40Gbit/s光传输技术及应用前景

shujuren

一、为什么要研究40Gbit/s光传输
随着信息社会对信息需求的飞速增长，信息传送量与日俱增。必须不断提高光纤通信系统的传输容量才能满足信息传送量增长的需要。提高单根光纤所能传送的信息容量的方法概括起来主要有两个方面：一是从光域上进行复用，在一对光纤上传送多个光信道，如采用DWDM、OTDM等光复用方式；二是从时域上提高单个光信道的传输速率。10Gbit/s是目前已经商用的最高单通道速率，下一步将升级到40Gbit/s。如果实现了单信道40Gbit/s的传输，再结合DWDM技术，可以提高使每对光纤的传输容量，满足未来至少5~10年信息传送的需求。
从光纤通信的发展经历来看，每当单信道传输速率提高4倍，每比特的传输成本大约下降30％～40％。其主要原因是：提高单信道的速率，能够有效地利用频带，频谱效率高；同时也带来了设备成本的降低。一旦40Gbit/s技术成熟，　40Gbit/s产品可以以2.5倍于10Gbit/s的价格提供4倍于10Gbit/s的容量,并降低设备的复杂性和数量,节省机房空间，便于运行维护。
同时，高速系统的出现不仅增加了业务传输容量，而且也为各种各样的新业务，特别是宽带业务和多媒体通信提供了实现的可能。更大的带宽可以让运营商更加灵活有效地提供服务。
从网络应用来看，为了提高核心网的效率和功能，希翼单波长内能处理多个数字连接，核心光网络的带宽必须大于任何单一的接入信号的带宽，所以核心网的单波长速率向40Gbit/s乃至更高速率的方向演进是必要的。随着以太网技术由千兆比（Gbit/s）以太网向万兆比（10Gbit/s）以太网技术的发展，数据网络设备开始采用10Gbit/s接口，10Gbit/s以太网在STM-64中直接传送还有困难，因为10Gbit/s以太网的速率是10.31Gbit/s，而STM-64的速率仅9.95Gbit/s，所以核心网向40Gbit/s转移则变得非常重要，是再一次扩展核心网络的时候了，因此，运营商需要40Gbit/s。在以IP技术为主导的新一代通信网中，40Gbit/s系统将大有用武之地。40Gbit/s以太网已经出现，40Gbit/s以太网只能通过光传输来实现。

二、40Gbit/s系统的难题和关键技术
迄今为止，国际上的高速率光传输试验一直在继续，不断刷新单根光纤传输容量和传输距离的记录，多数实验系统选择了40Gbit/s作为单信道速率，但真正投入商用的40Gbit/s系统目前没有见到正式报导。那么，　40Gbit/s光传输系统的应用还存在那些技术上的难题呢？
40Gbit/s系统的难题主要来自于传输中所遇到的光学特性和以及系统设备中所遇到的电子特性两方面的限制。本文就这两个方面的内容分别说明，并谈谈所用到的关键技术和克服方法。
1。40Gbit/s光信号传输遇到的光学特性限制
在40Gbit/s系统中，要解决的最根本问题是如何实现低成本、大容量、远距离的光传输。当信号速率达到40Gbit/s时，光信号受到色度色散（CD）、偏振模色散（PMD）、非线性效应、光信噪比（OSNR）等光学特性方面的限制，远距离传输40Gbit/s信号所遇到的困难将是传输10Gbit/s信号的数倍。
（1）　色度色散的影响
色度是由于不同波长的光在光纤中传播速度不同，而引起的脉冲波形的展宽。当脉冲展宽到一定程度时，将产生严重的码间干扰，这就是波长色散（即色度色散）的影响。光网络的色散容限与传输的比特率平方成反比。当数据速率增加时，色散容限会降低。色度色散是限制光纤通信系统向高速率和长距离发展的主要因素之一，特别是对于大量铺设的标准单模光纤（G.652），若工作波长窗口在1550nm，　则色度色散问题尤为严重。
据理论推算，在一个40Gbit/s速率的系统中，如果使用常规单模光纤作为传输媒体，系统工作波长在1550nm，光纤色散系数为18ps/nm.km的情况下，受色散限制的传输距离只有大约3km。所以40Gbit/s系统对色散补偿有着更高的要求。
（２）偏振模色散（PMD）的影响
光信号在传输时以两种偏振态存在，且互为正交。这两种模式在传播时由于速度不同而引起信号的离散，使得在接收端很难解析光信号。这种现象称为偏振模色散（PMD）。偏振模色散对10Gbit/s以下速率的影响很小，基本上可以不用考虑，对于10Gbit/s及其以上速率，以前不太突出的偏振模色散成为限制系统升级的又一关键因素。
相关研究表明，当单信道达到40Gbit/s时，偏振模色散将出现明显的高阶效应，其严重影响系统的传输性能。当光纤的PMD系数为　，并仅以一阶PMD的功率代价为1dB计算，10Gbit/s无电中继系统的最大传输距离为400km，而相应40Gbit/s系统仅为25km。所以，如何宽带补偿动态随机变化的偏振模色散是系统升级到40Gbit/s和长距离传输中必须解决的问题之一。
（3）非线性效应的影响
为了提高光信号的传输距离，应用光放大器提高光信号的入纤功率，当入纤功率达到一定值之后，光纤开始出现非线性效应，使接收机无法解读信号。光纤的非线性效应一般分为两类，一类与折射率相关（Kerr效应），通常指自相位调制、交叉相位调制、四波混频等，这几种非线性效应与光纤色散密切相关。另一类为受激散射，如受激布里渊散射和受激喇曼散射，受激散射与光纤中的光功率密度相关。
解决光纤非线性影响的根本性措施是降低光纤纤芯中的光功率密度。在40Gbit/s系统中，克服非线性效应的影响，有两种常见的方法：一是选用新的大有效面积光纤作为传输线，可降低非线性发生机率或影响程度，是解决非线性效应　影响最有效的措施。二是光信号采用新的调制码型，如RZ码等。
（４）光信噪比（OSNR）
光信噪比（OSNR）是指传输的有用光信号与泄漏到系统其它噪声信号的比值。在光纤中传输的光信号强度随传输距离的延长而减弱，通常需要用光放大器来补偿光纤中的光信号减弱。在放大有用的光信号的同时，也放大了无用的噪声信号，同时放大器也会带来自身的噪声。相对10Gbit/s系统而言，40Gbit/s系统对光信噪比的要求更高。
在40Gbit/s系统中，实现低噪声放大是非常关键的。在给定光纤跨度后，可以合理利用OSNR值来决定发射机的发射功率。提高光信噪比的一个重要方法是在光路中进行低噪声的光放大并辅以严格的光增益均衡，如采用分布式喇曼放大结合掺铒光纤放大器方法等。
2。克服光学特性限制的关键技术
（1）色散补偿技术
40Gbit/s系统的色度色散补偿可采用色散补偿模块（DCM）以及光纤光栅技术等。自动色散补偿是有效而重要的色散补偿方案。40Gbit/s等超高速传输系统的色散容限很小，而且光纤总色散还要随温度等环境条件变化，必须按照系统实际需要量进行精确色散补偿，那些补偿量固定不变的色散补偿技术难以达到补偿要求，必须实时监测光路色散值的变化，自动按需补偿。
（2）PMD补偿技术
如何克服偏振模色散（PMD）的影响,目前有两种方案，一是在终端上解决PMD问题。采用新的性能好的、低PMD系数的光纤，以及光信号采用新的调制格式，使光信号不易受PMD的影响。这种方法成本较低，只能用于新的光纤。第二种方法是采用PMD补偿技术，对PMD动态地进行调节和管理。这种方法价格昂贵。但是，可以允许网络运营商继续使用原有的旧光纤。
（3）光放大技术
实现40Gbit/s信号的远距离传输是一个重要的问题。如果没有可与10Gbit/s系统相当的传输距离，40Gbit/s市场将受到限制。超高速系统的光放大技术将改善40Gbit/s系统的形势。
（4）光信号的调制解调技术
在40Gbit/s系统中，究竟采用什么码型，目前还在探索过程之中。一般说来，要根据实际的应用情况和传输距离，选择采用的调制码型。在短距离传输可以采用传统的NRZ码，在长距离传输中，采用RZ码或ＣＳ－ＲＺ码。
40Gbit/s速率系统对调制器的要求更高，要求这些调制器具有高调制带宽、高消光比、低回损、高饱和功率和低驱动电压。对于40Ｇbit/s传输系统，尚无直接调制的光源可用，必须采用外调制器。可能选用的光调制器主要有LiNbO3　Mach-Zehnder光调制器和电吸取半导体光调制器。　
（5）FEC（前向纠错）技术
FEC技术是通过在光信号外增加额外的编码信号，用来探测、隔离和纠正传输过程中产生的任何错误信息。采用FEC技术，可以改善系统传输误码率，补偿链路的性能下降，延长了光链路的传输距离。另一方面，可缓解对光器件技术指标的严格要求和放松光器件的制造条件，从而可提高产量和降低生产成本。
在40Gbit/s光传输中，提高光信噪比的难度越来越大，成本和代价也越来越高，FEC是一个关键的实用技术。它不仅可以使传输距离达到实用化要求，而且也可以避免或减少采用昂贵复杂的放大和补偿措施，降低系统的传输成本。当然，在40Gbit/s系统中采用FEC技术，FEC　编码对ASIC　设计要求更高，实施起来更复杂，这种采用电子电路的复杂性来换取光功率预算的增加，是延长光电再生距离一个有效手段。
（6）光孤子技术
光孤子技术是利用光纤的色散和非线性，使由于光纤色散导致的光信号的脉冲展宽，和光纤的非线性效应而使光信号的脉冲产生压缩效应互相抵消，这样光脉冲就会像一个个孤立的粒子那样形成光孤子。光孤子能在光纤传输中保持不变，完全摆脱了光纤色散对传输速率和通信容量的限制，其传输容量比当今最好的通信系统高出1~2个数量级，中继距离可达几百公里。它被认为是下一代最有发展前途的传输方式之一。
现在的光孤子使用的是归零码调制技术，通过对光脉冲的精心设计并利用光纤色散的累积效应来补偿非线性失真的影响，所以又称　“色散可控光孤子”。　利用光孤子通信，可以延长信号再生距离，大幅度降低传输成本。当单信道码速率超过40Gbit/s时，光孤子通信具有很多优势和竞争力。目前很多国家都在加紧进行光孤子通信实用化的研究工作。力争早日在单信道40Gbit/s以上的系统中应用光孤子通信。
3。40Gbit/s系统设备上的难题及解决方法
在40Gbit/s系统设备上，首先需要将低速颗粒的网络业务复用为40Gbit/s信号并成帧，然后选择适合传输的格式进行码型变换，并进行驱动和调制。最后，将其发送到光纤上传输。这其中涉及到电子和光电子方面的技术，同样也面临着很多技术上的难题和挑战。
（1）电子特性限制及其克服
从现阶段电路技术来说，40Gbit/s已接近"电子瓶颈"的极限。在40Gbit/s系统中，要求更高速度和更大规模的成帧器、映射器、开销处理器、接收机、发射机及复用器等芯片，这些芯片在10Gbit/s系统中，实现已经相当的困难。40Gbit/s器件在电路方面的复杂程度、信号处理速度以及材料的物理特性上的要求比10Gbit/s更高，　40Gbit/s系统集成电路的设计面临着很大的挑战。
采用新的材料来设计和制造40Gbit/s系统的芯片，是克服电子特性限制的一个重要手段。正在积极研究的电子材料有SiGe，GaAs，InP等，由于InP材料具有电子漂移速度快、负阻效应显著等特点，目前利用InP材料已制作出40Gbit/s甚至更高速率系统使用的电子器件。InP和SiGe可用来制造集成的芯片，它能将电和光功能集成在一个芯片上，支撑40Gbit/s的速率运行，这样做的主要优点是性能好、尺寸小、功耗低。
采用新的制造工艺也是推动40Gbit/s系统器件发展的一个重要方面。当前采用0.18微米集成电路制造工艺可以达到的最高工作频率为2.5GHz,　0.13微米工艺则可达到5GHz。同时芯片的封装技术也非常重要。
（2）光器件封装技术限制及其克服
光器件的封装一直是系统发展的限制因素之一，对于40Gbit/s系统而言尤为明显。因为40Gbit/s的接收机和发射机必须在较宽的温度范围长期稳定工作。此外，由于40Gbit/s有较高的功率和对于各种损伤较低的容忍性，这使得系统对于发射机与接收机与光纤耦合所产生误差的容忍度非常小，大多数情况在0.2微米左右。有些厂家在开发基于VCSEL的40Gbit/s发射机，因为该发射机具有很大的数值孔径从而降低与光纤耦合的要求，以便降低成本。

三、40Gbit/s系统的应用前景
40Gbit/s系统尽管技术难度很大，遇到的挑战很多，但已经有办法克服这些限制和难题，并开始挑战80Gbit/s和160Gbit/s。目前40Gbit/s系统的成本还很高，还不能降到10Gbit/s实际成本的3倍以下，因此达不到合理应用的程度。可以相信，随着技术的进步，40Gbit/s的成本会很快降下来，朝着大规模的应用迈进。
从技术上说，在长距离传输中，40Gbit/s则需要考虑更多的限制因素，如色度色散和PMD的精确补偿、OSNR的保证和电中继器的成本等，而在短距离（VSR）应用上最容易，所以40Gbit/s可能首先应用于VSR，用于网络核心的互连，如交换机到交换机的接口等。其次，由于城域网一般距离小于20km，所以40Gbit/s也会在城域网中首先得到应用。长途骨干网信息容量非常大，最终也将会升级到40Gbit/s系统。
目前世界经济增长普遍放缓，电信运营业受到很大冲击，人们对40Gbit/s的商用前景和应用时间的推测普遍变得保守，但可以肯定，40Gbit/s技术将是下一代通信网最关键的技术，通信网向着40Gbit/s迈进是网络发展的必然趋势。