摘要：高清電視、視頻點(diǎn)播、云計算等新業(yè)務(wù)的發(fā)展要求光纖傳送網(wǎng)帶寬大并能靈活調(diào)度。文章討論了幾種實(shí)現(xiàn)傳輸速率為T比特每秒的超級信道產(chǎn)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(fù)用的多載波技術(shù)，也可以采用單載波時域或頻域均衡技術(shù)。通過調(diào)整光子載波的數(shù)目與顆粒度?；蛎總€光子載波上承載的調(diào)制格式，可以實(shí)現(xiàn)可變速率的光傳輸與光交換。

關(guān)鍵詞：高速光纖傳輸；正交頻分復(fù)用；相干光通信

光纖通信網(wǎng)絡(luò)是國家重要的基礎(chǔ)設(shè)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(tǒng)的目標(biāo)。當(dāng)今社會，網(wǎng)絡(luò)信息成幾何級數(shù)增長，移動辦公、三維視頻、云計算、遠(yuǎn)程醫(yī)療等多種新型業(yè)務(wù)所需帶寬靈活多樣，迫切需要增強(qiáng)光網(wǎng)絡(luò)動態(tài)帶寬管理功能。因此未來光纖傳送網(wǎng)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(yīng)用戶不同需求的動態(tài)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(jié)合偏振復(fù)用并采用多電平的光調(diào)制格式，單個光載波可以傳輸?shù)淖罡咚俾试诎偌忍孛棵肓考墶６鄠€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(shù)量和單個光子載波承載的速率，可以實(shí)現(xiàn)太比特每秒的超高速傳輸。

和傳統(tǒng)波分復(fù)用系統(tǒng)相同的是：這種超級信道的思想本質(zhì)上來自于頻分復(fù)用的技術(shù)。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(fù)用(OFDM)技術(shù)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(shí)現(xiàn)具有高頻譜效率光子載波帶傳輸?shù)哪康摹３藵M足超高速大容量的需求，通過控制光子載波的數(shù)量、顆粒度、調(diào)制格式，超級信道還可以實(shí)現(xiàn)可變速率和帶寬的光傳輸與交換。

1、正交頻分復(fù)用技術(shù)

正交頻分復(fù)用的基本原理是把高速數(shù)據(jù)流進(jìn)行串并變換，形成傳輸速率相對較低的若干個并行數(shù)據(jù)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(yīng)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(tǒng)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(tǒng)的容量與子信道數(shù)目密切相關(guān)。通過調(diào)整子信道的數(shù)目，可以獲得所需傳輸速率。

在OFDM發(fā)射機(jī)中，輸入的串行數(shù)據(jù)首先變換成許多并行子數(shù)據(jù)流，分別調(diào)制到相應(yīng)的子載波上。經(jīng)逆快速傅里葉變換(IFFT)后變成了數(shù)字時域信號，然后再加進(jìn)循環(huán)前綴(cP)，經(jīng)并串變換(P／S)和數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)變成實(shí)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(dǎo)信號)，以便于接收機(jī)進(jìn)行突發(fā)檢測、同步和信道估計。由此產(chǎn)生的基帶信號，可以用同相／正交(IQ)調(diào)制器轉(zhuǎn)換到一個光載波上。OFDM基帶信號的產(chǎn)生過程如圖1所示。

利用循環(huán)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(fù)用和多人多出技術(shù)可以提高頻譜效率，并克服偏振串?dāng)_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(fā)射接收機(jī)首先需要產(chǎn)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(diào)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(qū)動光調(diào)制器是一種常用的產(chǎn)生光頻率梳的方法，如圖3所示。不同頻率的射頻信號去調(diào)制級聯(lián)的馬赫曾德爾(MZM)強(qiáng)度調(diào)制器，或者不同頻率的射頻信號合波后去驅(qū)動光調(diào)制器。當(dāng)射頻信號的頻率和幅度以及光調(diào)制器的偏置點(diǎn)選取合適時，可以得到所需要間隔和數(shù)目的光載波頻率梳。

實(shí)現(xiàn)了一個1.2 Tbit／s的CO－OFDM系統(tǒng)實(shí)驗，就是利用多個光源加上光調(diào)制器的方式來產(chǎn)生多子載波。在此實(shí)驗中，用了10個間隔34GHz的光源，每個利用一個強(qiáng)度調(diào)制來產(chǎn)生間隔6，8GHz的5個光載波，一共可以產(chǎn)生50個光子載波；然后將這50個光子載波進(jìn)行奇偶分路并且分別進(jìn)行OFDM信號的調(diào)制；最后耦合起來再進(jìn)行偏振復(fù)用處理，最終可以得到速率為1.2 Tbit／s的信號。信號在標(biāo)準(zhǔn)單模光纖上傳輸了400 km。

所采用的是另一種產(chǎn)生光頻率梳超級通道的方法。其本質(zhì)為利用一個光IQ調(diào)制器來產(chǎn)生一個抑制載波的單邊帶調(diào)制，借此來實(shí)現(xiàn)一個頻譜上的搬移。然后經(jīng)過環(huán)路與原信號進(jìn)行耦合后反復(fù)進(jìn)行搬移來獲取多個光子載波。光子載波的數(shù)目由環(huán)路中的帶通濾波器的寬度來決定。

在此實(shí)驗中，在循環(huán)移頻之前先進(jìn)行OFDM信號的調(diào)制，然后再完成波帶的搬移，最后實(shí)現(xiàn)了1Tb／s的光OFDM信號，并且信號在標(biāo)準(zhǔn)單模光纖上傳輸了600 km。

2、OFDM信號的變種——SCFDM信號

OFDM系統(tǒng)也有許多缺點(diǎn)。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(tǒng)，峰均比過高會導(dǎo)致信號在電放大時出現(xiàn)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?？梢圆捎肙FDM的一種變形結(jié)構(gòu)單載波頻分復(fù)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(biāo)準(zhǔn)，因為屬于單載波調(diào)制，峰均比較低。圖4所示為SCFDM基帶信號產(chǎn)生流程圖。北京大學(xué)光通信實(shí)驗室實(shí)現(xiàn)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(tǒng)實(shí)驗框圖。我們利用光調(diào)制器產(chǎn)生了間隔9.375 GHz的40個光子載波，經(jīng)過317 km環(huán)路傳輸5圈后，所有光子載波信號最差誤碼率優(yōu)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(fù)用技術(shù)

奈奎斯特波分復(fù)用技術(shù)(Nyquist-WDM)是另一種用于產(chǎn)生超級信道的技術(shù)。相對于OFDM信號的多載波調(diào)制來說，通常的單載波調(diào)制信號想要實(shí)現(xiàn)密集頻譜的超級信道，需要在每個光子載波產(chǎn)生后，利用一個奈奎斯特濾波器來對頻譜進(jìn)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?dāng)_，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(fù)用技術(shù)的信號光譜與時域波形如圖7所示。

Nyquist－WDM技術(shù)適用于時域信號，與均衡技術(shù)無關(guān)。因此在接收端可以采用傳統(tǒng)的時域均衡方法，也可以采用頻域均衡的方法來實(shí)現(xiàn)超級通道傳輸。

有文獻(xiàn)對于傳統(tǒng)的OFDM超級通道和基于Nyquist－WDM技術(shù)單載波超級通道的傳輸性能進(jìn)行了仿真比較。仿真結(jié)果表明，OFDM信號需要更寬的接收機(jī)帶寬，也就是說意味著需要更快的模數(shù)(A／D)轉(zhuǎn)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(yōu)于OFDM。由于光的奈奎斯特濾波器較難于實(shí)現(xiàn)，因此用傳統(tǒng)的陣列波導(dǎo)光柵(AWG)或交織濾波器(Interleaver)也可以實(shí)現(xiàn)近似的功能。

實(shí)現(xiàn)的仿真結(jié)果表明在應(yīng)用1.1倍波特率帶寬的2階超高斯濾波器的情況下，實(shí)現(xiàn)通道傳輸?shù)拇鷥r十分小。

利用Nyquist－WDM技術(shù)實(shí)現(xiàn)了太比特PM－QPSK傳輸實(shí)驗。在產(chǎn)生25 GBaud／s調(diào)制信號之后，用一個Waveshaper來對信號的頻譜進(jìn)行整形，借此實(shí)現(xiàn)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(biāo)準(zhǔn)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?shù)念l譜分配。正如前文所提到的，未來的光網(wǎng)絡(luò)要具備適應(yīng)不同需求的動態(tài)帶寬分配能力，也就是說在網(wǎng)絡(luò)中存在不同速率的信號進(jìn)行混合傳輸。這就要打破以往WDM柵格的概念，根據(jù)實(shí)際需求來進(jìn)行動態(tài)調(diào)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(wǎng)絡(luò)中進(jìn)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(jìn)行處理的，只需各個超級通道之間保留一定的保護(hù)間隔即可。

5、結(jié)束語

T比特頻分復(fù)用相干光傳輸技術(shù)主要分為OFDM／SCFDM技術(shù)以及Nyquist－WDM技術(shù)兩類。不論哪種技術(shù)，都突破了傳統(tǒng)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?shù)墓饩W(wǎng)路是未來發(fā)展的趨勢，此方面的研究逐漸成為光通信的熱點(diǎn)之一。子波長顆粒度與頻率間距；調(diào)制格式與復(fù)用方式；單載波與多載波；保護(hù)帶寬選擇等涉及到下一代光通信體制標(biāo)準(zhǔn)的問題需要進(jìn)一步研究。