40g波分技术在海缆系统上的应用-学位论文.doc

摘要
阐述了海缆引入40G波分技术的必要性，在同等物理条件下40G相比10G波分的主要技术限制：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、非线性效应变的非常明显。随后，以APCN2（亚太II号）海缆为例，介绍实际运用中海缆采用的新技术：一、调制编码技术（RZ-DQPSK）用于降低光信噪比(OSNR)，偏振模色散（PMD），非线性，色散的限制。二、动态色散补偿技术用于提高色散容限，消除色散窗口代价。三、带外EFEC技术用于克服自身白噪声的纠错能力提高OSNR。四、1段G.652常规光纤(SMF)加7段大有效面积光纤（LEAF）的组合和终端设备中通过使用色散补偿模块（DCM）来进行色散整体（BATCH）补偿、波段（BLOCK）补偿，单波（INDIVIDUAL）补偿的方式使得DWDM中各个波长均获得各自理想的色散补偿值，用于提高系统的PMD容限。简要概述由于色散补偿给系统所带来的光功率衰减可以通过掺饵光纤放大器（EDFA）予以消除，使得传输效果达到最佳。最后对于海缆系统单波从40Gb/s向100Gb/s的发展可能碰到的技术限制以及解决方案予以展望。

关键词：色散，非线性效应，动态色散补偿，调制编码

缩写与术语：
DWDM: dense wave division multiplex 密集波分复用
DCF : dispersion compensation fiber 色散补偿光纤
DCM : dispersion compensation module 色散补偿模块
PMD : polarization mode dispersion 偏振模色散
SMF： single mode fiber 单模光纤
DSF: dispersion shift fiber 色散位移光纤
LEAF: large effective area fiber 大有效面积光纤
APCN2: Asia－pacific cable network2 亚太II号网络
EDFA：Er-dropped fiber amplifier 掺饵光纤放大器
FEC：Forward Error Correction 前向纠错
OSNR：Optical Signal Noise Ratio 光信噪比
OOK：On-Off Keying 闭启键控
DPSK：Differential Phase Shift Keying 差分相移键控
DQPSK：Differential Quadrature Reference Phase Shift Keying 四相相对相移键控

40G波分技术在海缆系统上的应用
第一章 概述
引言：
自从1985年世界上第一条海底光缆问世以来，海底光缆的建设在全世界的得到了蓬勃的发展。海底光缆以其大容量、高可靠性、优异的传输质量等优势，在通信领域，尤其是国际通信中起到重要的作用。由于海底光缆系统是应用于特殊的物理环境中的光通信系统，与陆地光缆系统相比相应的系统设计更加复杂，面临的技术难题更多。另外，由于海底光缆系统设计容量大、建设期长，其技术发展比同期陆地光缆系统相比一直保持领先。近年来Internet业务和全球通信的迅速发展，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。随着路由器有了10G的端口，传送网应该比路由器接口速率高4倍，这样组网效率较高，在这样的前提下迫使传输设备走向40G。

第二章 40G传输技术的技术难点
40G 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10G WDM系统相比，40G WDM系统对光传输性能的要求更高。
§2.1色散：
色散是光纤的基本属性之一，在光纤数字通信中，由于光纤的信号并不是单色光而是由不同的频率成分和不同的模式成分来携带的，这些不同频率成分和不同模式成分的传输速率不同，经过光纤传输到达光纤终端有先有后，从而会发生脉冲畸变，它表现为脉冲展宽现象（如图2.1），随着传输距离的延长，脉冲的宽度越来越宽。一个冲激光脉冲在光纤中的脉冲展宽称为光纤的脉冲色散或脉冲分散。由于色散效应，光脉冲在传输的过程中会变形、展宽和失真，最终限制了系统的总体性能。色散的单位是ps/(nm.km)，脉冲越短，波长越宽，光纤越长都会线性的增加色散。脉冲越短则对色散的容忍度越小，只要有较小的色散就有可能造成两个相邻的脉冲互相重叠。比特率的增加会自然的缩短脉冲、增加带宽，因此色散会非线性（平方）的增加，从10G向40G演化，比特率增加到4倍，色散相应的增加到16倍。

§2.2偏振模色散（PMD）
偏振模色散与波长色散发生的机制不同，但是对系统性能具有同样的影响。也有人将偏振模色散称为单模光纤中的“多模色散”。偏振是与光的振动方向有关的光性能。光纤中的光传输可描述为完全是沿X轴振动和完全是沿Y轴上的振动或一些光在两个轴上的振动，每个轴代表一个偏振模，两个偏振模的到达时间差称为偏振模色散PMD，光纤的PMD系数表示的单位为ps/.造成单模光纤中的PMD的内在原因是纤芯的椭圆度和残余内应力。它们改变了光纤折射率的分布，引起相互垂直的本征偏振以不同的速度传输，进而造成脉冲展宽；外因则是成缆和敷设时的各种作用力，即压力、弯曲、扭转及光缆连接等都会引起PMD。为使PMD功率代价小于1dB，ITU-T提出光路的PMD不能超过1/10比特周期。转换成最大PMD为10ps来支持10Gbit/s信道速率, 2.5ps来支持40Gbit/s信道速率。
§2.3光信噪比（OSNR）
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0.1nm内的噪声功率的比值。
40G波分系统传输性能的评估优先考虑OSNR，而不是以往的通道功率代价。我们假设都使用传统的NRZ码型，为达到相同的误码率40Gbit/s信号的光信噪比要求比10Gbit/s信号高6～8dB，提高单波入纤光功率可以有效提高系统接收端的OSNR，但是由于非线性效应的影响，入纤功率又要低1～2dB，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。
§2.4非线性效应
波分系统解中常见的非线性效应包括自相位调制（SPM）、交叉相位调制（XTM）、四波混频（FWM）、受激喇曼散射（SRS）、受激布里渊散射（SBS）。对40G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（IXTM）。在10G系统长途传输中，SPM效应在一定程度上相当于色散补偿；但40G系统的SPM效应并不明显，信号脉冲的迅速相互交叠是由光纤色散导致的。G.652光纤40G波分系统，IFWM起主导作用；G.655光纤40G波分系统，IXPM起主导作用。

第三章 新技术在APCN2海缆上的实际应用
§3.1 APCN2海缆概述

图3.1
横跨东南亚的APCN2(亚太II号)海缆（如图3.1）为采用DWDM波分复用技术每对光纤可承载66个信道其中64个信道为业务信道，2个信道为监测波，业务波长每个信道传送速率为10Gb/s（STM-64）的SDH业务，总容量可达到2.56Tb/s。海缆的传输距离很长，APCN2海缆系统总共要连接8个国家和地区的10个终端登陆局，一般两个终端登陆局之间的传输距离为1000公里以上，有的距离甚至超过了3000公里。
§3.2增强FEC
FEC技术在海缆系统上使用非常普遍，随着光速率达到40G，提高光信噪比的难度越来越大，成本和代价也越来越高，FEC就成为一个非常关键的实用技术。带外EFEC技术用于克服自身白噪声的纠错能力提高OSNR。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。APCN2海缆使用ITU-T G.975.1标准的EFEC帧结构（如图3.2），其编码增益为9.1 dB，但带外EFEC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。

图3.2
§3.3色散补偿
APCN2海缆系统中使用的光纤：LEAF（大有效面积光纤）、SMF（非色散位移光纤G.652）、DCF(色散补偿单模光纤)。
1，非色散位移单模光纤（G.652）
G．652光纤即常规光纤（SMF），它的性能特点是在1310nm波长处色散为零，在波长为1550nm附近衰减系数最小，约为0.22dB/km,但在1550nm附近具有最大色散系数为17ps/(nm.km),这种光纤工作波长即可选在1310nm波长区域,又可选在1550nm波长区域,这种光纤常称为常规单模光纤，它的最佳工作波长在1310nm区域，在1550nm波长处的大色散成为高速率，远距离DWDM通信系统的“瓶颈”。
2，大有效面积非零色散位移单模光纤
为了适应更大容量，更长距离的密集波分复用系统的应用，一种新型的专门用于海缆系统的大有效面积光纤（图3.3）已经出现，光纤的有效面积是决定光纤非线形效应的主要因素，大有效面积非零色散位移单模光纤（LEAF）的优点是低色散，大有效面积，优异的弯曲性能，而且降低了非线形效应。这种光纤的模场直径由普通光纤的8.4µm增加到9.6µm从而使有效面积从55µm2增加到72µm2以上，零色散点在1580nm处，在1530nm-1565nm的窗口内处于－3.4 ～－1.0（ps/nm.km）之内。LEAF光纤提供了更大光功率的承受能力，增加了波分复用数，更适合在长距离的海缆系统中运用。正是由于大有效面积非零色散位移单模光纤增大了光传输距离，所以在这种光纤系统中只需很少光放大器和中继器，从而直接降低了网络建设和维护成本。事实上，特别是当它与常规单模光纤连接时，大有效面积单模光纤的较大模场直径改善了其接续性能，因此选用大有效面积非零色散位移光纤是最容易和最经济的提高网络传输信息量的方法。当然，由于光纤的直径增大也会产生陡峭的色散斜率，这是LEAF光纤的一大缺点。

图3.3
3，色散补偿单模光纤
色散补偿单模光纤是一种在1550nm波长处有很大的负色散的单模光纤，色散系数为-50～－548ps/(nm.km).通过在系统中加入一段负色散光纤，即可抵消几十千米常规单模光纤在1550nm处的正色散，从而实现业已安装使用的常规单模光纤工作波长由1310nm升级扩容至1550nm，进而实现高速率、远距离、大容量的传输。其主要用作G.652光纤工作在1550nm处的色散补偿，在1550nm工作范围内有很大的负色散。它的主要缺点是衰耗比较大一般为0.9dB/km,价格比较昂贵。

几种光纤的色散特性
§3.3.1海缆线路色散补偿
APCN2海缆系统在海缆线路中采用的是7段康宁公司的海底LEAF（大有效面积光纤）＋1段SMF（非色散位移光纤G.652）传输方式。为什么在海缆中要使用康宁公司的LEAF光纤(G.655)呢？由于它的零色散处于长波长区1570nm附近，在1530nm-1565nm光放大区域，光纤的色散值均为负值，处于-3.5~ -1.0ps/nm.km之间，在常用的1549～1560nm之间。其色散值在-2.4ps/(nm.km)左右，在超长距离传输时，积累的色散为负值，因此只需要采用常规G.652光纤就可以对其进行色散补偿（如下图所示）。LEAF光纤由于模长直径的增加，从而使得有效面积增加更有效的克服非线性影响。正是由于大有效面积光纤增大了光传输距离，所有这种光纤系统只需很少的光放大器和中继器，而且用SMF常规光纤来补偿负色散比用DCF光纤来补偿正色散要便宜许多，从而直接降低了网络建设和维护的成本。

特性名称
单位
波长
康宁海底LEAF
衰减
dB/km
1550nm
0.23
工作波长
Nm
1530-1565
1530-1565
色散
Ps/nm.km
1560nm
-3.5~ -1.0
零色散波长
Nm

1570
零色散斜率
Ps/ nm2.km

0.12
偏振模色散
Ps/km1/2
单纤值
0.2
模场直径

1550nm
9.0-9.6
有效面积

71

表3.1康宁海底LEAF大有效面积光纤的特性

注：1.1block相当于两个海底中继器之间的距离约为60km。
2.LEAF:-2.4ps/nm/km
SMF:+19ps/nm/km
我们根据上图所提供的传输光纤参数计算一下的系统通过一个跨段距离传输后光纤的色散值：
(色散系数（LEAF）×距离/block×block)+(色散系数（SMF）×距离/block×block)＝跨段的色散总值
依据以上公式得：
（－2.4ps/nm/km×60km×7段）+( +19 ps/nm/km×60km×1段)＝-1008ps/nm+1140ps/nm=+132ps/nm
由上式计算的结果我们可以看到通过一个跨段8个中继段将近500km距离传输后，光缆累积的色散值仅为＋132ps/nm，运用SMF光纤可以有效的抵消LEAF光纤所累积的大量负色散。
§3.3.2终端设备色散补偿
APCN2海缆系统在DWDM终端设备中采用的是单波补偿（Individual）＋波段(Block)补偿+系统色散补偿（Batch）的三层补偿方式来满足不同波长各自所需要得色散值。实现方式主要是在DWDM设备的收发端装载具有DCF色散补偿光纤的补偿模块单元。
1，Batch(整体补偿)
由于APCN2海缆系统两个终端登陆局之间的长度为几千千米，LEAF光缆长度与SMF光缆不可能完全按照7：1的8段来进行配置组合(如下图3.6所示)，SMF的正色散补偿值是为固定的,静态的不可改变的,即加入一个Block的SMF光缆段后线路要完全按照预定要求达到匹配是非常困难的,尤其在靠近两个终端附近，一段SMF光缆也许只能对应3，4个LEAF光缆段或者更少(假如人为的增加光缆长度达到7:1的平衡会造成工程成本的提高,网络维护成本的提高是不可取的).这样在线路中同样会积累一部分正色散从而影响传输质量，这时线路中多余的正色散就需要由终端DWDM设备Batch补偿来完成。

图3.6
如上图所示整个海缆系统多余正色散的最大值为靠近终端两端均为SMF光纤所积累的正色散：
（19×60×2）＋（－2.4）×60×7＝＋1272ps/nm
即在这种绝对情况下系统可能冗余的最大正色散值为＋1272ps/nm
当然在实际情况中APCN2系统线路积累的正色散值没有那么大一般约为＋700ps/nm左右，这样通过两个终端站的Batch色散补偿来消除，实际应用为发送端和接收端各承担一半即Batch色散值为各－350ps/nm。
当然系统也有LEAF光缆冗余情况的存在，这样线路所累积的总色散值就为负值了，如下图3.7所示：

图3.7
海缆系统中所可能冗余的最大负色散值为多余7段LEAF光缆所累积的色散。按照以上公式计算得：
（－2.4×60×7）＝-1008ps/nm
即在绝对情况下系统可能冗余的最大负色散值为－1384ps/nm @1560nm
消除负色散APCN2终端系统使用由SMF光纤制成的色散补偿模块来实现，当然APCN2海缆系统所累积的负色散一般也不会那么大，一般为－700ps/nm左右，通过两个终端站的Batch色散补偿来消除，实际应用为发送端和接收端各承担一半即Batch色散值为各＋350ps/nm。
2，Block(块补偿)
由于在APCN2海缆中DWDM总共使用了66个信道，波段跨度从1530nm到1565nm，而每个信道之间是有色散差的，差值的大小与色散斜率有关。在通过长距离的海缆传输后，由于色散的积累，各波段的色散都随着传输距离的延长而增大。然而，由于色散斜率的作用，各波段通道的色散累积量是不同的，位于两侧边缘通路的色散累积量差别最大，当传输超过一定距离后，会使具有较大色散累积量的通路色散值超标，从而限制整个DWDM系统的传输质量。所以必须为处于波段两边的信道再次进行色散补偿，由于DCF光纤构成的色散补偿模块比较昂贵，所以最经济的方法是采用一个DCF模块对多个信道同时补偿，将工作波长划分为若干个子波段即（S,M,L）,其中对S波段和L波段的信道进行Block色散补偿，M波段的信道由于色散斜率比较小所以不需要进行Block补偿。Block色散补偿的工作原理如下图所示

图3.8
3，单波补偿（Individual）
Block补偿也属于区域补偿由于子波段内的色散差还有一定的差别，会造成有的信道补偿不够，而有的信道已经过补偿，此外没有经过Block色散补偿的M波段中有些信道也需要少许的色散补偿来达到传输的最佳效果所以在APCN2海缆系统中还需要分别对每个波道进行单波的色散补偿。

图3.9
由图可知：
1. 波段两侧的信道所需的色散补偿绝对值要大于中间信道，越靠近边缘的波长色散累积越大。
2. 1552.52nm波长的色散绝对值是最小的几乎接近于零，对它进行单波补偿使其拥有一定的负色散，是为了防止非线形效应的产生。
3. 每个波长所需的色散补偿值是不一样的通过单波色散补偿可以使得每个信道波长获得不同所需匹配的色散值，而通过Block补偿可以大大减少所需的由DCF光纤制成的色散补偿模块，从而降低设备建设和运行维护的成本。
4. 随着传输距离的增加，信道所需的色散补偿值也越大，波段两侧的信道波长由于色散斜率的存在而累积的色散越大。
4，动态色散补偿（TDCM）
由于40Gbit/s DWDM系统的色散容限只有60ps/nm左右比10Gbit/s降低了将近16倍（10Gbit/s系统的色散容限值为1000ps/nm），即使采用色散补偿光纤对进行了完善的静态色散和色散斜率补偿，也难以保证系统的性能。因为系统的色度色散不仅受环境温度变化的影响，还会因光功率的变化引起非线性效应的变化，从而改变系统的色散容忍度；另外，在实际应用中，特别是在城域网中，光路由的变化，不同波长信号经过的路径不同，色散不一样；以及光纤老化及受环境应力的影响等，均会改变系统的色散容限，难以满足实际需求。APCN2海缆的设备供应商为NEC，使用其自行研制的基于高折射差的PLC环形共振腔技术的动态色散补偿器，其调节量可达±2000ps/nm，20ps为调节步长，当业务开通后会进行一次自动检测，寻找合适的色散补偿值。
§3.4调制编码技术
为有效解决40Gbps光信号在传输中遇到的OSNR、色散、PMD等受限因素，针对接收机不同的调制方式，出现了OOK、PSK、PM三大类编码技术，详细分类表如下：

其中OOK类编码以改善光信号强度为主，PSK类编码采用相位移动或复用方式，PM类编码既采用相位复用也采用偏振复用方式。虽然编码种类繁多，但有相当一部分编码已经逐渐退出主流地位。目前主流编码类型或商用化程度较高的编码主要集中在P-DPSK、RZ-DQPSK和DP-QPSK三种。

图3.10
从线路速率来看，P-DPSK为40Gbps，RZ-DQPSK将符号分为4个，实际传输的波特率是比特率的一半，为20Gbps，DP-QPSK是在DQPSK的基础上，增加一个偏振纬度，使得波特率降为实际速率的1/4，为10Gbps,.因此RZ-DQPSK和QPSK的色散和PMD容限指标优于DPSK。
APCN2网络原先使用的是10G的技术，扩容后要10G+40G混合传输。由图3.11可知，RZ-DQPSK较P-DPSK在相同Q值的情况下，每信道的光功率可以减小约2dB，当然性能最好的编码为DP-QPSK。考虑到DP-QPSK技术复杂度极高，成本也非常高昂，故采用综合性比较合理的RZ-DQPSK技术，但从长远来看，DP-QPSK代表了未来高DWDM系统发展的方向，同时也是100Gbps DWDM系统的主流码型。

图3.11
第四章 100G技术的发展
40G波分技术刚刚开始铺开商用，100G就被推到了公众面前。背后推手主要是终端用户需求向移动视频和移动TV发展，网络带宽被大量消耗，网络运营商希望新建和现有网络可以应对业务的发展。鉴于这一点，人们对40G向100G的过渡认为是和缓的，及不敷设新的光缆，不改变现有传输架构，仅进行收发端的技术升级。
相对于40G，要实现更快速的100G网络，需要更高级的光学信号调制格式，超高速的数模转换和数字信号处理技术。现今普遍采用“DP-QPSK+相干接收”的解决方案，之所以选择DP-QPSK,就是因为他最大化了光谱效率，另一方面利用了相位调制技术对PDM、色散、非线性的高公差特性。但即便如此，单靠相干接收的DP-QPSK仍无法改善这样大的传输压力。因此为了改善性价比，人们便将目光锁定在了数字信号处理技术上，如FEC，利用电信号相对容易和低价的再整形和噪声滤除特性，来降低信号损伤。但要将超高速的光信号装换成电信号处理，就要有超高速的数模转换器为依托，因此FEC也作为100G推广的核心技术，是需要集成电路突破新革新的技术。
以数字信号处理处理技术为核心的相干接收技术是光通信发展史上具有里程碑意义的革命性突破，随着带宽需求的持续增长和100G相干技术器件的不断成熟，100G波分传输必将完全取代现有的10G波分传输，并会挤压40G波分传输的空间。