40G波分技術(shù)在海纜系統(tǒng)上的應(yīng)用

1、摘要闡述了海纜引入40G波分技術(shù)的必要性，在同等物理?xiàng)l件下40G相比10G波分的主要技術(shù)限制：一、偏振模色散（PMD）劣化4倍；二、光信噪比(OSNR)劣化4倍；三、色度色散容限降低16倍；四、非線性效應(yīng)變的非常明顯。隨后，以APCN2（亞太I(xiàn)I號）海纜為例，介紹實(shí)際運(yùn)用中海纜采用的新技術(shù)：一、調(diào)制編碼技術(shù)（RZ-DQPSK）用于降低光信噪比(OSNR)，偏振模色散（PMD），非線性，色散的限制。二、動態(tài)色散補(bǔ)償技術(shù)用于提高色散容限，消除色散窗口代價。三、帶外EFEC技術(shù)用于克服自身白噪聲的糾錯能力提高OSNR。四、1段G.652常規(guī)光纖(SMF)加7段大有效面積光纖（LEAF）的組合和終端設(shè)

2、備中通過使用色散補(bǔ)償模塊（DCM）來進(jìn)行色散整體（BATCH）補(bǔ)償、波段（BLOCK）補(bǔ)償，單波（INDIVIDUAL）補(bǔ)償?shù)姆绞绞沟肈WDM中各個波長均獲得各自理想的色散補(bǔ)償值，用于提高系統(tǒng)的PMD容限。簡要概述由于色散補(bǔ)償給系統(tǒng)所帶來的光功率衰減可以通過摻餌光纖放大器（EDFA）予以消除，使得傳輸效果達(dá)到最佳。最后對于海纜系統(tǒng)單波從40Gb/s向100Gb/s的發(fā)展可能碰到的技術(shù)限制以及解決方案予以展望。關(guān)鍵詞：色散，非線性效應(yīng)，動態(tài)色散補(bǔ)償，調(diào)制編碼縮寫與術(shù)語：DWDM: dense wave division multiplex 密集波分復(fù)用DCF : dispersion compe

3、nsation fiber 色散補(bǔ)償光纖DCM : dispersion compensation module 色散補(bǔ)償模塊PMD : polarization mode dispersion 偏振模色散SMF： single mode fiber 單模光纖DSF: dispersion shift fiber 色散位移光纖LEAF: large effective area fiber 大有效面積光纖APCN2: Asiapacific cable network2 亞太I(xiàn)I號網(wǎng)絡(luò)EDFA：Er-dropped fiber amplifier 摻餌光纖放大器FEC：Forward Erro

4、r Correction 前向糾錯OSNR：Optical Signal Noise Ratio 光信噪比OOK：On-Off Keying 閉啟鍵控DPSK：Differential Phase Shift Keying 差分相移鍵控DQPSK：Differential Quadrature Reference Phase Shift Keying 四相相對相移鍵控40G波分技術(shù)在海纜系統(tǒng)上的應(yīng)用第一章 概述引言：自從1985年世界上第一條海底光纜問世以來，海底光纜的建設(shè)在全世界的得到了蓬勃的發(fā)展。海底光纜以其大容量、高可靠性、優(yōu)異的傳輸質(zhì)量等優(yōu)勢，在通信領(lǐng)域，尤其是國際通信中起到重要的作用

5、。由于海底光纜系統(tǒng)是應(yīng)用于特殊的物理環(huán)境中的光通信系統(tǒng)，與陸地光纜系統(tǒng)相比相應(yīng)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)更加復(fù)雜，面臨的技術(shù)難題更多。另外，由于海底光纜系統(tǒng)設(shè)計(jì)容量大、建設(shè)期長，其技術(shù)發(fā)展比同期陸地光纜系統(tǒng)相比一直保持領(lǐng)先。近年來Internet業(yè)務(wù)和全球通信的迅速發(fā)展，必須不斷提高光纖通信系統(tǒng)的傳輸容量才能滿足信息傳送量增長的需要。隨著路由器有了10G的端口，傳送網(wǎng)應(yīng)該比路由器接口速率高4倍，這樣組網(wǎng)效率較高，在這樣的前提下迫使傳輸設(shè)備走向40G。第二章 40G傳輸技術(shù)的技術(shù)難點(diǎn) 40G WDM系統(tǒng)主要需解決光傳輸性能和高速電信號處理的問題。與已實(shí)用的10G WDM系統(tǒng)相比，40G WDM系統(tǒng)對光傳輸性能的

6、要求更高。§2.1色散：色散是光纖的基本屬性之一，在光纖數(shù)字通信中，由于光纖的信號并不是單色光而是由不同的頻率成分和不同的模式成分來攜帶的，這些不同頻率成分和不同模式成分的傳輸速率不同，經(jīng)過光纖傳輸?shù)竭_(dá)光纖終端有先有后，從而會發(fā)生脈沖畸變，它表現(xiàn)為脈沖展寬現(xiàn)象（如圖2.1），隨著傳輸距離的延長，脈沖的寬度越來越寬。一個沖激光脈沖在光纖中的脈沖展寬稱為光纖的脈沖色散或脈沖分散。由于色散效應(yīng)，光脈沖在傳輸?shù)倪^程中會變形、展寬和失真，最終限制了系統(tǒng)的總體性能。色散的單位是ps/(nm.km)，脈沖越短，波長越寬，光纖越長都會線性的增加色散。脈沖越短則對色散的容忍度越小，只要有較小的色散就有

7、可能造成兩個相鄰的脈沖互相重疊。比特率的增加會自然的縮短脈沖、增加帶寬，因此色散會非線性（平方）的增加，從10G向40G演化，比特率增加到4倍，色散相應(yīng)的增加到16倍。§2.2偏振模色散（PMD）偏振模色散與波長色散發(fā)生的機(jī)制不同，但是對系統(tǒng)性能具有同樣的影響。也有人將偏振模色散稱為單模光纖中的“多模色散”。偏振是與光的振動方向有關(guān)的光性能。光纖中的光傳輸可描述為完全是沿X軸振動和完全是沿Y軸上的振動或一些光在兩個軸上的振動，每個軸代表一個偏振模，兩個偏振模的到達(dá)時間差稱為偏振模色散PMD，光纖的PMD系數(shù)表示的單位為ps/.造成單模光纖中的PMD的內(nèi)在原因是纖芯的橢圓度和殘余內(nèi)應(yīng)力

8、。它們改變了光纖折射率的分布，引起相互垂直的本征偏振以不同的速度傳輸，進(jìn)而造成脈沖展寬；外因則是成纜和敷設(shè)時的各種作用力，即壓力、彎曲、扭轉(zhuǎn)及光纜連接等都會引起PMD。為使PMD功率代價小于1dB，ITU-T提出光路的PMD不能超過1/10比特周期。轉(zhuǎn)換成最大PMD為10ps來支持10Gbit/s信道速率, 2.5ps來支持40Gbit/s信道速率。§2.3光信噪比（OSNR）系統(tǒng)中光放大器產(chǎn)生的放大自發(fā)輻射（ASE）噪聲是限制傳輸性能的主要因素。系統(tǒng)中ASE用OSNR來衡量，即通道內(nèi)的信號功率與0.1nm內(nèi)的噪聲功率的比值。40G波分系統(tǒng)傳輸性能的評估優(yōu)先考慮OSNR，而不是以往的

9、通道功率代價。我們假設(shè)都使用傳統(tǒng)的NRZ碼型，為達(dá)到相同的誤碼率40Gbit/s信號的光信噪比要求比10Gbit/s信號高68dB，提高單波入纖光功率可以有效提高系統(tǒng)接收端的OSNR，但是由于非線性效應(yīng)的影響，入纖功率又要低12dB，必須權(quán)衡考慮非線性效應(yīng)引起的OSNR代價。傳輸距離越長，系統(tǒng)的OSNR代價越大。§2.4非線性效應(yīng)波分系統(tǒng)解中常見的非線性效應(yīng)包括自相位調(diào)制（SPM）、交叉相位調(diào)制（XTM）、四波混頻（FWM）、受激喇曼散射（SRS）、受激布里淵散射（SBS）。對40G系統(tǒng)傳輸而言，影響最嚴(yán)重的是通道內(nèi)四波混頻（IFWM）和通道內(nèi)交叉相位調(diào)制（IXTM）。在10G系統(tǒng)長

10、途傳輸中，SPM效應(yīng)在一定程度上相當(dāng)于色散補(bǔ)償；但40G系統(tǒng)的SPM效應(yīng)并不明顯，信號脈沖的迅速相互交疊是由光纖色散導(dǎo)致的。G.652光纖40G波分系統(tǒng)，IFWM起主導(dǎo)作用；G.655光纖40G波分系統(tǒng)，IXPM起主導(dǎo)作用。第三章 新技術(shù)在APCN2海纜上的實(shí)際應(yīng)用§3.1 APCN2海纜概述圖3.1橫跨東南亞的APCN2(亞太I(xiàn)I號)海纜（如圖3.1）為采用DWDM波分復(fù)用技術(shù)每對光纖可承載66個信道其中64個信道為業(yè)務(wù)信道，2個信道為監(jiān)測波，業(yè)務(wù)波長每個信道傳送速率為10Gb/s（STM-64）的SDH業(yè)務(wù)，總?cè)萘靠蛇_(dá)到2.56Tb/s。海纜的傳輸距離很長，APCN2海纜系統(tǒng)總共

11、要連接8個國家和地區(qū)的10個終端登陸局，一般兩個終端登陸局之間的傳輸距離為1000公里以上，有的距離甚至超過了3000公里。§3.2增強(qiáng)FECFEC技術(shù)在海纜系統(tǒng)上使用非常普遍，隨著光速率達(dá)到40G，提高光信噪比的難度越來越大，成本和代價也越來越高，F(xiàn)EC就成為一個非常關(guān)鍵的實(shí)用技術(shù)。帶外EFEC技術(shù)用于克服自身白噪聲的糾錯能力提高OSNR。在光信噪比一定的情況下，前向糾錯(FEC)可提高系統(tǒng)的誤碼率性能，在海底光纜系統(tǒng)、大容量長距離光纖傳輸系統(tǒng)中，其作用已得到了證明。APCN2海纜使用ITU-T G.975.1標(biāo)準(zhǔn)的EFEC幀結(jié)構(gòu)（如圖3.2），其編碼增益為9.1 dB，但帶外EF

12、EC同時提高了信道速率(約7%)。在40 Gbit/s系統(tǒng)中信道速率將達(dá)到43 Gbit/s左右，這使系統(tǒng)的色度色散、偏振模色散的容限更小。圖3.2§3.3色散補(bǔ)償APCN2海纜系統(tǒng)中使用的光纖：LEAF（大有效面積光纖）、SMF（非色散位移光纖G.652）、DCF(色散補(bǔ)償單模光纖)。1，非色散位移單模光纖（G.652）G652光纖即常規(guī)光纖（SMF），它的性能特點(diǎn)是在1310nm波長處色散為零，在波長為1550nm附近衰減系數(shù)最小，約為0.22dB/km,但在1550nm附近具有最大色散系數(shù)為17ps/(nm.km),這種光纖工作波長即可選在1310nm波長區(qū)域,又可選在1550

13、nm波長區(qū)域,這種光纖常稱為常規(guī)單模光纖，它的最佳工作波長在1310nm區(qū)域，在1550nm波長處的大色散成為高速率，遠(yuǎn)距離DWDM通信系統(tǒng)的“瓶頸”。2，大有效面積非零色散位移單模光纖為了適應(yīng)更大容量，更長距離的密集波分復(fù)用系統(tǒng)的應(yīng)用，一種新型的專門用于海纜系統(tǒng)的大有效面積光纖（圖3.3）已經(jīng)出現(xiàn)，光纖的有效面積是決定光纖非線形效應(yīng)的主要因素，大有效面積非零色散位移單模光纖（LEAF）的優(yōu)點(diǎn)是低色散，大有效面積，優(yōu)異的彎曲性能，而且降低了非線形效應(yīng)。這種光纖的模場直徑由普通光纖的8.4µm增加到9.6µm從而使有效面積從55µm2增加到72µm2以上，

14、零色散點(diǎn)在1580nm處，在1530nm-1565nm的窗口內(nèi)處于3.4 1.0（ps/nm.km）之內(nèi)。LEAF光纖提供了更大光功率的承受能力，增加了波分復(fù)用數(shù)，更適合在長距離的海纜系統(tǒng)中運(yùn)用。正是由于大有效面積非零色散位移單模光纖增大了光傳輸距離，所以在這種光纖系統(tǒng)中只需很少光放大器和中繼器，從而直接降低了網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和維護(hù)成本。事實(shí)上，特別是當(dāng)它與常規(guī)單模光纖連接時，大有效面積單模光纖的較大模場直徑改善了其接續(xù)性能，因此選用大有效面積非零色散位移光纖是最容易和最經(jīng)濟(jì)的提高網(wǎng)絡(luò)傳輸信息量的方法。當(dāng)然，由于光纖的直徑增大也會產(chǎn)生陡峭的色散斜率，這是LEAF光纖的一大缺點(diǎn)。圖3.33，色散補(bǔ)償單模

15、光纖色散補(bǔ)償單模光纖是一種在1550nm波長處有很大的負(fù)色散的單模光纖，色散系數(shù)為-50548ps/(nm.km).通過在系統(tǒng)中加入一段負(fù)色散光纖，即可抵消幾十千米常規(guī)單模光纖在1550nm處的正色散，從而實(shí)現(xiàn)業(yè)已安裝使用的常規(guī)單模光纖工作波長由1310nm升級擴(kuò)容至1550nm，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)高速率、遠(yuǎn)距離、大容量的傳輸。其主要用作G.652光纖工作在1550nm處的色散補(bǔ)償，在1550nm工作范圍內(nèi)有很大的負(fù)色散。它的主要缺點(diǎn)是衰耗比較大一般為0.9dB/km,價格比較昂貴。幾種光纖的色散特性§3.3.1海纜線路色散補(bǔ)償APCN2海纜系統(tǒng)在海纜線路中采用的是7段康寧公司的海底LEAF（

16、大有效面積光纖）1段SMF（非色散位移光纖G.652）傳輸方式。為什么在海纜中要使用康寧公司的LEAF光纖(G.655)呢？由于它的零色散處于長波長區(qū)1570nm附近，在1530nm-1565nm光放大區(qū)域，光纖的色散值均為負(fù)值，處于-3.5 -1.0ps/nm.km之間，在常用的15491560nm之間。其色散值在-2.4ps/(nm.km)左右，在超長距離傳輸時，積累的色散為負(fù)值，因此只需要采用常規(guī)G.652光纖就可以對其進(jìn)行色散補(bǔ)償（如下圖所示）。LEAF光纖由于模長直徑的增加，從而使得有效面積增加更有效的克服非線性影響。正是由于大有效面積光纖增大了光傳輸距離，所有這種光纖系統(tǒng)只需很少的

17、光放大器和中繼器，而且用SMF常規(guī)光纖來補(bǔ)償負(fù)色散比用DCF光纖來補(bǔ)償正色散要便宜許多，從而直接降低了網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和維護(hù)的成本。特性名稱單位波長康寧海底LEAF衰減dB/km1550nm0.23工作波長Nm1530-15651530-1565色散Ps/nm.km1560nm-3.5 -1.0零色散波長Nm1570零色散斜率Ps/ nm2.km0.12偏振模色散Ps/km1/2單纖值0.2模場直徑1550nm9.0-9.6有效面積71表3.1康寧海底LEAF大有效面積光纖的特性注：1.1block相當(dāng)于兩個海底中繼器之間的距離約為60km。 2.LEAF:-2.4ps/nm/km SMF:+19ps

18、/nm/km 我們根據(jù)上圖所提供的傳輸光纖參數(shù)計(jì)算一下的系統(tǒng)通過一個跨段距離傳輸后光纖的色散值：(色散系數(shù)（LEAF）×距離/block×block)+(色散系數(shù)（SMF）×距離/block×block)跨段的色散總值依據(jù)以上公式得：（2.4ps/nm/km×60km×7段）+( +19 ps/nm/km×60km×1段)-1008ps/nm+1140ps/nm=+132ps/nm由上式計(jì)算的結(jié)果我們可以看到通過一個跨段8個中繼段將近500km距離傳輸后，光纜累積的色散值僅為132ps/nm，運(yùn)用SMF光纖可以有效

19、的抵消LEAF光纖所累積的大量負(fù)色散。§3.3.2終端設(shè)備色散補(bǔ)償APCN2海纜系統(tǒng)在DWDM終端設(shè)備中采用的是單波補(bǔ)償（Individual）波段(Block)補(bǔ)償+系統(tǒng)色散補(bǔ)償（Batch）的三層補(bǔ)償方式來滿足不同波長各自所需要得色散值。實(shí)現(xiàn)方式主要是在DWDM設(shè)備的收發(fā)端裝載具有DCF色散補(bǔ)償光纖的補(bǔ)償模塊單元。1，Batch(整體補(bǔ)償)由于APCN2海纜系統(tǒng)兩個終端登陸局之間的長度為幾千千米，LEAF光纜長度與SMF光纜不可能完全按照7：1的8段來進(jìn)行配置組合(如下圖3.6所示)，SMF的正色散補(bǔ)償值是為固定的,靜態(tài)的不可改變的,即加入一個Block的SMF光纜段后線路要完全

20、按照預(yù)定要求達(dá)到匹配是非常困難的,尤其在靠近兩個終端附近，一段SMF光纜也許只能對應(yīng)3，4個LEAF光纜段或者更少(假如人為的增加光纜長度達(dá)到7:1的平衡會造成工程成本的提高,網(wǎng)絡(luò)維護(hù)成本的提高是不可取的).這樣在線路中同樣會積累一部分正色散從而影響傳輸質(zhì)量，這時線路中多余的正色散就需要由終端DWDM設(shè)備Batch補(bǔ)償來完成。圖3.6如上圖所示整個海纜系統(tǒng)多余正色散的最大值為靠近終端兩端均為SMF光纖所積累的正色散：（19×60×2）（2.4）×60×71272ps/nm 即在這種絕對情況下系統(tǒng)可能冗余的最大正色散值為1272ps/nm當(dāng)然在實(shí)際情況中A

21、PCN2系統(tǒng)線路積累的正色散值沒有那么大一般約為700ps/nm左右，這樣通過兩個終端站的Batch色散補(bǔ)償來消除，實(shí)際應(yīng)用為發(fā)送端和接收端各承擔(dān)一半即Batch色散值為各350ps/nm。當(dāng)然系統(tǒng)也有LEAF光纜冗余情況的存在，這樣線路所累積的總色散值就為負(fù)值了，如下圖3.7所示：圖3.7海纜系統(tǒng)中所可能冗余的最大負(fù)色散值為多余7段LEAF光纜所累積的色散。按照以上公式計(jì)算得：（2.4×60×7）-1008ps/nm 即在絕對情況下系統(tǒng)可能冗余的最大負(fù)色散值為1384ps/nm 1560nm消除負(fù)色散APCN2終端系統(tǒng)使用由SMF光纖制成的色散補(bǔ)償模塊來實(shí)現(xiàn)，當(dāng)然APCN

22、2海纜系統(tǒng)所累積的負(fù)色散一般也不會那么大，一般為700ps/nm左右，通過兩個終端站的Batch色散補(bǔ)償來消除，實(shí)際應(yīng)用為發(fā)送端和接收端各承擔(dān)一半即Batch色散值為各350ps/nm。2，Block(塊補(bǔ)償)由于在APCN2海纜中DWDM總共使用了66個信道，波段跨度從1530nm到1565nm，而每個信道之間是有色散差的，差值的大小與色散斜率有關(guān)。在通過長距離的海纜傳輸后，由于色散的積累，各波段的色散都隨著傳輸距離的延長而增大。然而，由于色散斜率的作用，各波段通道的色散累積量是不同的，位于兩側(cè)邊緣通路的色散累積量差別最大，當(dāng)傳輸超過一定距離后，會使具有較大色散累積量的通路色散值超標(biāo)，從而限

23、制整個DWDM系統(tǒng)的傳輸質(zhì)量。所以必須為處于波段兩邊的信道再次進(jìn)行色散補(bǔ)償，由于DCF光纖構(gòu)成的色散補(bǔ)償模塊比較昂貴，所以最經(jīng)濟(jì)的方法是采用一個DCF模塊對多個信道同時補(bǔ)償，將工作波長劃分為若干個子波段即（S,M,L）,其中對S波段和L波段的信道進(jìn)行Block色散補(bǔ)償，M波段的信道由于色散斜率比較小所以不需要進(jìn)行Block補(bǔ)償。Block色散補(bǔ)償?shù)墓ぷ髟砣缦聢D所示圖3.83，單波補(bǔ)償（Individual）Block補(bǔ)償也屬于區(qū)域補(bǔ)償由于子波段內(nèi)的色散差還有一定的差別，會造成有的信道補(bǔ)償不夠，而有的信道已經(jīng)過補(bǔ)償，此外沒有經(jīng)過Block色散補(bǔ)償?shù)腗波段中有些信道也需要少許的色散補(bǔ)償來達(dá)到傳輸

24、的最佳效果所以在APCN2海纜系統(tǒng)中還需要分別對每個波道進(jìn)行單波的色散補(bǔ)償。圖3.9由圖可知：1. 波段兩側(cè)的信道所需的色散補(bǔ)償絕對值要大于中間信道，越靠近邊緣的波長色散累積越大。2. 1552.52nm波長的色散絕對值是最小的幾乎接近于零，對它進(jìn)行單波補(bǔ)償使其擁有一定的負(fù)色散，是為了防止非線形效應(yīng)的產(chǎn)生。3. 每個波長所需的色散補(bǔ)償值是不一樣的通過單波色散補(bǔ)償可以使得每個信道波長獲得不同所需匹配的色散值，而通過Block補(bǔ)償可以大大減少所需的由DCF光纖制成的色散補(bǔ)償模塊，從而降低設(shè)備建設(shè)和運(yùn)行維護(hù)的成本。4. 隨著傳輸距離的增加，信道所需的色散補(bǔ)償值也越大，波段兩側(cè)的信道波長由于色散斜率的

25、存在而累積的色散越大。4，動態(tài)色散補(bǔ)償（TDCM）由于40Gbit/s DWDM系統(tǒng)的色散容限只有60ps/nm左右比10Gbit/s降低了將近16倍（10Gbit/s系統(tǒng)的色散容限值為1000ps/nm），即使采用色散補(bǔ)償光纖對進(jìn)行了完善的靜態(tài)色散和色散斜率補(bǔ)償，也難以保證系統(tǒng)的性能。因?yàn)橄到y(tǒng)的色度色散不僅受環(huán)境溫度變化的影響，還會因光功率的變化引起非線性效應(yīng)的變化，從而改變系統(tǒng)的色散容忍度；另外，在實(shí)際應(yīng)用中，特別是在城域網(wǎng)中，光路由的變化，不同波長信號經(jīng)過的路徑不同，色散不一樣；以及光纖老化及受環(huán)境應(yīng)力的影響等，均會改變系統(tǒng)的色散容限，難以滿足實(shí)際需求。APCN2海纜的設(shè)備供應(yīng)商為NEC

26、，使用其自行研制的基于高折射差的PLC環(huán)形共振腔技術(shù)的動態(tài)色散補(bǔ)償器，其調(diào)節(jié)量可達(dá)±2000ps/nm，20ps為調(diào)節(jié)步長，當(dāng)業(yè)務(wù)開通后會進(jìn)行一次自動檢測，尋找合適的色散補(bǔ)償值。§3.4調(diào)制編碼技術(shù)為有效解決40Gbps光信號在傳輸中遇到的OSNR、色散、PMD等受限因素，針對接收機(jī)不同的調(diào)制方式，出現(xiàn)了OOK、PSK、PM三大類編碼技術(shù)，詳細(xì)分類表如下：其中OOK類編碼以改善光信號強(qiáng)度為主，PSK類編碼采用相位移動或復(fù)用方式，PM類編碼既采用相位復(fù)用也采用偏振復(fù)用方式。雖然編碼種類繁多，但有相當(dāng)一部分編碼已經(jīng)逐漸退出主流地位。目前主流編碼類型或商用化程度較高的編碼主要集中在P-DPSK、RZ-DQPSK和DP-QPSK三種。圖3.10從線路速率來看，P-DPSK為40Gbps，RZ-DQPSK將符號分為4個，實(shí)際傳輸?shù)牟ㄌ芈适潜忍芈实囊话耄瑸?0Gbps，DP-Q