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摘要：随着40 Gb/s端口路由器的出现，未来几年内40 Gb/s波分系统设备将取代现有的10 Gb/s波分系统设备，就像前几年10 Gb/s波分系统设备取代2.5 Gb/s波分系统设备一样。然而，40 Gb/s波分系统有很多传输限制因素，包括光放大器自发辐射噪声、光纤非线性效应、色散、偏振模色散等等。为实现40 Gb/s的波分传输，采取新型调制码型、可调色散补偿、偏振模色散补偿等措施至关重要。
关键词：波分复用；调制码型；光信噪比；光纤非线性
随着IP业务的爆炸式增长，对传输速率和传输容量需求的不断增加，40 Gb/s端口路由器的出现直接刺激了40 Gb/s波分系统的发展。人们已从早几年的“该不该发展40 Gb/s 波分技术”的犹豫中走出来，越来越多的光通信器件和系统设备供应商以及网络运营商参与到40 Gb/s波分系统的研究和建设中来。目前40 Gb/s波分设备技术基本成熟，但价格仍居高不下。本文综合分析了40 Gb/s波分系统的传输限制因素以及采取的技术解决方案。
1 波分系统配置
波分系统的基本配置见图1，包括光终端(OTM)、光线路放大器(OLA)站点[1-2]。图1中未画出色散补偿模块(DCM)。
40 Gb/s波分系统接收端光波长转换器(OTU)的配置较复杂，见图2。由于复用段的DCM不能完成色散精细补偿，40 Gb/s的系统色散容限小，需配置可调色散补偿器(TDC)。由于接收机输入光功率的动态范围有限，为了使接收机在较高输入光功率下获得较大的光信噪比(OSNR)容限，需配置光放大器(OA)锁定输出光功率。OA和TDC集成在OTU单板内，根据系统偏振模色散的大小，还需选配偏振模色散补偿器(PMDC)。此外，40 Gb/s波分系统中其他光器件比10 Gb/s波分系统的参数规范更严格。
2 40 Gb/s系统设备的调制码型
表1给出了目前40 Gb/s系统设备常见的调制码型的性能参数[3]。非归零码(NRZ)实现简单，适用于短距离的客户侧光互联；光双二进制码(ODB)信号谱宽小、实现简单、OSNR容限较差，适合城域网或8×22 dB以内的长途传输；非归零差分相移键控码(NRZ-DPSK)的非线性性能好、OSNR容限好、实现较复杂，适合12×22 dB以内的长途传输；归零交替传号反转码(RZ-AMI)性能介于ODB和NRZ-DPSK之间；偏振复用正交相移键控码(DP-QPSK)的相干检测系统值得关注。
早期的相干检测技术被认为是提高接收机灵敏度的有效手段，在光放大器出现之后，相干检测技术研究陷入低潮，最近几年相干检测又成为40 Gb/s和100 Gb/s传输的研究热点。DP-QPSK通过偏振复用和四相位调制将40 Gb/s信号速率降为10 Gb/s，从而适合数字信号处理，可在电域实现色散补偿、偏振模色散补偿，如果模拟数字转换和数字信号处理芯片的处理速率进一步提高，设备体积和功耗大幅度降低，未来几年内DP-QPSK可能达到工程实用化的水平。
3 传输限制因素及技术解决方案
3.1 系统噪声
系统中光放大器产生的放大自发辐射(ASE)噪声是限制传输性能的主要因素。系统中ASE用OSNR来衡量，即通道内的信号功率与0.1 nm内的噪声功率的比值。40 Gb/s的波分系统传输性能的评估优先考虑OSNR代价，而不是以往的通道功率代价。系统的OSNR设计从两方面进行考虑：提高系统接收端的OSNR和提高系统的OSNR容限。系统接收端的OSNR与系统的OSNR容限之差就是系统的OSNR裕量。
波分系统的接收端的OSNR与传输距离、每跨段距离、单波入纤光功率、光放大器个数密切相关。提高单波入纤光功率可有效提高系统接收端的OSNR，但必须权衡考虑非线性效应引起的OSNR代价。传输距离越长，系统的OSNR代价越大。
40 Gb/s系统的OSNR容限比10 Gb/s系统差6 dB，OSNR容限成为40 Gb/s系统工程实用化首当其冲的技术难题。提高系统OSNR容限的途径包括多种：采用更高OSNR容限的调制码型、提高消光比、优化接收机、采用前向误码纠错(FEC)技术。FEC是提高系统OSNR容限的最有效的手段，目前40 Gb/s FEC芯片已成熟商用。FEC提高系统OSNR容限的能力用编码增益来衡量。ITU-T G.709[4]中提供的标准FEC的编码增益大约5.8 dB，ITU-T G.975.1[5]列出了多种增强型FEC，编码增益为8.5 dB左右，不同FEC之间不能互联互通。
3.2 非线性效应
波分系统中常见的非线性效应包括自相位调制(SPM)、交叉相位调制(XPM)、四波混频(FWM)、受激喇曼散射(SRS)、受激布里渊散射(SBS)。对40 Gb/s系统传输而言，影响最严重的是通道内四波混频(IFWM)和通道内交叉相位调制(IXPM)[6-7]。
在10 Gb/s系统长途传输中，SPM效应一定程度上相当于色散补偿，推荐色散欠补偿20 km左右；但40 Gb/s系统的SPM效应并不明显，推荐完全补偿。40 Gb/s波分系统属于伪线性系统，光纤色散导致信号脉冲迅速相互交叠。G.652光纤40 Gb/s波分系统，IFWM起主导作用；G.655光纤40 Gb/s波分系统，IXPM起主导作用。40 Gb/s的线路侧调制码型均有载波抑制，例如ODB、NRZ-DPSK、RZ-AMI，这样在40 Gb/s单跳超长系统中，SBS不再是最大入纤光功率的限制因素。FWM限制了G.653光纤的波分复用，可以优化波长配置方案、采用RZ-AMI码传输来降低FWM的影响、采用光纤色散系数较大的L波段进行波分传输[8]。
3.3 色散补偿
色散补偿分光域色散补偿和电域色散补偿。40 Gb/s系统的色散容限小，NRZ 40G色散容限只有NRZ10G的1/16。40 Gb/s的电域色散补偿由于受芯片处理速率限制，暂时还不成熟。40 Gb/s波分系统的光域色散补偿分固定色散补偿和可调色散补偿，即：复用段配置固定色散补偿，通道层的接收机之前配置TDC。DCM完成复用段色散粗略补偿，TDC大多采用技术相对较成熟的光纤光栅，完成通道层色散精细补偿。
TDC的色散并不是宽带分布，色散带宽与色散调整量存在相互制约的关系，系统设计需考虑色散带宽满足调制码型的带宽需求。TDC采取自适应色散补偿策略，反馈信号为FEC芯片提供的纠错信息，根据纠错前误码率的变化规律指导色散调整。目前TDC只能调整总色散，不能调整通道色散。未来有可能出现通道级TDC，从而可以在复用段完成可调色散补偿，大幅度降低通道层接收端的配置复杂性。
3.4 偏振模色散
偏振模色散(PMD)源于光纤的双折射，使得信号的不同偏振态分量产生了离散效应。PMD效应用差分群时延(DGD)来衡量。DGD容限与信号传输速率相关，40 Gb/s的DGD容限很小，例如40 Gb/s的NRZ-DPSK只有8 ps，从而不得不考虑PMD设计。
系统的PMD设计可从两方面着手，降低系统PMD和提高系统DGD容限。降低系统的PMD可通过采用PMD较低的光纤及器件，也可以通过PMDC实现。目前已铺设的光纤的PMD系数很小，大部分都是小于
0.05 ps/km1/2。PMDC分光域补偿和电域补偿，电域补偿受限于芯片处理速率，光域补偿也尚未达到工程实用化的水平。分布式快速扰偏结合FEC技术最有可能成为PMDC的实用方案，通过快速扰偏降低突发误码，平均化后的突发误码利用FEC机制完成纠错。系统的DGD容限主要与调制码型以及信号速率有关，超长距离传输时可以采用DGD容限较高的调制码型。
3.5 频谱效率
频谱效率定义为信号速率除以信号所占的带宽，以C波段80/96×40G波分系统为例，频谱效率为每赫兹0.8 b/s。目前广泛应用的50 GHz间隔传输的10 Gb/s波分系统设备的频谱效率为每赫兹0.2 b/s，25 GHz间隔的10 Gb/s系统的工程应用相对较少。40 Gb/s波分系统将以50 GHz间隔波分复用为主，少数超长距离系统为100 GHz间隔波分复用。40 Gb/s波分系统应用于50 GHz间隔波分复用时，尤其在可重构的光分插复用器(ROADM)系统中，需考虑多个滤波器级联的OSNR代价。
40 Gb/s系统通过减小信号谱宽来实现更密集的波分复用。例如ODB码，由于压缩了谱宽，从而可以适用于50 GHz间隔波分系统；传统的NRZ-DPSK适用于100 GHz间隔波分复用，如果减小解调器的延时，在略微牺牲OSNR容限、非线性性能、DGD容限的前提下，也可以应用于50 GHz间隔波分复用；多电平调制和偏振复用降低信号码速率可获得窄信号谱宽；残留边带调制(VSB)技术也可以减少信号谱宽，实现更密集的波分复用；相干检测也可容忍更密集的波分复用。
3.6 客户侧光模块
与线路侧光模块的应用环境不同，客户侧光模块传输距离短、输入信号中光噪声小、非线性效应较小，优先考虑使用NRZ码。客户侧光模块要求实现简单、成本低、结构紧凑、良好的横向兼容性，应尽量避免配置光放大器和色散补偿。为减小线路色散，可采用1 310 nm传输窗口；为避免光放大器，可提高光接收机的灵敏度以及采用标准FEC技术。下面简述2 km和10 km的客户侧光模块。
ITU-T G.693[9]规范了2 km光模块(VSR2000-3R1和VSR2000-3R2)，分别为1 310 nm和1 550 nm窗口传输，输出光功率为0~+3 dBm，线路损耗最大为4 dB，输入光功率范围为-5~+3 dBm。传输距离2 km不能完全满足实际工程需求，ITU-T G.959.1[10]最近规范了10 km光模块，均为1 310 nm窗口传输，其中规定了输出光功率范围为0~+4 dBm，同时输入光功率范围为-7~+4 dBm，线路最大损耗为6 dB，通过规范发射机波长范围来限制系统的最大色散为±16 ps/nm。
4 结束语
预计在2009年40 Gb/s波分系统将实现小规模的高端应用，未来几年 40 Gb/s波分系统必将逐步替代现有的10 Gb/s波分系统。20世纪90年代早期出现的掺铒光纤放大器奠定了波分系统的发展基础；2000年左右无线通信中的FEC技术开始应用于光通信，使得10 Gb/s系波分统无电中继传输距离突破1 000 km。波分系统的下一个技术热点是什么？是高速数字信号处理技术在40 Gb/s或100 Gb/s系统中的应用吗？40 Gb/s波分系统的产品生命周期又有多长？100 Gb/s波分系统何时进入工程实用阶段？让我们拭目以待。
5 参考文献
[1] 中华人民共和国通信行业标准. N×40Gbps光波分复用（WDM）系统技术要求[S].
[2] 中华人民共和国通信行业标准. N×10G超长距离WDM系统技术要求（送审稿）[S].
[3] ITU T G-series Recommendations – Supplement 39. Optical system design and engineering considerations[S]. 2006.
[4] ITU-T G.709. Interfaces for the Optical Transport Network (OTN) [S]. 2003.
[5] ITU-T G.975.1. Forward error correction for high bit-rate DWDM submarine systems[S].2004.
[6] 顾畹仪.WDM超长距离光传输技术[M]. 北京:北京邮电大学出版社，2006.
[7] Kaminov I p. Optical fiber telecommunication,V-B:Systems and networks[M]., San Diego,CA,USA: Elsevier Inc, 2008.
[8] Agrawal g p. Lighwave technology: Telecommunication systems[M]. New York,NY,USA: John Wiley & Sons, 2005.
[9] ITU-T G.693. Optical interfaces for intra-office systems[S].2006.
[10] ITU-T G.959.1. Optical transport network physical layer interfaces[S].2003.
收稿日期：2008-04-21
作者简介
沈百林，中兴通讯股份有限公司工程师，硕士毕业于华中科技大学。长期从事长途波分系统的开发和相关技术研究。
关键词：波分复用；调制码型；光信噪比；光纤非线性
随着IP业务的爆炸式增长，对传输速率和传输容量需求的不断增加，40 Gb/s端口路由器的出现直接刺激了40 Gb/s波分系统的发展。人们已从早几年的“该不该发展40 Gb/s 波分技术”的犹豫中走出来，越来越多的光通信器件和系统设备供应商以及网络运营商参与到40 Gb/s波分系统的研究和建设中来。目前40 Gb/s波分设备技术基本成熟，但价格仍居高不下。本文综合分析了40 Gb/s波分系统的传输限制因素以及采取的技术解决方案。
1 波分系统配置
波分系统的基本配置见图1，包括光终端(OTM)、光线路放大器(OLA)站点[1-2]。图1中未画出色散补偿模块(DCM)。
40 Gb/s波分系统接收端光波长转换器(OTU)的配置较复杂，见图2。由于复用段的DCM不能完成色散精细补偿，40 Gb/s的系统色散容限小，需配置可调色散补偿器(TDC)。由于接收机输入光功率的动态范围有限，为了使接收机在较高输入光功率下获得较大的光信噪比(OSNR)容限，需配置光放大器(OA)锁定输出光功率。OA和TDC集成在OTU单板内，根据系统偏振模色散的大小，还需选配偏振模色散补偿器(PMDC)。此外，40 Gb/s波分系统中其他光器件比10 Gb/s波分系统的参数规范更严格。
2 40 Gb/s系统设备的调制码型
表1给出了目前40 Gb/s系统设备常见的调制码型的性能参数[3]。非归零码(NRZ)实现简单，适用于短距离的客户侧光互联；光双二进制码(ODB)信号谱宽小、实现简单、OSNR容限较差，适合城域网或8×22 dB以内的长途传输；非归零差分相移键控码(NRZ-DPSK)的非线性性能好、OSNR容限好、实现较复杂，适合12×22 dB以内的长途传输；归零交替传号反转码(RZ-AMI)性能介于ODB和NRZ-DPSK之间；偏振复用正交相移键控码(DP-QPSK)的相干检测系统值得关注。
早期的相干检测技术被认为是提高接收机灵敏度的有效手段，在光放大器出现之后，相干检测技术研究陷入低潮，最近几年相干检测又成为40 Gb/s和100 Gb/s传输的研究热点。DP-QPSK通过偏振复用和四相位调制将40 Gb/s信号速率降为10 Gb/s，从而适合数字信号处理，可在电域实现色散补偿、偏振模色散补偿，如果模拟数字转换和数字信号处理芯片的处理速率进一步提高，设备体积和功耗大幅度降低，未来几年内DP-QPSK可能达到工程实用化的水平。
3 传输限制因素及技术解决方案
3.1 系统噪声
系统中光放大器产生的放大自发辐射(ASE)噪声是限制传输性能的主要因素。系统中ASE用OSNR来衡量，即通道内的信号功率与0.1 nm内的噪声功率的比值。40 Gb/s的波分系统传输性能的评估优先考虑OSNR代价，而不是以往的通道功率代价。系统的OSNR设计从两方面进行考虑：提高系统接收端的OSNR和提高系统的OSNR容限。系统接收端的OSNR与系统的OSNR容限之差就是系统的OSNR裕量。
波分系统的接收端的OSNR与传输距离、每跨段距离、单波入纤光功率、光放大器个数密切相关。提高单波入纤光功率可有效提高系统接收端的OSNR，但必须权衡考虑非线性效应引起的OSNR代价。传输距离越长，系统的OSNR代价越大。
40 Gb/s系统的OSNR容限比10 Gb/s系统差6 dB，OSNR容限成为40 Gb/s系统工程实用化首当其冲的技术难题。提高系统OSNR容限的途径包括多种：采用更高OSNR容限的调制码型、提高消光比、优化接收机、采用前向误码纠错(FEC)技术。FEC是提高系统OSNR容限的最有效的手段，目前40 Gb/s FEC芯片已成熟商用。FEC提高系统OSNR容限的能力用编码增益来衡量。ITU-T G.709[4]中提供的标准FEC的编码增益大约5.8 dB，ITU-T G.975.1[5]列出了多种增强型FEC，编码增益为8.5 dB左右，不同FEC之间不能互联互通。
3.2 非线性效应
波分系统中常见的非线性效应包括自相位调制(SPM)、交叉相位调制(XPM)、四波混频(FWM)、受激喇曼散射(SRS)、受激布里渊散射(SBS)。对40 Gb/s系统传输而言，影响最严重的是通道内四波混频(IFWM)和通道内交叉相位调制(IXPM)[6-7]。
在10 Gb/s系统长途传输中，SPM效应一定程度上相当于色散补偿，推荐色散欠补偿20 km左右；但40 Gb/s系统的SPM效应并不明显，推荐完全补偿。40 Gb/s波分系统属于伪线性系统，光纤色散导致信号脉冲迅速相互交叠。G.652光纤40 Gb/s波分系统，IFWM起主导作用；G.655光纤40 Gb/s波分系统，IXPM起主导作用。40 Gb/s的线路侧调制码型均有载波抑制，例如ODB、NRZ-DPSK、RZ-AMI，这样在40 Gb/s单跳超长系统中，SBS不再是最大入纤光功率的限制因素。FWM限制了G.653光纤的波分复用，可以优化波长配置方案、采用RZ-AMI码传输来降低FWM的影响、采用光纤色散系数较大的L波段进行波分传输[8]。
3.3 色散补偿
色散补偿分光域色散补偿和电域色散补偿。40 Gb/s系统的色散容限小，NRZ 40G色散容限只有NRZ10G的1/16。40 Gb/s的电域色散补偿由于受芯片处理速率限制，暂时还不成熟。40 Gb/s波分系统的光域色散补偿分固定色散补偿和可调色散补偿，即：复用段配置固定色散补偿，通道层的接收机之前配置TDC。DCM完成复用段色散粗略补偿，TDC大多采用技术相对较成熟的光纤光栅，完成通道层色散精细补偿。
TDC的色散并不是宽带分布，色散带宽与色散调整量存在相互制约的关系，系统设计需考虑色散带宽满足调制码型的带宽需求。TDC采取自适应色散补偿策略，反馈信号为FEC芯片提供的纠错信息，根据纠错前误码率的变化规律指导色散调整。目前TDC只能调整总色散，不能调整通道色散。未来有可能出现通道级TDC，从而可以在复用段完成可调色散补偿，大幅度降低通道层接收端的配置复杂性。
3.4 偏振模色散
偏振模色散(PMD)源于光纤的双折射，使得信号的不同偏振态分量产生了离散效应。PMD效应用差分群时延(DGD)来衡量。DGD容限与信号传输速率相关，40 Gb/s的DGD容限很小，例如40 Gb/s的NRZ-DPSK只有8 ps，从而不得不考虑PMD设计。
系统的PMD设计可从两方面着手，降低系统PMD和提高系统DGD容限。降低系统的PMD可通过采用PMD较低的光纤及器件，也可以通过PMDC实现。目前已铺设的光纤的PMD系数很小，大部分都是小于
0.05 ps/km1/2。PMDC分光域补偿和电域补偿，电域补偿受限于芯片处理速率，光域补偿也尚未达到工程实用化的水平。分布式快速扰偏结合FEC技术最有可能成为PMDC的实用方案，通过快速扰偏降低突发误码，平均化后的突发误码利用FEC机制完成纠错。系统的DGD容限主要与调制码型以及信号速率有关，超长距离传输时可以采用DGD容限较高的调制码型。
3.5 频谱效率
频谱效率定义为信号速率除以信号所占的带宽，以C波段80/96×40G波分系统为例，频谱效率为每赫兹0.8 b/s。目前广泛应用的50 GHz间隔传输的10 Gb/s波分系统设备的频谱效率为每赫兹0.2 b/s，25 GHz间隔的10 Gb/s系统的工程应用相对较少。40 Gb/s波分系统将以50 GHz间隔波分复用为主，少数超长距离系统为100 GHz间隔波分复用。40 Gb/s波分系统应用于50 GHz间隔波分复用时，尤其在可重构的光分插复用器(ROADM)系统中，需考虑多个滤波器级联的OSNR代价。
40 Gb/s系统通过减小信号谱宽来实现更密集的波分复用。例如ODB码，由于压缩了谱宽，从而可以适用于50 GHz间隔波分系统；传统的NRZ-DPSK适用于100 GHz间隔波分复用，如果减小解调器的延时，在略微牺牲OSNR容限、非线性性能、DGD容限的前提下，也可以应用于50 GHz间隔波分复用；多电平调制和偏振复用降低信号码速率可获得窄信号谱宽；残留边带调制(VSB)技术也可以减少信号谱宽，实现更密集的波分复用；相干检测也可容忍更密集的波分复用。
3.6 客户侧光模块
与线路侧光模块的应用环境不同，客户侧光模块传输距离短、输入信号中光噪声小、非线性效应较小，优先考虑使用NRZ码。客户侧光模块要求实现简单、成本低、结构紧凑、良好的横向兼容性，应尽量避免配置光放大器和色散补偿。为减小线路色散，可采用1 310 nm传输窗口；为避免光放大器，可提高光接收机的灵敏度以及采用标准FEC技术。下面简述2 km和10 km的客户侧光模块。
ITU-T G.693[9]规范了2 km光模块(VSR2000-3R1和VSR2000-3R2)，分别为1 310 nm和1 550 nm窗口传输，输出光功率为0~+3 dBm，线路损耗最大为4 dB，输入光功率范围为-5~+3 dBm。传输距离2 km不能完全满足实际工程需求，ITU-T G.959.1[10]最近规范了10 km光模块，均为1 310 nm窗口传输，其中规定了输出光功率范围为0~+4 dBm，同时输入光功率范围为-7~+4 dBm，线路最大损耗为6 dB，通过规范发射机波长范围来限制系统的最大色散为±16 ps/nm。
4 结束语
预计在2009年40 Gb/s波分系统将实现小规模的高端应用，未来几年 40 Gb/s波分系统必将逐步替代现有的10 Gb/s波分系统。20世纪90年代早期出现的掺铒光纤放大器奠定了波分系统的发展基础；2000年左右无线通信中的FEC技术开始应用于光通信，使得10 Gb/s系波分统无电中继传输距离突破1 000 km。波分系统的下一个技术热点是什么？是高速数字信号处理技术在40 Gb/s或100 Gb/s系统中的应用吗？40 Gb/s波分系统的产品生命周期又有多长？100 Gb/s波分系统何时进入工程实用阶段？让我们拭目以待。
5 参考文献
[1] 中华人民共和国通信行业标准. N×40Gbps光波分复用（WDM）系统技术要求[S].
[2] 中华人民共和国通信行业标准. N×10G超长距离WDM系统技术要求（送审稿）[S].
[3] ITU T G-series Recommendations – Supplement 39. Optical system design and engineering considerations[S]. 2006.
[4] ITU-T G.709. Interfaces for the Optical Transport Network (OTN) [S]. 2003.
[5] ITU-T G.975.1. Forward error correction for high bit-rate DWDM submarine systems[S].2004.
[6] 顾畹仪.WDM超长距离光传输技术[M]. 北京:北京邮电大学出版社，2006.
[7] Kaminov I p. Optical fiber telecommunication,V-B:Systems and networks[M]., San Diego,CA,USA: Elsevier Inc, 2008.
[8] Agrawal g p. Lighwave technology: Telecommunication systems[M]. New York,NY,USA: John Wiley & Sons, 2005.
[9] ITU-T G.693. Optical interfaces for intra-office systems[S].2006.
[10] ITU-T G.959.1. Optical transport network physical layer interfaces[S].2003.
收稿日期：2008-04-21
作者简介
沈百林，中兴通讯股份有限公司工程师，硕士毕业于华中科技大学。长期从事长途波分系统的开发和相关技术研究。