T比特頻分復用相干光傳輸技術

摘要：高清電視、視頻點播、云計算等新業務的發展要求光纖傳送網帶寬大并能靈活調度。文章討論了幾種實現傳輸速率為T比特每秒的超級信道產生方法。受電子“瓶頸”限制，T比特級速率的傳輸必須由多個密集的正交光子載波組成的超級信道承載。在每個光子載波上，可以采用基于正交頻分復用的多載波技術，也可以采用單載波時域或頻域均衡技術。通過調整光子載波的數目與顆粒度。或每個光子載波上承載的調制格式，可以實現可變速率的光傳輸與光交換。

關鍵詞：高速光纖傳輸；正交頻分復用；相干光通信

光纖通信網絡是國家重要的基礎設施，支撐整個信息社會。超高速率和超大容量一直是光纖傳輸系統的目標。當今社會，網絡信息成幾何級數增長，移動辦公、三維視頻、云計算、遠程醫療等多種新型業務所需帶寬靈活多樣，迫切需要增強光網絡動態帶寬管理功能。因此未來光纖傳送網必須滿足下面兩個基本要求：超高速率和超大容量的信息傳輸、適應用戶不同需求的動態帶寬資源分配。

考慮到電器件帶寬與處理能力的限制，單個光載波可以承載的波特率最高在幾十吉波特每秒量級。結合偏振復用并采用多電平的光調制格式，單個光載波可以傳輸的最高速率在百吉比特每秒量級。多個密集的正交光子載波可以集合到一起形成一個超級信道。這個超級信道作為一個整體被傳輸和交換、控制光子載波的數量和單個光子載波承載的速率，可以實現太比特每秒的超高速傳輸。

和傳統波分復用系統相同的是：這種超級信道的思想本質上來自于頻分復用的技術。不同之處在于，光子載波更加密集，其頻率間距滿足正交頻分復用(OFDM)技術對正交性的要求。采用奈奎斯特濾波控制光子載波在頻域的交疊，可以實現具有高頻譜效率光子載波帶傳輸的目的。除了滿足超高速大容量的需求，通過控制光子載波的數量、顆粒度、調制格式，超級信道還可以實現可變速率和帶寬的光傳輸與交換。

1、正交頻分復用技術

正交頻分復用的基本原理是把高速數據流進行串并變換，形成傳輸速率相對較低的若干個并行數據流，分別在不同的子信道中傳輸。由于子信道速率降低，符號周期會相應增加，這樣就可以減少由于多徑時延而造成的符號間干擾(isi3。在OFDM系統中，每個子信道的頻譜是重疊的，這樣就提高了頻譜利用率。OFDM系統的容量與子信道數目密切相關。通過調整子信道的數目，可以獲得所需傳輸速率。

在OFDM發射機中，輸入的串行數據首先變換成許多并行子數據流，分別調制到相應的子載波上。經逆快速傅里葉變換(IFFT)后變成了數字時域信號，然后再加進循環前綴(cP)，經并串變換(P／S)和數模轉換器(DAC)變成實時波形，形成OFDM碼元。組幀時通常還要加入同步序列和信道估計序列(前導信號)，以便于接收機進行突發檢測、同步和信道估計。由此產生的基帶信號，可以用同相／正交(IQ)調制器轉換到一個光載波上。OFDM基帶信號的產生過程如圖1所示。

利用循環前綴，任何由線性色散信道引起的畸變都可以很簡單地用“單抽頭”均衡器糾正，避免符號間干擾(ISI)和載波間干擾(ICI)。利用偏振復用和多人多出技術可以提高頻譜效率，并克服偏振串擾和偏振模色散的影響。

OFDM信號頻域特性和時域波形如圖2所示。在圖2中，Z為OFDM符號周期，OFDM子載波頻率的間距R₂＝IlZ。

T比特超級信道光發射接收機首先需要產生具有固定頻率間隔的正交光子載波組成的光頻率梳。每個光子載波可承載不同速率和調制格式的信號，用戶所需帶寬由多個光子載波組成的波帶保證。

利用射頻信號驅動光調制器是一種常用的產生光頻率梳的方法，如圖3所示。不同頻率的射頻信號去調制級聯的馬赫曾德爾(MZM)強度調制器，或者不同頻率的射頻信號合波后去驅動光調制器。當射頻信號的頻率和幅度以及光調制器的偏置點選取合適時，可以得到所需要間隔和數目的光載波頻率梳。

實現了一個1.2 Tbit／s的CO－OFDM系統實驗，就是利用多個光源加上光調制器的方式來產生多子載波。在此實驗中，用了10個間隔34GHz的光源，每個利用一個強度調制來產生間隔6，8GHz的5個光載波，一共可以產生50個光子載波；然后將這50個光子載波進行奇偶分路并且分別進行OFDM信號的調制；最后耦合起來再進行偏振復用處理，最終可以得到速率為1.2 Tbit／s的信號。信號在標準單模光纖上傳輸了400 km。

所采用的是另一種產生光頻率梳超級通道的方法。其本質為利用一個光IQ調制器來產生一個抑制載波的單邊帶調制，借此來實現一個頻譜上的搬移。然后經過環路與原信號進行耦合后反復進行搬移來獲取多個光子載波。光子載波的數目由環路中的帶通濾波器的寬度來決定。

在此實驗中，在循環移頻之前先進行OFDM信號的調制，然后再完成波帶的搬移，最后實現了1Tb／s的光OFDM信號，并且信號在標準單模光纖上傳輸了600 km。

2、OFDM信號的變種——SCFDM信號

OFDM系統也有許多缺點。主要包括峰均比問題，對頻偏、相噪及IO不平衡的敏感問題。在無線0FDM系統，峰均比過高會導致信號在電放大時出現非線性；在長距離光纖傳輸中，OFDM峰均比過高會在光纖中引起克爾非線性。可以采用OFDM的一種變形結構單載波頻分復用(SCFDM)，有時又稱為DFT－spreadOFDM來降低峰均比。SCFDM原是移動通信LTE中的上行傳輸標準，因為屬于單載波調制，峰均比較低。圖4所示為SCFDM基帶信號產生流程圖。北京大學光通信實驗室實現了1.08 Tb／s超級通道信號在單模光纖上傳輸1585 km。

圖5給出了系統實驗框圖。我們利用光調制器產生了間隔9.375 GHz的40個光子載波，經過317 km環路傳輸5圈后，所有光子載波信號最差誤碼率優于3.8×10^-3。圖6所示為40個光子載波組成一個超級信道。

3、奈奎斯特波分復用技術

奈奎斯特波分復用技術(Nyquist-WDM)是另一種用于產生超級信道的技術。相對于OFDM信號的多載波調制來說，通常的單載波調制信號想要實現密集頻譜的超級信道，需要在每個光子載波產生后，利用一個奈奎斯特濾波器來對頻譜進行整形。整形后的子波帶頻譜接近一個矩形。能夠極大地減小帶外的能量泄露從而減小子波帶之間的串擾，其頻譜帶寬等于光子載波信號傳輸波特率。采用了奈奎斯特波分復用技術的信號光譜與時域波形如圖7所示。

Nyquist－WDM技術適用于時域信號，與均衡技術無關。因此在接收端可以采用傳統的時域均衡方法，也可以采用頻域均衡的方法來實現超級通道傳輸。

有文獻對于傳統的OFDM超級通道和基于Nyquist－WDM技術單載波超級通道的傳輸性能進行了仿真比較。仿真結果表明，OFDM信號需要更寬的接收機帶寬，也就是說意味著需要更快的模數(A／D)轉換。而且Nyquist－WDM信號在超長距離非線性損傷明顯的傳輸情況下，性能要優于OFDM。由于光的奈奎斯特濾波器較難于實現，因此用傳統的陣列波導光柵(AWG)或交織濾波器(Interleaver)也可以實現近似的功能。

實現的仿真結果表明在應用1.1倍波特率帶寬的2階超高斯濾波器的情況下，實現通道傳輸的代價十分小。

利用Nyquist－WDM技術實現了太比特PM－QPSK傳輸實驗。在產生25 GBaud／s調制信號之后，用一個Waveshaper來對信號的頻譜進行整形，借此實現了1 Tbit/s的超級通道。在1.1倍波特率的濾波情況下，信號在標準單模光纖上成功傳輸了2200 km。

4、帶寬可變的光傳輸與光交換

圖8表示了多種速率的信號混合傳輸的頻譜分配。正如前文所提到的，未來的光網絡要具備適應不同需求的動態帶寬分配能力，也就是說在網絡中存在不同速率的信號進行混合傳輸。這就要打破以往WDM柵格的概念，根據實際需求來進行動態調整。每種速率的信號本身就可能是一個由許多的子波帶合成的超級通道，而每個超級通道的子波帶帶寬也可能各不相同。在網絡中進行傳輸交換的時候是按照一個超級通道作為一個整體來進行處理的，只需各個超級通道之間保留一定的保護間隔即可。

5、結束語

T比特頻分復用相干光傳輸技術主要分為OFDM／SCFDM技術以及Nyquist－WDM技術兩類。不論哪種技術，都突破了傳統的WDM柵格的限制，因此可以支持帶寬靈活可變的光傳輸和交換。

多種速率混合傳輸的光網路是未來發展的趨勢，此方面的研究逐漸成為光通信的熱點之一。子波長顆粒度與頻率間距；調制格式與復用方式；單載波與多載波；保護帶寬選擇等涉及到下一代光通信體制標準的問題需要進一步研究。