隨著固定接入寬帶用戶(hù)的持續(xù)普及和未來(lái)LTE移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的部署以及各種寬帶應(yīng)用的大量涌現(xiàn)，骨干傳送網(wǎng)帶寬需求將持續(xù)快速增長(zhǎng)。據(jù)光互連論壇（OIF）公布的數(shù)據(jù)，商用網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商長(zhǎng)期年均流量增長(zhǎng)將超過(guò)50%，即不到2年流量就翻一倍；而來(lái)自中國(guó)電信的數(shù)據(jù)是每年傳輸容量增加接近100%，5年帶寬增長(zhǎng)10-20倍。在帶寬需求不斷快速增長(zhǎng)的驅(qū)動(dòng)下，N×100GbpsDWDM開(kāi)始走向規(guī)模商用，同時(shí)下一代DWDM技術(shù)即單信道超100Gbps技術(shù)的研究已經(jīng)啟動(dòng)。
所謂“超100GbpsDWDM系統(tǒng)”一般指單波長(zhǎng)信道速率400Gbps或1Tbps、而頻譜效率大于目前主流的N×100GbpsDWDM的2bit/s/Hz的大容量波分復(fù)用系統(tǒng)。超100Gbps系統(tǒng)單信道和客戶(hù)側(cè)接口速率主要有2種：
100Gbps或1Tbps，按IP界速率演進(jìn)規(guī)律1Tbps是一種選擇，但綜合技術(shù)實(shí)現(xiàn)難度等，400Gbps也是另外一種可能的選擇。近2、3年國(guó)際領(lǐng)先的研究機(jī)構(gòu)和知名的光通訊設(shè)備商在超100Gbps技術(shù)上都積極開(kāi)展了較為深入的研究，完成了若干對(duì)未來(lái)超100Gbps技術(shù)走向有影響力的系統(tǒng)試驗(yàn)。本文將簡(jiǎn)要分析超100Gbps光纖傳輸系統(tǒng)所涉及的關(guān)鍵技術(shù)，并介紹具有代表性的超100Gbps系統(tǒng)試驗(yàn)成果。
超100Gbps系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)分析
偏振復(fù)用正交相位調(diào)制（PDM-QPSK）、相干光接收、電均衡補(bǔ)償是目前業(yè)界共識(shí)的100Gbps系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方式，也應(yīng)是未來(lái)超100Gbps系統(tǒng)的技術(shù)基礎(chǔ)。為了維持大容量長(zhǎng)距離傳輸能力，超100Gbps光纖傳輸需要在更高效的光調(diào)制、各種損傷（尤其是光纖非線性損傷）補(bǔ)償?shù)汝P(guān)鍵技術(shù)上取得突破，更好傳輸性能的新型光纖等也是對(duì)超100Gbps光纖長(zhǎng)距離傳輸?shù)挠欣С帧?/p>
高效光調(diào)制技術(shù)
目前的N×100GbpsDWDM陸地系統(tǒng)通道間隔為50GHz，單纖C波段容量為8Tbps，頻譜效率為2bit/s/Hz。發(fā)展需求要求超100GbpsDWDM系統(tǒng)提供大于N×100GbpsDWDM的單纖傳輸容量。業(yè)界比較一致的認(rèn)識(shí)是采用多電平調(diào)制方案，即偏振復(fù)用M進(jìn)制正交幅度調(diào)制（PDM-MQAM），光譜寬度可以壓縮到PDM-QPSK的2/log2M。
圖1[1]描述光信噪比OSNR代價(jià)與不同調(diào)制方式的每符號(hào)比特?cái)?shù)的關(guān)系。不同的調(diào)制方式，每符號(hào)的比特?cái)?shù)不一樣，如PDM-QPSK是4比特/符號(hào)，而PDM-16QAM是8比特/符號(hào)，其光譜寬度是PDM-QPSK的1/2，從而可以容納更多的波長(zhǎng)通道或更高的信號(hào)速率，提升了傳輸容量。但是多電平調(diào)制由于各符號(hào)間碼距縮小增加了OSNR代價(jià)，即達(dá)到同樣的誤碼性能需要更高的系統(tǒng)OSNR，如PDM-16QAM需要的OSNR比PDM-QPSK高4dB。如假設(shè)系統(tǒng)發(fā)射功率、信道損傷影響等其它條件都不變，則PM-16QAM的傳輸距離只有PM-QPSK的40%，這可能會(huì)增加大量的電中繼，提高了系統(tǒng)造價(jià)（即投資成本Capex）和運(yùn)維復(fù)雜性（即運(yùn)維成本Opex），所以高階調(diào)制方案在長(zhǎng)距DWDM應(yīng)用中受到了很大的限制。
圖1OSNR代價(jià)與每符號(hào)比特?cái)?shù)的關(guān)系
光正交頻分復(fù)用技術(shù)（O-OFDM）
“低系統(tǒng)總成本”要求高階調(diào)制OSNR的劣化不能太大，從而限制了高階調(diào)制階數(shù)；在可接受的調(diào)制階數(shù)下所需要的相干光接收機(jī)中的模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）又難以實(shí)現(xiàn)。超100Gbps系統(tǒng)符號(hào)速率就已經(jīng)很高，如400Gbps信號(hào)，加上20%的前向糾錯(cuò)編碼（FEC）總速率約480Gbps，PM-8QAM調(diào)制下波特率約80GBps，單載波調(diào)制電驅(qū)動(dòng)器帶寬要大于50GHz，ADC的采樣速率要高于120GSps，目前這么高采樣率ADC面臨巨大的技術(shù)實(shí)現(xiàn)瓶頸。因此完全通過(guò)單載波高階調(diào)制實(shí)現(xiàn)超100Gbps大容量骨干傳輸?shù)目尚行暂^小。而O-OFDM采用多個(gè)正交子載波來(lái)承載信息，每個(gè)子載波信號(hào)速率較低，增加了方案的可行性。同時(shí)OFDM子載波頻譜交疊也提高了頻譜效率。
光正交多子載波的產(chǎn)生是O-OFDM方案的核心技術(shù)之一。業(yè)界試驗(yàn)了多種技術(shù)方案，圖2[2]是較流行的基于循環(huán)頻移器（RFS）光正交多載波結(jié)構(gòu)圖。RFS包括一個(gè)閉合的光纖環(huán)路、1個(gè)IQ調(diào)制器和兩個(gè)光放大器（用來(lái)補(bǔ)償頻率轉(zhuǎn)換所產(chǎn)生的損耗）。IQ調(diào)制器由兩個(gè)幅度相等、90°相移的信號(hào)所驅(qū)動(dòng)。多子載波幅度的一致性以及保持較高的子載波OSNR是該項(xiàng)技術(shù)的難點(diǎn)所在。
圖2基于RFS多載波發(fā)生器的結(jié)構(gòu)圖
光纖非線性補(bǔ)償
光纖非線性效應(yīng)不管是克爾效應(yīng)還是受激散射效應(yīng)都與光功率密度相關(guān)，超100Gbps系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)更大的系統(tǒng)容量通常采用更密集的光載波和較高階的高階光調(diào)制。由于更密集的光載波意味著更大的非線性損傷，而且高階調(diào)制對(duì)非線性引入的噪聲更敏感，超100Gbps系統(tǒng)的非線性損傷對(duì)系統(tǒng)性能影響較100Gbps系統(tǒng)嚴(yán)重得多。如為減小非線性損傷引入的傳輸代價(jià)而降低每載波的光功率，那么對(duì)于同樣的光纖鏈路超100Gbps系統(tǒng)所能達(dá)到OSNR會(huì)更低，無(wú)電中繼傳輸距離再次被縮短，從而不能滿(mǎn)足系統(tǒng)應(yīng)用要求。因此光纖的非線性補(bǔ)償是超100Gbps系統(tǒng)中不得不重點(diǎn)突破的技術(shù)難題。研究表明超100Gbps系統(tǒng)中帶內(nèi)非線性是各種非線性效應(yīng)中的主要因素，這增加了非線性補(bǔ)償?shù)目赡苄浴?/p>
新型光纖技術(shù)
開(kāi)發(fā)非線性效應(yīng)低而且損耗更低的光纖也是在超100Gbps系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)下光纖技術(shù)的發(fā)展方向之一，近幾年報(bào)道的用于大容量光纖傳輸實(shí)驗(yàn)的光纖大都是特殊光纖，如線性增強(qiáng)的純硅纖芯光纖（PSCF)、多纖芯光纖（MCF）。未來(lái)還可能有中空型纖芯光子晶體光纖（HC-PCF)，其主要通過(guò)擴(kuò)大纖芯面積（如150um2，是G.652光纖的2倍）來(lái)降低非線性效益，這類(lèi)新型光纖損耗也更小一些，但規(guī)模生產(chǎn)還需要時(shí)間。
超100Gbps系統(tǒng)研究進(jìn)展
近年業(yè)界進(jìn)行了大量的超100Gbps系統(tǒng)試驗(yàn)，表1匯總了頗具代表性的基于O-OFDM技術(shù)的超100Gbps系統(tǒng)傳輸試驗(yàn)。從中可以看出1Tbps速率以上的方案以O(shè)-OFDM為主。
表1超100Gbps系統(tǒng)傳輸試驗(yàn)
另外超100Gbps光時(shí)分復(fù)用（OTDM）系統(tǒng)傳輸實(shí)驗(yàn)也有一些研究報(bào)道[8][9]，其串行方式造成碼速率太高，相關(guān)技術(shù)的成熟度較差，預(yù)計(jì)難以走向?qū)嵱?。?duì)于400Gbps速率，通常為多子載波和高階光調(diào)制方式并存，但高階調(diào)制在提高頻譜效率的同時(shí)傳輸能力明顯下降。
結(jié)束語(yǔ)
隨著N×100GbpsDWDM系統(tǒng)的部署，超100Gbps光纖傳輸技術(shù)成為了新的研究熱點(diǎn)。超100Gbps系統(tǒng)面臨技術(shù)和工程化的巨大挑戰(zhàn)，全球研究機(jī)構(gòu)、設(shè)備商和電信運(yùn)營(yíng)商開(kāi)展了卓有成效的技術(shù)研究，已取得了諸多研究成果，我們欣喜地看到中國(guó)的企業(yè)如中興通訊也躋身其中，期望能引領(lǐng)未來(lái)的超100Gbps系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用。