超100Gbps光纤传输技术和系统试验最新进展

2021-10-28 19:07:58
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  【摘要】   概述  随着固定接入宽带用户的持续普及和未来LTE移动网络的部署以及各种宽带应用的大量涌现,骨干传送网带宽需求将持续快速增长。据...

  概述

  随着固定接入宽带用户的持续普及和未来LTE移动网络的部署以及各种宽带应用的大量涌现,骨干传送网带宽需求将持续快速增长。据光互连论坛(OIF)公布的数据,商用网络运营商长期年均流量增长将超过50%,即不到2年流量就翻一倍;而来自中国电信的数据是每年传输容量增加接近100%,5年带宽增长10-20倍。在带宽需求不断快速增长的驱动下,N×;100Gbps DWDM开始走向规模商用,同时下一代DWDM技术即单信道超100Gbps技术的研究已经启动。

  所谓超100Gbps DWDM系统一般指单波长信道速率400Gbps或1Tbps、而频谱效率大于目前主流的N×;100Gbps DWDM的2bit/s/Hz的大容量波分复用系统。超100Gbps系统单信道和客户侧接口速率主要有2种:

  100Gbps或1Tbps,按IP界速率演进规律1Tbps是一种选择,但综合技术实现难度等,400Gbps也是另外一种可能的选择。近2、3年国际领先的研究机构和知名的光通讯设备商在超100Gbps技术上都积极开展了较为深入的研究,完成了若干对未来超100Gbps技术走向有影响力的系统试验。本文将简要分析超100Gbps光纤传输系统所涉及的关键技术,并介绍具有代表性的超100Gbps系统试验成果。

  超100Gbps系统关键技术分析

  偏振复用正交相位调制(PDM-QPSK)、相干光接收、电均衡补偿是目前业界共识的100Gbps系统实现方式,也应是未来超100Gbps系统的技术基础。为了维持大容量长距离传输能力,超100Gbps光纤传输需要在更高效的光调制、各种损伤(尤其是光纤非线性损伤)补偿等关键技术上取得突破,更好传输性能的新型光纤等也是对超100Gbps光纤长距离传输的有利支持。

  高效光调制技术

  目前的N×;100Gbps DWDM陆地系统通道间隔为50GHz,单纤C波段容量为8Tbps,频谱效率为2bit/s/Hz。发展需求要求超100Gbps DWDM系统提供大于N×;100Gbps DWDM的单纤传输容量。业界比较一致的认识是采用多电平调制方案,即偏振复用M进制正交幅度调制(PDM-MQAM),光谱宽度可以压缩到PDM-QPSK的2/log2M。

  图1[1]描述光信噪比OSNR代价与不同调制方式的每符号比特数的关系。不同的调制方式,每符号的比特数不一样,如PDM-QPSK是4比特/符号,而PDM-16QAM是8比特/符号,其光谱宽度是PDM-QPSK的1/2,从而可以容纳更多的波长通道或更高的信号速率,提升了传输容量。但是多电平调制由于各符号间码距缩小增加了OSNR代价,即达到同样的误码性能需要更高的系统OSNR,如PDM-16QAM需要的OSNR比PDM-QPSK高4dB。如假设系统发射功率、信道损伤影响等其它条件都不变,则PM-16QAM的传输距离只有PM-QPSK的40%,这可能会增加大量的电中继,提高了系统造价(即投资成本Capex)和运维复杂性(即运维成本Opex),所以高阶调制方案在长距DWDM应用中受到了很大的限制。

  


图1 OSNR代价与每符号比特数的关系

  
光正交频分复用技术(O-OFDM)

  低系统总成本要求高阶调制OSNR的劣化不能太大,从而限制了高阶调制阶数;在可接受的调制阶数下所需要的相干光接收机中的模数转换器(ADC)又难以实现。超100Gbps系统符号速率就已经很高,如400Gbps信号,加上20%的前向纠错编码(FEC)总速率约480Gbps,PM-8QAM调制下波特率约80GBps,单载波调制电驱动器带宽要大于50GHz,ADC的采样速率要高于120 GSps,目前这么高采样率ADC面临巨大的技术实现瓶颈。因此完全通过单载波高阶调制实现超100Gbps大容量骨干传输的可行性较小。而O-OFDM采用多个正交子载波来承载信息,每个子载波信号速率较低,增加了方案的可行性。同时OFDM子载波频谱交叠也提高了频谱效率。

  光正交多子载波的产生是O-OFDM方案的核心技术之一。业界试验了多种技术方案,图2[2]是较流行的基于循环频移器(RFS)光正交多载波结构图。RFS包括一个闭合的光纤环路、1个IQ调制器和两个光放大器(用来补偿频率转换所产生的损耗)。IQ调制器由两个幅度相等、90°;相移的信号所驱动。多子载波幅度的一致性以及保持较高的子载波OSNR是该项技术的难点所在。

  


图2 基于RFS多载波发生器的结构图

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