb/s的系统来说有可能会造成极其严重的限制，所以，从系统灵活设计和经济角度考虑，应采用可变色散补偿器（VDC）进行自动补偿。40Gb/s传输系统的另一个很严重的制约因素是偏振模色散（PMD），它是由纤心的不对称以及内、外压力（如光纤的弯曲）所致。由于引入了双折射，光纤中的两个传播偏振模经历了群时延的微分（DGD），这导致了脉冲的加宽，即产生码间干扰（ISI）并表现为比特误差率的上升。
图5表示OTN中不同设备的实施示意图。必须考虑到除了有点对点的传输外，还有通过光分插复用器（OADM）和光连接器（OXC）所构建的网状和环状网络。在这些OADM和OXC系统的节点处，各个波长信号来自不同的传输信道，因此OSNR的降低、色散引起的光信号波形的失真、自相位调制（SPM）、交叉相位调制（XPM）、四波混频（FWM）以及PMD等因素，即使在同一节点也是不尽相同的。因此，网络管理系统应考虑采用更为复杂的自适应补偿机制。另外，对路径变化的反应速度也要尽量快。
采用VIPA VDC 43Gb/s×88ch 600km的传输实验
据报道，总容量为10Tb/s的40Gb/s WDM传输系统已试验成功，该系统采用了缩小信道间距、启用新波带的技术。另外，采用色散可控光纤和分布式拉曼放大技术使其传输距离达到数千公里。在试验中，色散和色散斜率可采用传输光纤和DCF（色散可控光纤）加以严格控制。但是，正如前面所提到的，实际传输过程中的色散变化很大，自适应色散补偿还是必须的。
最近，Yukou Mochida等人在C和L波段上采用了VIPA色散补偿的自适应控制，成功地完成了600km NZ-DSF（PureGuide fiber）3.5Tb/s（43Gb/s×88ch）的传输实验。
未来展望
下一代光传输网的成本、质量、灵活性等都是需要考虑的问题，我们期望通过2R（再生和整形）或3R（再生、整形和重定时）整合之后，全光信号在40Gb/s或以上的比特率的系统中，经过光信号处理都能够恢复原状。尤其是在超长距离通信时，全光3R再生应能消除噪声的累积、信号抖动和波形失真的影响。这些再生技术的关键是半导体全光非线性开关在高比特率和多波信号处理方面的进一步发展。
半导体光放大器(SOA)是一种可以直接放大微弱光信号的光放大器，据ElectroniCast的分析家预测，在未来的10年，SOA的全球市场需求将会迅速增长，预计从2000年的4800万美元跃升到2010年的9.03亿美元。目前，SOA器件主要用作全光开关和光交叉连接的转换元件、WDM链接和其他数字光纤传输中的转换开关器件。最近，Yukou Mochida等人也预见，SOA在激活域量子点上的技术优势将使它成为最有发展前景的全光交换机。它可以在非线性增益饱和范围内，完成40Gb/s到160Gb/s的传输，并且不存在任何比特模式效应。实验还证明，使用有自聚 InAs量子点功能的SOA的10Gb/s系统中的自由传输模式和传统的SOA有明显的区别。
随着时间的推移，绝大部分运营商将会对其光纤骨干网升级以适应更高速率的传输。尽管40Gb/s暂时面临一系列技术上的困难，但目前这些困难都已经有了或即将有相应的解决方案，过不多久，40Gb/s设备必将登上传输领域的舞台。
----《通讯世界》
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