T比特频分复用相干光传输技术

基金项目：国家自然科学基金(61077053、60932004、60877045)

    光纤通信网络是国家重要的基础设施，支撑整个信息社会。超高速率和超大容量一直是光纤传输系统的目标。当今社会，网络信息成几何级数增长，移动办公、三维视频、云计算、远程医疗等多种新型业务所需带宽灵活多样，迫切需要增强光网络动态带宽管理功能。因此未来光纤传送网必须满足下面两个基本要求：超高速率和超大容量的信息传输、适应用户不同需求的动态带宽资源分配。

    考虑到电器件带宽与处理能力的限制，单个光载波可以承载的波特率最高在几十吉波特每秒量级。结合偏振复用并采用多电平的光调制格式，单个光载波可以传输的最高速率在百吉比特每秒量级。多个密集的正交光子载波可以集合到一起形成一个超级信道。这个超级信道作为一个整体被传输和交换、控制光子载波的数量和单个光子载波承载的速率，可以实现太比特每秒的超高速传输。

    和传统波分复用系统相同的是：这种超级信道的思想本质上来自于频分复用的技术。不同之处在于，光子载波更加密集，其频率间距满足正交频分复用(OFDM)技术对正交性的要求。采用奈奎斯特滤波控制光子载波在频域的交叠，可以实现具有高频谱效率光子载波带传输的目的。除了满足超高速大容量的需求，通过控制光子载波的数量、颗粒度、调制格式，超级信道还可以实现可变速率和带宽的光传输与交换。

1 正交频分复用技术
    正交频分复用的基本原理是把高速数据流进行串并变换，形成传输速率相对较低的若干个并行数据流，分别在不同的子信道中传输。由于子信道速率降低，符号周期会相应增加，这样就可以减少由于多径时延而造成的符号间干扰(ISI)。在OFDM系统中，每个子信道的频谱是重叠的，这样就提高了频谱利用率。OFDM系统的容量与子信道数目密切相关。通过调整子信道的数目，可以获得所需传输速率。

    在OFDM发射机中，输入的串行数据首先变换成许多并行子数据流，分别调制到相应的子载波上。经逆快速傅里叶变换(IFFT)后变成了数字时域信号，然后再加进循环前缀(CP)，经并串变换(P/S)和数模转换器(DAC)变成实时波形，形成OFDM码元。组帧时通常还要加入同步序列和信道估计序列(前导信号)，以便于接收机进行突发检测、同步和信道估计。由此产生的基带信号，可以用同相/正交(IQ)调制器转换到一个光载波上。OFDM基带信号的产生过程如图1所示。

    利用循环前缀，任何由线性色散信道引起的畸变都可以很简单地用“单抽头”均衡器纠正，避免符号间干扰(ISI)和载波间干扰(ICI)。利用偏振复用和多入多出技术可以提高频谱效率，并克服偏振串扰和偏振模色散的影响。

    OFDM信号频域特性和时域波形如图2所示。在图2中，Ts为OFDM符号周期，OFDM子载波频率的间距Rs=1/Ts。

    T比特超级信道光发射接收机首先需要产生具有固定频率间隔的正交光子载波组成的光频率梳。每个光子载波可承载不同速率和调制格式的信号，用户所需带宽由多个光子载波组成的波带保证。

    利用射频信号驱动光调制器是一种常用的产生光频率梳的方法，如图3所示。不同频率的射频信号去调制级联的马赫曾德尔(MZM)强度调制器，或者不同频率的射频信号合波后去驱动光调制器。当射频信号的频率和幅度以及光调制器的偏置点选取合适时，可以得到所需要间隔和数目的光载波频率梳。

    文献[1]实现了一个1.2 Tbit/s的CO-OFDM系统实验，就是利用多个光源加上光调制器的方式来产生多子载波。在此实验中，用了10个间隔34 GHz的光源，每个利用一个强度调制来产生间隔6.8 GHz的5个光载波，一共可以产生50个光子载波；然后将这50个光子载波进行奇偶分路并且分别进行OFDM信号的调制；最后耦合起来再进行偏振复用处理，最终可以得到速率为1.2 Tbit/s的信号。信号在标准单模光纤上传输了400 km。
文献[2]所采用的是另一种产生光频率梳超级通道的方法。其本质为利用一个光IQ调制器来产生一个抑制载波的单边带调制，借此来实现一个频谱上的搬移。然后经过环路与原信号进行耦合后反复进行搬移来获取多个光子载波。光子载波的数目由环路中的带通滤波器的宽度来决定。

    在此实验中，在循环移频之前先进行OFDM信号的调制，然后再完成波带的搬移，最后实现了1 Tb/s的光OFDM信号，并且信号在标准单模光纤上传输了600 km。

2 OFDM信号的变种——SCFDM信号
    OFDM系统也有许多缺点。主要包括峰均比问题，对频偏、相噪及IQ不平衡的敏感问题。在无线OFDM系统，峰均比过高会导致信号在电放大时出现非线性；在长距离光纤传输中，OFDM峰均比过高会在光纤中引起克尔非线性。可以采用OFDM的一种变形结构单载波频分复用(SCFDM)，有时又称为DFT-spread OFDM来降低峰均比。SCFDM原是移动通信LTE中的上行传输标准，因为属于单载波调制，峰均比较低。图4所示为SCFDM基带信号产生流程图。北京大学光通信实验室实现了1.08 Tb/s超级通道信号在单模光纤上传输1 585 km。

    图5给出了系统实验框图。我们利用光调制器产生了间隔9.375 GHz的40个光子载波，经过317 km环路传输5圈后，所有光子载波信号最差误码率优于3.8×10-3。图6所示为40个光子载波组成一个超级信道。

3 奈奎斯特波分复用技术
    奈奎斯特波分复用技术(Nyquist-WDM)是另一种用于产生超级信道的技术。相对于OFDM信号的多载波调制来说，通常的单载波调制信号想要实现密集频谱的超级信道，需要在每个光子载波产生后，利用一个奈奎斯特滤波器来对频谱进行整形。整形后的子波带频谱接近一个矩形，能够极大地减小带外的能量泄露从而减小子波带之间的串扰，其频谱带宽等于光子载波信号传输波特率。采用了奈奎斯特波分复用技术的信号光谱与时域波形如图7所示。

    Nyquist-WDM技术适用于时域信号，与均衡技术无关。因此在接收端可以采用传统的时域均衡方法，也可以采用频域均衡的方法来实现超级通道传输。

    有文献对于传统的OFDM超级通道和基于Nyquist-WDM技术单载波超级通道的传输性能进行了仿真比较[3]。仿真结果表明，OFDM信号需要更宽的接收机带宽，也就是说意味着需要更快的模数(A/D)转换。而且Nyquist-WDM信号在超长距离非线性损伤明显的传输情况下，性能要优于OFDM。由于光的奈奎斯特滤波器较难于实现，因此用传统的阵列波导光栅(AWG)或交织滤波器(Interleaver)也可以实现近似的功能。

    文献[4]实现的仿真结果表明在应用1.1倍波特率带宽的2阶超高斯滤波器的情况下，实现通道传输的代价十分小。

    文献[5]利用Nyquist-WDM技术实现了太比特PM-QPSK传输实验。在产生25 GBaud/s调制信号之后，用一个Waveshaper来对信号的频谱进行整形，借此实现了1 Tbit/s的超级通道。在1.1倍波特率的滤波情况下，信号在标准单模光纤上成功传输了2 200 km。

4 带宽可变的光传输与光交换
    图8表示了多种速率的信号混合传输的频谱分配。正如前文所提到的，未来的光网络要具备适应不同需求的动态带宽分配能力，也就是说在网络中存在不同速率的信号进行混合传输。这就要打破以往WDM栅格的概念，根据实际需求来进行动态调整。每种速率的信号本身就可能是一个由许多的子波带合成的超级通道，而每个超级通道的子波带带宽也可能各不相同。在网络中进行传输交换的时候是按照一个超级通道作为一个整体来进行处理的，只需各个超级通道之间保留一定的保护间隔即可。

5 结束语
    T比特频分复用相干光传输技术主要分为OFDM/SCFDM技术以及Nyquist-WDM技术两类。不论哪种技术，都突破了传统的WDM栅格的限制，因此可以支持带宽灵活可变的光传输和交换。

    多种速率混合传输的光网路是未来发展的趋势，此方面的研究逐渐成为光通信的热点之一。子波长颗粒度与频率间距；调制格式与复用方式；单载波与多载波；保护带宽选择等涉及到下一代光通信体制标准的问题需要进一步研究。

6 参考文献
[1] DISCHLER R, BUCHALI F. Transmission of 1.2 Tb/s continuous waveband PDM-OFDM-FDM signal with spectral efficiency of 3.3 bit/s/Hz over 400 km of SSMF [C]//Proceedings of the Optical Fiber Communication Conference (OFC’09), Mar 22-26, 2009, San Diego, CA,USA. 2009:PDPC2.
[2] MA Y, YANG Q, TANG Y, et al. 1-Tb/s per channel coherent optical OFDM transmission with subwavelength bandwidth access [C]//Proceedings of the Optical Fiber Communication Conference (OFC’09), Mar 22-26, 2009,San Diego, CA,USA. 2009:PDPC1.
[3] BOSCO G, CARENA A, CURRI V, et al. Performance limits of Nyquist-WDM and CO-OFDM in high-speed PM-QPSK systems [J]. IEEE Photonics Technology Letters, 2010,22 (15):1129-1131.
[4] BOSCO G, CARENA A, CURRI V, et al. Investigation on the robustness of a Nyquist-WDM terabit superchannel to transmitter and receiver on-idealities [C]//Proceedings of the 36th European Conference on Optical Communication (ECOC’10), Sep 19-23,2010, Turin, Italy. Piscataway, NJ,USA:IEEE, 2010: Tu.3.A.4.
[5] GAVIOLI G, TORRENGO E, BOSCO G, et al. Investigation of the impact of ultra-narrow carrier spacing on the transmission of a 10-carrier 1Tb/s superchannel [C]//Proceedings of the Optical Fiber Communication/National Fiber Optic Engineers Conference (OFC/NFOEC’10), Mar 21-25, 2010,San Diego, CA, USA. Piscataway, NJ,USA: IEEE,2010: OThD3.

收稿日期：2011-10-08

[摘要] 高清电视、视频点播、云计算等新业务的发展要求光纤传送网带宽大并能灵活调度。文章讨论了几种实现传输速率为T比特每秒的超级信道产生方法。受电子“瓶颈”限制，T比特级速率的传输必须由多个密集的正交光子载波组成的超级信道承载。在每个光子载波上，可以采用基于正交频分复用的多载波技术，也可以采用单载波时域或频域均衡技术。通过调整光子载波的数目与颗粒度，或每个光子载波上承载的调制格式，可以实现可变速率的光传输与光交换。

[关键词] 高速光纤传输；正交频分复用；相干光通信

[Abstract] New services such as high definition (HD) TV, video-on-demand (VOD), and cloud computing require a large and flexible optical fiber transmission network. This paper highlights several ways of creating super channels that are capable of T bit/s transmission. Limited by electronic bottleneck, T bit/s transmission requires a super-channel with many intensive optical orthogonal subcarriers. Orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) multicarrier technology and single-carrier technology with time or frequency domain equalization can be used on each optical subcarrier. Bandwidth-variable optical transmission and switching can be achieved by adjusting the optical subcarrier quantity, granularity, or applied modulation formats.

[Keywords] high-speed optical fiber transmission; OFDM; coherent optical communication