超100G光傳輸物理層技術

石健 任勇

【摘要】 全球互聯網流量的年均增長超過40%，承載數據流量的光傳輸速率也從10G、40G，發展到目前的100G，目前中國已經建成規模龐大的100G網絡。超100G網絡的需求日漸增加，本文主要介紹一些目前超100G光傳輸技術物理層技術。

【關鍵詞】 100G DSP 少模光纖 多芯光纖 非線性補償

一、引言

新世紀以來，互聯網業務、移動通信的、移動互聯網、物聯網、云計算和大型數據中心等帶寬消耗型業務不斷增多，現代社會信息化進程的不斷加快，在移動領域大量移動智能終端已經帶來巨大數據需求，對各種帶寬消耗型業務的承載網絡——光網絡的傳送能力提出了越來越高的要求。單載波的網絡需求已經從上世紀 90 年代的 100Mb/s 發展到現在的100Gb/s 的帶寬需求，20 年間，網絡需求提升了 1000 倍。長距離光網絡自誕生之后的很 長一段時間內一直以超越摩爾定律的速度發展。現網的傳送技術也正式進入到 100Gb/s 的時代， 2010 年， 100G 技術開始在世界范圍內的運營商網絡中大面積部署，更大數據需求的 400G 技術也正在醞釀，已經有部分國家部署單波400G光傳送網。早在 2013 年，法國電信聯合阿爾卡特朗訊（現諾基亞通信）共同建造了從法國巴黎到里昂的 400G 網絡。未來光傳送網的演進方向非常明確，一直邁向“超長距離、超大容量、超高速率”的三超不斷邁進。相應的物理層技術同時發展，取得了眾多突破性進展。包括開發更多的復用自由度，解決問題最直接的辦法就是增加復用數，從發展初期的時分復用，到波分復用，密集波分復用、超快速時分復用和偏振復用等，到目前以模式復用和多芯光纖為代表的空分復用技術，經歷了快速的發展；隨著編碼調制技術的發展，光調制格式也由以前的開關鍵控向高階調制格式轉變，如 M進制正交振幅調制M-QAM[1]，正交頻分復用 OFDM[2]等，先進的調制格式為系統提供了更高的頻譜效率和容錯能力，如采用 256 QAM-OFDM 的光傳輸系統實現了 14bit/s/Hz 的超高頻譜效率[3]。

本文從傳輸系統的發送端出發，就鏈路和接收端等超100G關鍵技術進行簡要探究。

二、發送端技術

提升傳輸容量最直接的方法就是提高頻譜效率，對于目前的100G數字相干光傳送系統來說，采用雙偏振-正交相移鍵控（DP-QPSK），配合相干檢測和先進的數字信號處理技術，能夠實現4bit/s/Hz的頻譜效率，實現DP-QPSK調制的原理如圖1所示。

為了實現更高的頻譜效率，須利用更多的自由度信息，超100G傳輸技術可以利用雙偏振M進制正交振幅調制，具有更好的頻譜和功率效率。理論上更高進制的調制格式應該獲得更大的頻譜效率，但更高的調制格式使得信號星座圖的歐氏距離越小，需要更高的OSNR保證誤碼率，隨之導致非線性效應顯著增強，逼近非線性香農極限[4]。因此，在超100G網絡選取合適的調制格式，是必須解決的問題。目前400G傳輸大多采用基于超級信道的雙載波16QAM調制格式，配合Nyquist濾波，可以避免采用更高調制格式帶來的傳輸距離下降和DAC/ADC限制。

三、鏈路技術

隨著DSP處理技術的不斷進步，在超100G傳輸中，光纖的色散和偏振效應經不是主要考慮因素，光纖的損耗和非線性效應則成為制約超100G實現的重要障礙。超低損耗光纖可以增大無中繼傳輸距離，減少由于頻繁中繼放大帶來的ASE噪聲；采用大有效面積光纖可以顯著提升系統的非線性容忍度，允許更高的入纖功率，以獲取更高的OSNR，實現傳輸距離和傳輸容量的增大；空分復用技術使得少模光纖和多芯光纖成為鏈路技術的研究重點。

在模式復用[5]需要中，少模光纖的空間模式可以看做彼此平行的獨立信道，但由于光纖制造過程中微擾誤差和彎曲等原因，空間模式在傳輸過程中是彼此耦合的。少模光纖是指能夠在工作波長上同時支持若干個獨立正交模式的光纖，通過彼此正交的模式作為獨立信道傳輸，獲得更高的傳輸速率，模式之間會有一定的串擾，因此先進的數字信號處理技術成為該技術實用化的關鍵，數字信號處理算法的負責度取決于差分模式時延的大小。目前少模光纖的模式復用技術成為了學術屆研究的重點。多芯光纖是指光纖內含有若干單模纖芯作為獨立信道進行傳輸，可以通過增大纖芯間的距離來減小纖芯間的模式耦合，可以獲得驚人的數據傳輸容量[6]。多芯光纖的缺點是外圍的纖芯由于向包層耦合能量，會有更大的損耗，多芯光纖通常具有較大的包層直徑，導致了光纖對彎曲敏感。從目前來看，少模光纖和多芯光纖都面臨眾多技術難題，目前只限于實驗室前沿研究和演示驗證，這些方案的實用化需要未來大規模光子集成技術的發展和先進數字信號處理技術的進步。

四、接收端技術

為了實現超100G技術，接收端的數字信號處理技術就顯得尤為重要。目前，超100G的技術選擇中基本全部采用相干檢測，配合DSP技術，進行線性、非線性損傷的補償。DP-QPSK的100G相干傳輸系統主要包括色散補償，隨后進行偏振模色散補償，最后進行載波相位恢復，針對非線性畸變嚴重的系統還需要進行非線性補償。接收的信號需要經過平衡探測器進行相干檢測，經過相干檢測的信號進行模數轉換，采用傳輸方程反轉的方法進行色度色散補償，再利用CMA等進行偏振解復用，將偏振態的混疊去除，再利用信號處理算法進行載波相位恢復，線性損傷和非線性損傷的補償通常都在載波相位補償前完成。

光傳輸系統的最終容量限制就是由Kerr非線性效應和放大器的ASE噪聲引起的。在非線性效應中，單信道傳輸的信號主要受自相位調制的影響，波分復用系統中的非線性畸變主要包括交叉相位調制和四波混頻。非線性畸變的補償通常采用DSP進行，光信號的非線性效應可以通過求解非線性薛定諤方程進行求解，這就意味著可以采用DSP進行畸變補償，這就是著名的“反向傳輸法”，但算法復雜度較高。在目前的商業100G系統中，由于算法復雜度的原因，并沒有進行非線性補償，通常采用的辦法是先進的色散管理和光OSNR控制，隨著DSP處理能力的不斷進步和對更大容量傳輸需求的不斷增加，數字域非線性補償顯得尤為重要。

結論：本文著重分析了超100G光傳送網物理層相關關鍵技術，提高光傳輸系統的容量，需要采用高階調制格式，增大頻譜效率；采用新型光纖，開發更多的復用自由度，成倍的增加傳輸容量；在相干檢測后的數字信號處理采用更為先進的算法，配合非線性補償，增加傳輸距離和容量。

參 考 文 獻

[1]Winzer P. J，Gnauck A. H，Doerr C.R，et al. Spectrally Efficient Long Haul Optical Networking Using 112-Gb/s Polarization-Multiplexed 16-QAM[J]. Journal of Lightwave Technology， 2010， 28（4）： 547-556.

[2]Shieh W，Yang Q，Ma Y.107Gb/s coherent optical OFDM transmission over 1000-km SSMF fiber using orthogonal band multiplexing[J]. Opt Express， 2008， 16（9）： 6378-6386

[3]Omiya Tatsunori，Yoshida Masato，Nakazawa Masataka. 400 Gbit/s 256 QAM-OFDM transmission over 720 km with a 14 bit/s/Hz spectral efficiency by using high-resolution FDE[J]. Opt Express， 2013， 21（3）： 2632-2641

[4].R.-J. Essiambre， G. Kramer， P. J. Winzer，G. J. Foschini， and B. Goebel.Capacity limits of optical fiber networks， J. Lightw.Technol.， vol. 28， no. 4， pp. 662–701，Feb. 2010

[5]. S. Randel， R. Ryf， A. Sierra， P. J. Winzer， A. H. Ghanuck， C. A. Bolle， R.-J. Essiambre， D. W. Peckham， A. McCurdy， and R. Lingle， 6×56-Gb/s modedivision multiplexed transmission over 33-km few-mode fiber enabled by 6×6 MIMO equalization，Opt. Exp.， vol. 19， no. 17， pp. 16 601–16 611，Aug. 2011.

[6] J. Sakaguchi， Y. Awaji， N. Wada， A. Kanno， T. Kawanishi， T. Hayashi， T. Taru， T. Kobayashi， and M. Watanabe， 109-Tb/s（7×97×172-Gb/s SDM/WDM/ PDM）QPSK transmission through 16.8-km homogeneous multi-core fiber， presented at the Opt. Fiber Commun. Conf. （OFC），Los Angeles， CA， 2011， PDPB6.