40 Gbit/s WDM系统技术与应用前景展望

目前单信道传输速率为10 Gbit/s 的波分复用(WDM)系统已得到大量应用。按照传统SDH传输速率呈4倍增长的发展规律，从STM-1、STM-4、STM-16到STM-64，下一步的单信道传输速率应当是STM-256，即40 Gbit/s。近两年，对单信道传输速率40 Gbit/s的WDM系统的研究进展很快。从市场、技术及WDM传输系统发展的历史来看，40 Gbit/s WDM系统是发展趋势。

　　从市场来看，虽然目前10 Gbit/s WDM系统的传输容量已超过1.6 Tbit/s，但业务尤其是IP业务量还在迅速增长，带来了对带宽更宽的需求。

　　从技术来看，扩大WDM系统的带宽可通过增加波长通道数或提高单信道传输速率来实现。增加通道数的途径有：减小通道间隔、拓宽波长范围以及采用偏振复用技术等手段。10 Gbit/s系统的通道数已超过了160个，目前密集波分复用(DWDM)系统的通道间隔已实现小于50 GHz，甚至25 GHz，但间隔的进一步减小将使光纤非线性效应的抑制变得更加困难。波长范围目前已应用了C和L波段，将向S、xL波段，进而全波段发展，但相应波段的光放大器还不成熟。除增加通道数外，另一个扩大带宽的可行的途径是提高单信道速率，即将单信道速率从10 Gbit/s提高至40 Gbit/s。

　　从10 Gbit/s系统的发展历史来看，当路由器、交换机的接口速率达到2.5 Gbit/s时，骨干网需要更高的速率，因而出现了10 Gbit/s系统市场的快速增长。现在数据设备已有了10 Gbit/s接口，骨干网需要更大的传输颗粒，因此40 Gbit/s系统已具备了应用的必要性。

　　降低网络费用一直是运营商的主要目标之一。在同样的传输容量下，40 Gbit/s系统所需的波长数少，如组成一个传输容量1.6 Tbit/s的WDM系统，10 Gbit/s系统需要160波，采用C和L两个波段；40 Gbit/s系统只需40波，采用一个波段。这将简化网络管理，降低运营费用。此外，40 Gbit/s系统比4个10 Gbit/s系统更节省空间、功耗。可见40 Gbit/s更适应技术和市场的发展趋势。

　　1 40 Gbit/s WDM系统现状

　　目前，全球主要的通信设备制造商绝大部分都已对40 Gbit/s WDM技术进行了研究，并宣称具备了解决方案。这很大程度是由于Nortel在10 Gbit/s WDM应用上的巨大成功，促使其他厂商在40 Gbit/s WDM应用上不愿再次错过良机，所以相关研究进行得很快。1997年才出现第1个单波长传输速率40 Gbit/s的报道，1998年就出现了4×40 Gbit/s WDM系统，1999年已有80×40 Gbit/s WDM系统。表1是迄今为止40 Gbit/s WDM实验室系统现状。系统容量的最高纪录是273×40 Gbit/s(由NEC公司发布，共利用了S、C、L这3个波段)[1]，或256×40 Gbit/s(由阿尔卡特公司发布，系统采用了残留边带调制格式和偏振复用，频谱利用率达到1.28 bit/s/Hz)[2]；传输距离的最新纪录由朗讯公司发布，在系统容量64×40 Gbit/s时，传输距离达到4 000 km(系统采用了贝尔实验室开发的差分相移键控（DPSK）编码方式)[3]。

表1 40 Gbit/s WDM实验室系统现状

　　从表1可以看出，40 Gbit/s WDM实验室系统的容量已超过10 Tbit/s，传输距离已达到了超长距离，与目前的10 Gbit/s WDM系统不相上下。

　　2 40 Gbit/s WDM系统的关键技术

　　40 Gbit/s WDM系统主要需解决光传输性能和高速电信号处理的问题。与已实用的10 Gbit/s WDM系统相比，40 Gbit/s WDM系统对光传输性能的要求更高：光信噪比(OSNR)提高6 dB左右，色度色散容限降至1/16，偏振模色散(PMD)容限降低至1/4。解决光传输限制的途径包括采用：喇曼(Raman)放大器、前向纠错编码(FEC)、精确色度色散补偿(包括可调色散补偿)、归零(RZ)码或其他调制格式、偏振模色散补偿等。高速电信号处理则主要依赖于专用芯片。

　　2.1 40 Gbit/s高速电信号处理

　　40 Gbit/s高速电信号处理包括高速复分接电路技术、开销处理技术、成帧技术、高速时钟处理技术(如时钟生成和恢复)等，这些技术的实现主要依赖于专用芯片。已有器件供应商宣称有复用(带时钟复用单元)/解复用(带时钟数据恢复)芯片，但大部分厂商对40 Gbit/s的成帧器和带外前向纠错(FEC)芯片还只有研发计划。

　　2.2 前向纠错

　　在光信噪比一定的情况下，前向纠错(FEC)可提高系统的误码率性能，在海底光缆系统、大容量长距离光纤传输系统中，其作用已得到了证明。带外FEC增加了纠错编码，可提高纠错性能，其编码增益为5～7 dB，但带外FEC同时提高了信道速率(约7%)。在40 Gbit/s系统中信道速率将达到43 Gbit/s左右，这使系统的色度色散、偏振模色散的容限更小。

　　2.3 提高光信噪比

　　由于40 Gbit/s WDM系统需要的光信噪比(OSNR)比10 Gbit/s高6 dB左右，如果采用提高发射光功率来满足OSNR的方法，则会造成光纤非线性效应更突出，所以必须采用其他的措施，如采用Raman放大器、RZ码调制格式等。

　　Raman放大器具有放大宽带宽、噪声低的特点，在10 Gbit/s大容量超长距离传输中已开始应用。采用Raman放大器后，较低的信号光功率就可得到较高的OSNR，从而减小光纤非线性效应的影响。由于受激喇曼散射(SRS)的低效率，单个Raman放大器的增益一般不足以补偿信号在光纤一个跨距段上的损耗，因此同时需要使用掺铒光纤放大器(EDFA)或多个Raman放大器。图1为一个采用全Raman放大的系统，采用了分布式反向泵浦Raman放大器、正向泵浦Raman放大器及集中式Raman放大器。目前，OFS公司的容量为80×42.7 Gbit/s、传输距离为20×100 km的系统[4]和Mintera公司的容量为40×42.7 Gbit/s、传输距离为36×100 km的系统[5]都采用了全喇曼放大，接收端光信噪比可达19～22 dB，比采用Raman放大器加EDFA混合放大的方式可提高光信噪比3 dB以上。

图1 采用全Reman放大的系统示意图

　　2.4 色度色散补偿

　　40 Gbit/s WDM系统的色散容限只有60 ps/nm左右，若采用G.652光纤(色散系数17 ps/km/nm)，只能传输几公里，即使采用色散系数为6 ps/km/nm的非零色散移位光纤(NZDSF)，也只能传输10 km左右，因此必须进行色散补偿，波分复用时还需进行色散斜率补偿。由于色散容限小，色散补偿的精度要求很高。

　　40 Gbit/s系统对色散的容限很小，即使对系统进行了完善的静态色散补偿，也难以保证系统的性能，因为系统色度色散受以下因素影响：第一，环境(如温度)变化的影响，500 km长的NZDSF光纤的色散温度系数大约为1 ps/nm/℃，对色散容限为60 ps/nm的40 Gbit/s系统而言，意味着其工作温度范围就只有60℃，难以满足实际需求；第二，光功率的变化，会引起非线性效应的变化，从而改变系统的色散容忍度；第三，在实际网络中，不同波长信号经过的路径不同，色散不一样。因此，40 Gbit/s系统有必要进行动态色散补偿。目前可行的可调色散补偿措施是利用啁啾光纤光栅，对每个信道的残余色散进行可调的补偿。

　　2.5 偏振模色散补偿

　　如果偏振模色散为0.2 ps/ km，以平均差分群时延(DGD)小于信号比特周期的1/10来计算(其出现概率高于1/18 000)，则40 Gbit/s信号无电中继的最大传输距离仅为156 km。此外，当单信道信号速率达到40 Gbit/s时，二阶偏振模色散效应也明显起来，如在一阶偏振模色散补偿的研究中不考虑高阶偏振模色散的影响，系统允许的DGD可以从信号比特周期的0.11倍提高到信号比特周期的0.38倍，但由于高阶偏振模色散的作用，在实际系统中传输限制只能提高到信号比特周期的0.29倍[6]。因此，在目前的实用化系统向高速(如40 Gbit/s)和长距离(如无电中继距离大于2 000 km)发展的过程中，偏振模色散的宽带自适应适时补偿是需要解决的关键问题之一。

　　对光纤传输系统而言，当光信噪比、色度色散的问题解决后，偏振模色散成为传输的最终限制因素。由于偏振模色散值是统计随机量，所以测量和补偿都较困难。PMD的补偿可在电域或光域进行，考虑到高速系统中电子器件的速率限制，最可能应用偏振模补偿的方案将在光域进行。目前一阶偏振模色散的补偿已有报道采用偏振控制器加保偏光纤来实现，但高阶偏振模色散的补偿则较为困难。

　　2.6 信号调制格式

　　在10 Gbit/s及以下系统中，普遍采用的是非归零(NRZ)码的调制格式。在40 Gbit/s系统中，尤其是传输距离超过1 000 km时，归零(RZ)码更受关注。与非归零码相比，RZ码的平均光功率较低，对光纤非线性、PMD的容忍度更高，RZ码还更有利于时钟恢复。但常规RZ码导致脉冲频谱变宽，更容易受色散影响，因此，载频抑制归零(CS-RZ)码能压缩频谱的码型，通常在大容量、长距离传输的40 Gbit/s WDM系统实验中很受青睐[4，5]。

　　3 40 Gbit/s WDM系统实用化需解决的问题

　　40 Gbit/s WDM的系统解决方案已问世几年，但到目前为止，40 Gbit/s系统还没有正式进入市场，电信运营商、设备制造商到元器件供应商都在观望。40 Gbit/s系统离实用化的距离还有多远是关注的热点，其实用化除了需要解决前述各关键技术外，还取决于很多其他方面的因素。

　　3.1 系统可靠性因素

　　40 Gbit/s系统在技术上的成功并不能保证其在商业上的成功。运营商基本上不关心实际的线路速率，主要关心的是网络的可靠性、灵活性、可管理性、每比特公里的成本等。由于一个40 Gbit/s波长所承载的信息量是10 Gbit/s波长的4倍，因此整个网络必须具有更高的可靠性。　

　　从技术上来说，提高40 Gbit/s系统的可靠性需要从器件、模块、系统及网络设备等方面来保证。40 Gbit/s的成帧器、FEC芯片、调制器等还处在发展和应用初期，可靠性需要得到充分的验证。一个高可靠性的光传输系统应尽量减少电中继，否则大量的中继器将降低系统的可靠性，提高成本。除了传输系统外，核心交换机也应能运行于40 Gbit/s线路速率，否则采用过多的电复用/解复用器会增加网络的复杂度和降低网络的可靠性。

　　3.2 系统向下兼容因素

　　新系统应支持以前系统的速率和业务。40 Gbit/s系统除了从传输到电交换都应能支持10 Gbit/s及其以下的速率、能支持多种业务外，光交叉连接(OXC)也应能支持从STM-1至STM-256的交叉连接粒度。

　　3.3 成本因素

　　40 Gbit/s系统的元器件使用了新材料(采用了GaAs、InP等)，集成度也更高，相应其成本比较高。但在40 Gbit/s系统中，由于频谱效率的提高，减少了所需的网络设备，从而可以抵消掉元器件的部分成本，如在总容量为1.6 Tbit/s的系统中，40 Gbit/s只需采用C波段一个波段，与10 Gbit/s需要采用C和L两个波段相比，除减少了L波段的合波器、分波器、EDFA、色散补偿模块外，Raman放大器也不需要增益带宽覆盖C和L两个波段。根据以往的经验，当40 Gbit/s成本降到10 Gbit/s系统的2.5倍以下时较有竞争力。

　　由于PMD的原因，40 Gbit/s在老型号的光纤中不能应用，必须采用新型号光纤，所以对一些运营商来说，更新光纤的成本也必须考虑。

　　3.4 长距离传输因素

　　由于40 Gbit/s的元器件、终端设备成本较高，系统只有解决了长距离传输的问题，才能减少中继，从而降低系统成本，而且较少的中继也可提高系统的可靠性，简化网络管理。当40 Gbit/s WDM系统的传输距离可与10 Gbit/s系统相比时，对运营商会十分有吸引力。

　　4 40 Gbit/s WDM系统的应用前景

　　除了40 Gbit/s WDM系统技术上被广泛关注之外，40 Gbit/s WDM系统倍受关注的另一焦点是它何时、何地、以何种方式进入市场。

　　带宽的增长需求是40 Gbit/s WDM系统进入市场的基本条件。目前的带宽似乎已可在一段时间内满足需求，但IP业务仍在不断增长，随着世界经济的复苏、全球经济一体化进程的加快、世界各国交流的更加频繁，对通信带宽的需求仍将增长，可以预期40 Gbit/s WDM系统具备极大的市场潜力。

　　骨干网对40 Gbit/s WDM系统的需求可能较大，但在骨干网上应用该系统，首先必须解决长距离传输的问题。40 Gbit/s WDM系统由于色散容限小、对OSNR要求高，长距离传输较为困难。目前城域核心网所需的带宽与骨干网相当，但其传输距离短，对光放大节点(甚至不需要放大节点)、色度色散补偿、偏振模色散补偿的要求都不高，在目前40 Gbit/s WDM系统长距离传输还存在困难的情况下，40 Gbit/s WDM系统很有可能首先应用在城域网上。　

　　5 总结

　　无论从技术还是市场来看，40 Gbit/s WDM系统都是发展趋势。其关键技术包括高速电信号处理、OSNR、色度色散补偿、偏振模色散补偿、信号调制格式的选择等；其实用化需解决的问题包括高可靠性、低成本、向下兼容、长距离传输等。随着技术的进步和成本的进一步下降，40 Gbit/s WDM系统在光网络中的引入速度将会加快。　

　　参考文献

　　1 Fukuchi K. 10.92 Tbit/s (273×40 Gbit/s) triple-band/ultra-dense WDM optical repeated transmission experiment. OFC2001, PD24
　　2 Yann Frignac, Gabriel Charlet, Wilfried Idler, et al. Transmission of 256 wavelength-division and polarization-division-multiplexed channels at 42.7 Gbit/s (10.2 Tbit/s capacity) over 3×100 km of TeraLightTM fiber. OFC2002, PD FC5
　　3 Gnauck A H, Raybon G, Chandrasekhar S, et al. 2.5 Tbit/s (64×42.7 Gbit/s) transmission over 40×100 km NZDSF using RZ-DPSK format and all-Raman-amplified spans. OFC2002, PD FC2
　　4 Zhu B, Leng L, Nelson L E, et al. 3.2 Tbit/s (80×42.7 Gbit/s) transmission over 20×100 km of non-zero dispersion fiber with simultaneous C+L-band dispersion compensation. OFC2002, PD FC8
　　5 Fenghai L, Bennike J, Supriyo D, et al. 1.6 Tbit/s (40×42.7 Gbit/s) transmission over 3 600 km UltraWaveTM fiber with all-Raman amplified 100 km terrestrial spans with ETDM transmitter and receiver. OFC2002, PD FC7
　　6 Bülow H. Limitation of optical first-order PMD compensation. OFC99, WE1

[摘要] 单信道传输速率40 Gbit/s 的波分复用系统是目前研究的热点。文章介绍了其现状，分析了其关键技术中的高速电信号处理、光信噪比、色散及色散斜率补偿、数据调制格式、偏振模色散补偿等，探讨了其实用化面临的问题，并展望了其应用前景。

[关键词] 光传输；波分复用；传输容量；光信噪比；偏振模色散

[Abstract] Driven by the development of technology and market, the 40 Gbit/s wavelength-division multiplexing (WDM) system has drawn researcher;s much attention. In the paper, its present status and key technologies, including high-speed electronic technology, OSNR, dispersion and dispersion slop-compensation, data modulation format, and polarization mode dispersion, are presented and analyzed. Problems concerning the commercialization of the system are discussed and its future applications are prospected.

[Keywords] Optical transmission; WDM; Transmission capacity; Optical signal-to-noise ratio; Polarization mode dispersion