鄭 波，臧志宏（中訊郵電咨詢設(shè)計院有限公司，河南 鄭州 450007）

0 前言

隨著以IPTV、三重播放為代表的大流量視頻業(yè)務(wù)的應(yīng)用，核心路由器端口逐步由10G升級至40G，從而對光傳輸網(wǎng)向40G邁進產(chǎn)生了原始驅(qū)動力。毫無疑問，40G WDM系統(tǒng)是提高傳輸容量的關(guān)鍵技術(shù)，在提升頻譜效率、降低傳送成本、減少路由器端口及維護成本等方面具備明顯優(yōu)勢。

但是，與傳統(tǒng)10G WDM系統(tǒng)相比，40G WDM系統(tǒng)對光信噪比（OSNR）、色度色散（CD）容限、偏振模色散（PMD）容限的要求及受非線性效應(yīng)的影響將更加嚴(yán)格，為解決傳輸受限問題，40G WDM系統(tǒng)在調(diào)制碼型、色散補償技術(shù)、糾錯編碼、放大技術(shù)等方面與10G WDM系統(tǒng)有著明顯差別。為此，有必要對40G WDM系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)進行深入研究，并對使用不同編碼技術(shù)情形下的色散補償策略及補償辦法給出明確建議。

1 光纖色散

1.1 光纖色散分類

色散是光纖的傳輸特性之一，由于不同波長光脈沖在光纖中具有不同的傳播速度，因此經(jīng)過長距離傳輸后會出現(xiàn)脈沖展寬。光脈沖的展寬會使接收的眼圖信號變形，導(dǎo)致系統(tǒng)誤碼率（BER）變大，從而影響傳輸信號的質(zhì)量。在單模光纖傳輸系統(tǒng)中，色散可分為以下幾類。

a）材料色散：含有不同波長的光脈沖通過光纖傳輸時，不同波長的電磁波會導(dǎo)致玻璃折射率不相同，引起傳輸速度不同，從而產(chǎn)生色散。

b）波導(dǎo)色散（又稱結(jié)構(gòu)色散）：光在光纖中通過纖芯與包層界面時，受全反射作用，被限制在纖芯中傳播。但是，如果橫向尺寸沿光纖軸發(fā)生波動，可能引起一少部分高頻率的光線進入包層，在包層中傳輸，而包層的折射率低、傳播速度大，這就會引起光脈沖展寬，從而導(dǎo)致色散。它是由光纖的幾何結(jié)構(gòu)決定的色散，其中光纖的橫截面積尺寸起主要作用。

c）PMD：單模光纖只能傳輸一種基模的光，基模實際上是由2個偏振方向相互正交的模場HE11x和HE11y所組成。若單模光纖存在著不圓度、微彎、應(yīng)力等，則合成光場是一個方向和瞬時幅度隨時間變化的非線性偏振，產(chǎn)生雙折射現(xiàn)象，即x和y方向的折射率不同。因傳播速度不等，模場的偏振方向?qū)⒀毓饫w的傳播方向隨機變化，從而會在光纖的輸出端產(chǎn)生偏振（極化）色散。引起PMD的原因分內(nèi)部原因和外部原因2種。內(nèi)部原因包括材料的不均勻性、纖芯的橢圓度及光纖的內(nèi)部應(yīng)力等，這些因素在光纖生產(chǎn)時就已確定了；外部原因則包括光纜類型、安裝方式、環(huán)境條件及溫度變化等，這些因素在不同的時間、不同的地點仍會有一些變化。

通常，把材料色散和波導(dǎo)色散統(tǒng)稱為CD，CD（見圖1）和PMD（見圖2）是本文研究的重點。

圖1 色度色散示意

圖2 偏振模色散示意

1.2 色散補償技術(shù)

色散補償?shù)幕驹硎鞘褂靡粋€或多個大負色散的器件對光纖的正色散實施抵消，對光纖中的色散積累進行補償，從而使系統(tǒng)的總色散量減小。目前，工程中實際采用的色散補償器件為色散補償光纖（DCF）和光纖布拉格光柵（FBG）。

1.2.1 色散補償光纖

色散補償光纖是具有大的負色散光纖，它是針對現(xiàn)已敷設(shè)的1.3 μm標(biāo)準(zhǔn)單模光纖而設(shè)計的一種新型單模光纖。為了使現(xiàn)已敷設(shè)的1.3 μm光纖系統(tǒng)采用WDM/EDFA技術(shù)，就必須將光纖的工作波長從1.3 μm轉(zhuǎn)為1.55 μm，而標(biāo)準(zhǔn)光纖在1.55 μm波長的色散不是零，而是正的17~20 ps/nm·km，并且具有正的色散斜率，所以必須在這些光纖中加接具有負色散的色散補償光纖，進行色散補償，以保證整條光纖線路的總色散近似為零，從而實現(xiàn)高速度、大容量、長距離的通信。

1.2.2 光纖布拉格光柵

1982年，F(xiàn).Quellette首先提出采用啁啾Bragg光柵作為反射濾波器實現(xiàn)色散補償?shù)睦碚?，其原理是：?dāng)光脈沖通過線性啁啾光柵后，短波長的光時延比長波長的光時延大，正好起到了色散均衡作用，從而實現(xiàn)色散補償。FBG所能補償?shù)纳⒘亢蛶捰晒鈻砰L度和啁啾量來決定，通過應(yīng)力或者溫度進行動態(tài)調(diào)諧。

圖3示出的是FBG色散補償?shù)幕驹?。通過使用精確啁啾和標(biāo)準(zhǔn)光環(huán)形器實現(xiàn)高效的色散補償模塊（DCM）進行基于FBG的色散補償。在FBG中將脈沖的“快”波長反射得比“慢”波長更遠、讓反射的“慢”波長更接近環(huán)形器，可以實現(xiàn)色散展寬脈沖的再壓縮。每個波長的實際反射位置取決于光纖中精確的折射率變化，而這種細至幾個納米的變化是由高度復(fù)雜的制造技術(shù)控制的，對FBG啁啾的精確控制是精確色散補償技術(shù)的關(guān)鍵。

圖3 FBG色散補償?shù)幕驹?/p>

2 編碼及調(diào)制技術(shù)

在40G WDM系統(tǒng)中，針對接收機不同的解調(diào)方式，按強度調(diào)制、相位調(diào)制和偏振復(fù)用分成OOK、PSK、PM三大類，詳細分類見表1。

表1 常用40G WDM編碼方式

本文僅介紹40G WDM系統(tǒng)常用的幾種編碼及調(diào)制技術(shù)，其他可在本文所列的參考文獻中查找。

2.1 差分相移鍵控

差分相移鍵控（DPSK）碼是將數(shù)據(jù)承載于臨近光脈沖的差分相位上，即前后2個信號脈沖的載波相位相同，表示數(shù)字碼“1”；相反，表示數(shù)字碼“0”，并用光脈沖作為載波。DPSK的頻譜寬度介于NRZ和RZ之間，比普通RZ碼的頻譜效率高，傳輸距離比普通RZ碼長，是一種能有效擴展傳輸距離和適合40 Gbit/s速率的調(diào)制新技術(shù)，在抗噪聲性能以及信道頻帶利用率等方面有較高的優(yōu)越性。

在基于DPSK的調(diào)制格式中，目前研究較多的是RZ-DPSK。在RZ-DPSK 信號格式中，相鄰“1”碼和“0”碼之間相位相差π，具有很強的非線性抑制能力以及低OSNR靈敏度。其缺點是不支持50 GHz間隔系統(tǒng)的應(yīng)用。

圖4示出的是差分DPSK編碼示例。差分相干解調(diào)實現(xiàn)相位信息向幅度信息的轉(zhuǎn)化，直接利用前后碼元的信息，無需專門的相干載波，接收比較直接，可提升OSNR容限約3 dB。

圖4 差分DPSK編碼示例

2.2 差分四相相移鍵控（DQPSK）

差分正交相移鍵控調(diào)制碼DQPSK可以實現(xiàn)更高的頻譜密度。實際上同等信號碼率，DQPSK的頻譜帶寬只有DPSK的一半，可以實現(xiàn)50 GHz間隔的40G WDM傳輸。目前研究較多的是RZ-DQPSK，它結(jié)合了RZ和DQPSK的優(yōu)點，具有良好的非線性抑制能力和高的色散與PMD容限。

其編碼方法為：原始發(fā)送信號采用2個MZ調(diào)制器實現(xiàn)調(diào)制，由2路20 Gbit/s的電信號進行調(diào)制。其中一個MZ調(diào)制器再加上π/2的相位延遲，形成2路正交的調(diào)制光信號（記為I路和Q路），并耦合在一起，形成一路QPSK已調(diào)光信號。QPSK可看成是載波相互正交的2個2PSK信號之和。如采用差分預(yù)編碼技術(shù)，可實現(xiàn)DQPSK碼型調(diào)制。

圖5示出的是QPSK矢量圖（星座圖）。

圖5 QPSK矢量圖（星座圖）

2.3 偏振復(fù)用（PM）

DP-QPSK及衍生的CP-BPSK編碼技術(shù)是支持100G傳送的熱門技術(shù)，也可以應(yīng)用于40G傳送。該編碼技術(shù)通過電域完成偏振分離、相位補償和均衡等工作，基于相干接收的電域均衡技術(shù)利用相干接收后電信號保留的光域相位信息，分離PMD導(dǎo)致的信號畸變，采用特殊電域均衡算法（硬件上通過高速ADC和DSP實現(xiàn)）糾正信號畸變，從而實現(xiàn)消除PMD影響的目的。

DP-QPSK在每一波長采用2個QPSK信號來傳遞40G信號，這2個QPSK信號分別調(diào)制光載波2個正交極化中的1個。與DPSK等調(diào)制方式相比，DPQPSK只需四分之一頻譜帶寬，通過偏振復(fù)用和四相位調(diào)制將40 Gbit/s信號速率降為10 Gbit/s，更適合數(shù)字信號處理，可在電域?qū)崿F(xiàn)色散補償、PMD補償，從而可以獲得與傳統(tǒng)10G NRZ系統(tǒng)類似的傳輸性能。同時由于應(yīng)用極化控制，DP-QPSK系統(tǒng)的PMD容限較其他調(diào)制方式明顯提高，甚至優(yōu)于傳統(tǒng)10G NRZ系統(tǒng)。

受限于數(shù)字信號處理芯片的處理速率，以及設(shè)備體積和功耗等原因，目前只有部分廠家能夠提供基于相干接收、結(jié)合PM和數(shù)字信號處理的DP-QPSK設(shè)備，達到大規(guī)模工程實用水平還需一定時間。

3 40G WDM系統(tǒng)受限分析

與10G WDM系統(tǒng)一樣，在40G WDM系統(tǒng)中同樣需要考慮線路衰耗、光纖色散等因素。且隨著線路速率的提高，系統(tǒng)指標(biāo)要求更加嚴(yán)格。同時，40G WDM系統(tǒng)受非線性的影響更加明顯，且難以消除。因此，在采取措施解決系統(tǒng)OSNR、CD、模式色散的同時，要設(shè)法消除上述措施引入的非線性影響。

3.1 OSNR受限

根據(jù)香農(nóng)定理，在有隨機熱噪聲的信道上傳輸數(shù)據(jù)信號時，數(shù)據(jù)速率（Rmax）與信道帶寬（B），信噪比（S/N）有以下關(guān)系。

當(dāng)數(shù)據(jù)速率提高4倍時，其信道帶寬也增加4倍，接收機白噪聲也相應(yīng)增加4倍，因此接收機靈敏度也要相應(yīng)提高4倍，對應(yīng)的OSNR為6 dB?，F(xiàn)網(wǎng)要求10G WDM系統(tǒng)的OSNR應(yīng)大于或等于18 dB；意味著在40G系統(tǒng)中，OSNR至少要達到24 dB。但在實際的系統(tǒng)中，這是難以實現(xiàn)的。

3.2 色度色散受限

理論研究指出，信號經(jīng)過長距離傳輸后，當(dāng)脈沖展寬（Δ）小于一個碼元周期時，碼間干擾和誤碼率可以滿足通信需要。

對于工作在1 550 nm窗口，采用外調(diào)制器的窄帶光源及NRZ編碼情況，下式成立。

式（3）可進一步簡化為

從上式可以看出：在同等物理條件下，速率提高4倍，色散容限降低為1/16。10G WDM系統(tǒng)的最大色散容限約為1 000 ps，40G WDM系統(tǒng)的約為60 ps。

在10G WDM系統(tǒng)中，通常采用在光線路中插入色散補償光纖進行色散校正，由于不能精確補償，隨著光復(fù)用段長度的增加，殘余色散會逐漸增大。10G系統(tǒng)的色散容限一般都大于±400 ps/nm。40G系統(tǒng)的色散容限應(yīng)該達到或優(yōu)于這個水平。

3.3 偏振模色散受限

如果2個偏振態(tài)分量間的平均時差（ΔτPMD）小于比特速率周期（1/B）的1/10，那么PMD在數(shù)字鏈路中的影響可以忽略。

對于2.5G系統(tǒng)，為40 ps；對于10G系統(tǒng)，為10 ps；對于40G系統(tǒng)，為2.5 ps。

從式（5）可以看出：在同等物理條件下，速率提高4倍，PMD容限降低為1/4，受限距離降低為1/16。 通常認(rèn)為，對于10G WDM系統(tǒng)，受限距離最大約為10 000 km，幾乎不用考慮PMD補償；40G系統(tǒng)的PMD受限距離約為625 km，必然要考慮PMD補償。

4 40G WDM工程技術(shù)解決方案

從上面的受限因素分析可以看出，單憑某一項技術(shù)很難解決40G WDM系統(tǒng)面臨的所有技術(shù)挑戰(zhàn)，需要綜合利用各項創(chuàng)新技術(shù)的優(yōu)勢才能實現(xiàn)。目前，主流廠家通過提高發(fā)送光功率，采用更加先進的線路編碼及糾錯編碼、新型色散補償光纖等方式，大幅提高了對受限因素的容忍及系統(tǒng)性能，在工程應(yīng)用中，應(yīng)結(jié)合實際情況，綜合考慮技術(shù)、經(jīng)濟代價等要求，選擇符合行標(biāo)及工程要求的技術(shù)解決方案。

4.1 降低OSNR容限

WDM系統(tǒng)接收端的OSNR與傳輸距離、每跨段距離、單波入纖光功率、光放大器個數(shù)密切相關(guān)。為解決系統(tǒng)OSNR受限，通常采用的技術(shù)手段包括以下幾個方面。

a）提高信號發(fā)送光功率或采用分布式Raman放大器。在相同線路情況下，通過提高發(fā)射光功率可有效提高系統(tǒng)接收端的OSNR，但必須權(quán)衡考慮非線性效應(yīng)引起的OSNR代價以及同時產(chǎn)生的光纖非線性效應(yīng)。且入纖功率過高，對光纖質(zhì)量及人員維護安全性提出了很高的要求。Raman放大器具有放大寬帶寬、噪聲低的特點，采用較低的信號光功率就可得到較高的OSNR，從而減小光纖非線性效應(yīng)的影響。但是，Raman放大器受環(huán)境影響大，對光纖質(zhì)量及人員維護安全性提出了很高的要求，現(xiàn)網(wǎng)應(yīng)用少。

b）采用更強的前向糾錯技術(shù)（EFEC）。FEC技術(shù)通過在發(fā)射端對信號進行一定的冗余編碼，并在接收端按照一定規(guī)則解碼以實現(xiàn)誤碼檢測和糾正的目的。FEC對于糾正由于ASE噪聲引起的隨機誤差很有效，ITU-T在G.957海纜和G.709/Y.1331 OTN中把RS（255，239）作為 FEC 的標(biāo)準(zhǔn)。

不同的FEC算法所能提高的OSNR靈敏度不同，一種FEC編碼所能提高的OSNR靈敏度可稱為這種FEC編碼的編碼增益，ITU-T規(guī)定的RS （255，239）編碼增益可達到6 dB，相當(dāng)于提高了6 dB OSNR靈敏度。為了進一步提高編碼增益，也提出了幾種非標(biāo)準(zhǔn)化的超級或增強 FEC， 如 RS＋RS、BCH＋BCH、RS＋BCH，編碼增益可達到9 dB。

FEC是提高系統(tǒng)OSNR容限的最有效手段，采用FEC編碼也已成為各方特別是設(shè)備廠家的共識。因此，在工程中應(yīng)結(jié)合系統(tǒng)配置及廠家OSNR仿真結(jié)果，選用合適的糾錯編碼OTU，以滿足系統(tǒng)指標(biāo)要求。

需要說明的是，F(xiàn)EC技術(shù)只是降低了OSNR容限，并沒有提高系統(tǒng)OSNR值。并且，廠家私有FEC雖然可以獲得更大的編碼增益，但因?qū)崿F(xiàn)方式不同，不能實現(xiàn)互通。

4.2 提高色散補償精度

色散補償分光域色散補償和電域色散補償，40 Gbit/s的電域色散補償由于受芯片處理速率限制，暫時還不成熟。目前通常采用單信道的精確色散補償和可調(diào)諧的后補償技術(shù)（TDC）。其原理如圖6所示。

圖6 自適應(yīng)色散補償工作原理示意

設(shè)備單板輸入光信號經(jīng)過TDC、40G光收模塊后進行光電轉(zhuǎn)換，然后送給業(yè)務(wù)處理ASIC芯片進行FEC誤碼監(jiān)測和糾錯。單板軟件通過改變TDC的色散值，得到一個FEC糾錯前誤碼率，通過持續(xù)不斷地小幅度改變TDC的色散值，可以找到FEC糾錯誤碼率變化的趨勢，從而將FEC糾錯誤碼率調(diào)節(jié)到最優(yōu)。整個調(diào)節(jié)過程由軟件動態(tài)自動控制完成，不需要人工參與。

但對于系統(tǒng)的PMD補償仍然是一個非常棘手的問題，其原因有兩個：一是PMD補償?shù)膭討B(tài)性，由于PMD是一種動態(tài)效應(yīng)，不像CD一樣有穩(wěn)態(tài)值，因此PMD的補償也是一個動態(tài)的實時過程，增加了補償?shù)膹?fù)雜度；二是高階PMD的影響，40G信號的頻譜寬度較寬，同一個信號脈沖中不同頻率的DGD可能也不相同，進一步加大了PMD補償難度。此外各個不同波長信道的PMD影響相互獨立，必須單獨進行補償，增加了PMD補償?shù)碾y度和成本。

雖然現(xiàn)階段已經(jīng)有了PMD補償技術(shù)（PMDC），一階PMDC技術(shù)基本成熟，電域、光域均有產(chǎn)品，可補償4～8 ps的DGD。但對于高階PMD及由此帶來的非線性影響并沒有好的解決辦法。

從式（4）及式（5）可以看出，只要線路的碼流速率不降低，都不能從根本上解決系統(tǒng)的色散受限問題。未來，必須使用比10G WDM系統(tǒng)更加先進的編碼及調(diào)制技術(shù)來降低線路碼流速率，以提高40G WDM系統(tǒng)的色散容限范圍，在對非線性進行更好的抑制的同時，降低系統(tǒng)OSNR靈敏度。從而在根本上解決色散受限問題，并為將來100G等更高速率的應(yīng)用提供基礎(chǔ)。

綜上所述，在40 Gbit/s波分系統(tǒng)工程建設(shè)中，對系統(tǒng)的色散補償通常按以下方法配置。

a）固定色散補償和可調(diào)色散補償相結(jié)合，即：復(fù)用段配置固定色散補償，通道層的接收機之前配置TDC。固定色散補償完成復(fù)用段色散粗略補償，TDC采用技術(shù)相對較成熟的FBG，完成通道層色散精細補償。

表2 40G碼型調(diào)制技術(shù)能力比較

b）如果進行分階段色散補償后還不能滿足系統(tǒng)要求，可采用PMDC補償，但要考慮由此引起的系統(tǒng)代價。

c）更換系統(tǒng)碼型，采用DQPSK或色散容限更高的編碼方式。

4.3 合理選擇碼型調(diào)制技術(shù)

新型傳輸碼型相對于傳統(tǒng)NRZ的主要優(yōu)勢，是通過新的調(diào)制編碼技術(shù)，提高N×40 Gbit/s WDM系統(tǒng)對于（大）部分傳輸限制因素的克服能力，顯著提高系統(tǒng)的傳輸距離。根據(jù)式（4）及式（5）可以看出，CD和偏振模色散主要和線路碼流速率（波特率）相關(guān)。因此，不同編碼技術(shù)的比特速率直接決定了其色散容限。表2示出的是40G碼型調(diào)制技術(shù)能力比較。

從表2所示技術(shù)能力比較來看，DPSK、DQPSK是現(xiàn)階段40G WDM系統(tǒng)的主流編碼技術(shù)。而對未來100G甚至更高速率通道，以DP-QPSK為主及其衍生的調(diào)制技術(shù)和相干接收技術(shù)是主流選擇。結(jié)合不同應(yīng)用場景，建議如下：

a）考慮到ODB編碼的技術(shù)潛力不大，不能滿足100G速率需求。因此，現(xiàn)階段僅在建設(shè)城域等短距離40G波分平臺時選用。

b）在省內(nèi)二干及長途一干系統(tǒng)中，應(yīng)在DPSK和DQPSK 2種編碼中選擇，其主要區(qū)別在于對CD和偏振模色散的容忍不同。

c）一般而言，DPSK編碼造價較低，在滿足系統(tǒng)指標(biāo)要求時，可推薦使用。

d）考慮到PMDC補償帶來的系統(tǒng)代價，當(dāng)采用DPSK編碼不能滿足系統(tǒng)要求時，可采用DPSK＋PMDC或DQPSK兩種方式解決；在工程造價不受限制時，優(yōu)先選用DQPSK。

5 其他問題

5.1 光纖光纜選擇

通常認(rèn)為，承載40G WDM系統(tǒng)時G.655光纖的色散容限好于G.652。但因其受非線性影響更大，且難以消除；同時，隨著色散補償技術(shù)的進步，G.652承載40G WDM系統(tǒng)已不存在問題，廠家設(shè)備測試結(jié)果也證明了這一點。

因此，在新建40G WDM工程中，在有條件的情況下，應(yīng)盡量選取G.652光纖。在光纜選取上，考慮到溫度變化對光纖色散影響較大，在新疆、西藏、東北等晝夜溫差較大的區(qū)域，應(yīng)盡量選取管道或直埋光纜，而不選擇架空光纜。系統(tǒng)設(shè)計時，應(yīng)按光纖色散最壞情況進行系統(tǒng)配置。

5.2 客戶側(cè)接口

目前，各傳輸和路由器廠商均采用ITU-T G.695和G.959.1標(biāo)準(zhǔn)中所定義的短距接口指標(biāo)，工作在1 550 nm窗口，衰減范圍一般在7 dB左右，但由于其色散范圍一般為40～60 ps/nm，對于G.652光纖來講，40G SDH和OTU3客戶側(cè)接口只能傳送2～3 km，當(dāng)傳輸設(shè)備和數(shù)據(jù)設(shè)備相距10 km左右時，可通過以下方案解決。

方案一：在需要40G WDM中繼的機房之間建設(shè)G.655光纜，G.655光纜在1 550 nm窗口的色散系數(shù)為4.2 ps/nm·km左右，可以保證在40G客戶側(cè)接口傳送10 km左右。

方案二：開發(fā)1 310 nm波長板卡，G.652光纖在1 310 nm波長的色散為3.5 ps/nm2·km，可以保證在40G客戶側(cè)接口傳送10 km以上。在對某廠家提供的長距客戶側(cè)板卡進行了測試后，結(jié)果表明工作在1 310 nm窗口的客戶側(cè)40 Gbit/s信號能夠在G.652光纖上傳送12.8 km。

因此，建議運營商督促和協(xié)商傳輸設(shè)備和路由器廠商開發(fā)采用1 310 nm波長、色散容限40 ps/nm以上的客戶側(cè)光接口，以滿足局間中繼光纜長度在10 km以上的中繼需求。局間中繼光纜長度超過10 km時，現(xiàn)階段只能采用建設(shè)局間中繼WDM系統(tǒng)方式解決。

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