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【摘要】 全球互联网流量的年均增长超过40%，承载数据流量的光传输速率也从10G、40G，发展到目前的100G，目前中国已经建成规模庞大的100G网络。超100G网络的需求日渐增加，本文主要介绍一些目前超100G光传输技术物理层技术。
【关键词】 100G DSP 少模光纤 多芯光纤 非线性补偿
一、引言
新世纪以来，互联网业务、移动通信的、移动互联网、物联网、云计算和大型数据中心等带宽消耗型业务不断增多，现代社会信息化进程的不断加快，在移动领域大量移动智能终端已经带来巨大数据需求，对各种带宽消耗型业务的承载网络——光网络的传送能力提出了越来越高的要求。单载波的网络需求已经从上世纪 90 年代的 100Mb/s 发展到现在的100Gb/s 的带宽需求，20 年间，网络需求提升了 1000 倍。长距离光网络自诞生之后的很 长一段时间内一直以超越摩尔定律的速度发展。现网的传送技术也正式进入到 100Gb/s 的时代， 2010 年， 100G 技术开始在世界范围内的运营商网络中大面积部署，更大数据需求的 400G 技术也正在酝酿，已经有部分国家部署单波400G光传送网。早在 2013 年，法国电信联合阿尔卡特朗讯（现诺基亚通信）共同建造了从法国巴黎到里昂的 400G 网络。未来光传送网的演进方向非常明确，一直迈向“超长距离、超大容量、超高速率”的三超不断迈进。相应的物理层技术同时发展，取得了众多突破性进展。包括开发更多的复用自由度，解决问题最直接的办法就是增加复用数，从发展初期的时分复用，到波分复用，密集波分复用、超快速时分复用和偏振复用等，到目前以模式复用和多芯光纤為代表的空分复用技术，经历了快速的发展；随着编码调制技术的发展，光调制格式也由以前的开关键控向高阶调制格式转变，如 M进制正交振幅调制M-QAM[1]，正交频分复用 OFDM[2]等，先进的调制格式为系统提供了更高的频谱效率和容错能力，如采用 256 QAM-OFDM 的光传输系统实现了 14bit/s/Hz 的超高频谱效率[3]。
本文从传输系统的发送端出发，就链路和接收端等超100G关键技术进行简要探究。
二、发送端技术
提升传输容量最直接的方法就是提高频谱效率，对于目前的100G数字相干光传送系统来说，采用双偏振-正交相移键控（DP-QPSK），配合相干检测和先进的数字信号处理技术，能够实现4bit/s/Hz的频谱效率，实现DP-QPSK调制的原理如图1所示。
为了实现更高的频谱效率，须利用更多的自由度信息，超100G传输技术可以利用双偏振M进制正交振幅调制，具有更好的频谱和功率效率。理论上更高进制的调制格式应该获得更大的频谱效率，但更高的调制格式使得信号星座图的欧氏距离越小，需要更高的OSNR保证误码率，随之导致非线性效应显著增强，逼近非线性香农极限[4]。因此，在超100G网络选取合适的调制格式，是必须解决的问题。目前400G传输大多采用基于超级信道的双载波16QAM调制格式，配合Nyquist滤波，可以避免采用更高调制格式带来的传输距离下降和DAC/ADC限制。
三、链路技术
随着DSP处理技术的不断进步，在超100G传输中，光纤的色散和偏振效应经不是主要考虑因素，光纤的损耗和非线性效应则成为制约超100G实现的重要障碍。超低损耗光纤可以增大无中继传输距离，减少由于频繁中继放大带来的ASE噪声；采用大有效面积光纤可以显著提升系统的非线性容忍度，允许更高的入纤功率，以获取更高的OSNR，实现传输距离和传输容量的增大；空分复用技术使得少模光纤和多芯光纤成为链路技术的研究重点。
在模式复用[5]需要中，少模光纤的空间模式可以看做彼此平行的独立信道，但由于光纤制造过程中微扰误差和弯曲等原因，空间模式在传输过程中是彼此耦合的。少模光纤是指能够在工作波长上同时支持若干个独立正交模式的光纤，通过彼此正交的模式作为独立信道传输，获得更高的传输速率，模式之间会有一定的串扰，因此先进的数字信号处理技术成为该技术实用化的关键，数字信号处理算法的负责度取决于差分模式时延的大小。目前少模光纤的模式复用技术成为了学术届研究的重点。多芯光纤是指光纤内含有若干单模纤芯作为独立信道进行传输，可以通过增大纤芯间的距离来减小纤芯间的模式耦合，可以获得惊人的数据传输容量[6]。多芯光纤的缺点是外围的纤芯由于向包层耦合能量，会有更大的损耗，多芯光纤通常具有较大的包层直径，导致了光纤对弯曲敏感。从目前来看，少模光纤和多芯光纤都面临众多技术难题，目前只限于实验室前沿研究和演示验证，这些方案的实用化需要未来大规模光子集成技术的发展和先进数字信号处理技术的进步。
四、接收端技术
为了实现超100G技术，接收端的数字信号处理技术就显得尤为重要。目前，超100G的技术选择中基本全部采用相干检测，配合DSP技术，进行线性、非线性损伤的补偿。DP-QPSK的100G相干传输系统主要包括色散补偿，随后进行偏振模色散补偿，最后进行载波相位恢复，针对非线性畸变严重的系统还需要进行非线性补偿。接收的信号需要经过平衡探测器进行相干检测，经过相干检测的信号进行模数转换，采用传输方程反转的方法进行色度色散补偿，再利用CMA等进行偏振解复用，将偏振态的混叠去除，再利用信号处理算法进行载波相位恢复，线性损伤和非线性损伤的补偿通常都在载波相位补偿前完成。
光传输系统的最终容量限制就是由Kerr非线性效应和放大器的ASE噪声引起的。在非线性效应中，单信道传输的信号主要受自相位调制的影响，波分复用系统中的非线性畸变主要包括交叉相位调制和四波混频。非线性畸变的补偿通常采用DSP进行，光信号的非线性效应可以通过求解非线性薛定谔方程进行求解，这就意味着可以采用DSP进行畸变补偿，这就是著名的“反向传输法”，但算法复杂度较高。在目前的商业100G系统中，由于算法复杂度的原因，并没有进行非线性补偿，通常采用的办法是先进的色散管理和光OSNR控制，随着DSP处理能力的不断进步和对更大容量传输需求的不断增加，数字域非线性补偿显得尤为重要。 結论：本文着重分析了超100G光传送网物理层相关关键技术，提高光传输系统的容量，需要采用高阶调制格式，增大频谱效率；采用新型光纤，开发更多的复用自由度，成倍的增加传输容量；在相干检测后的数字信号处理采用更为先进的算法，配合非线性补偿，增加传输距离和容量。
参 考 文 献
[1]Winzer P. J，Gnauck A. H，Doerr C.R，et al. Spectrally Efficient Long Haul Optical Networking Using 112-Gb/s Polarization-Multiplexed 16-QAM[J]. Journal of Lightwave Technology， 2010， 28（4）： 547-556.
[2]Shieh W，Yang Q，Ma Y.107Gb/s coherent optical OFDM transmission over 1000-km SSMF fiber using orthogonal band multiplexing[J]. Opt Express， 2008， 16（9）： 6378-6386
[3]Omiya Tatsunori，Yoshida Masato，Nakazawa Masataka. 400 Gbit/s 256 QAM-OFDM transmission over 720 km with a 14 bit/s/Hz spectral efficiency by using high-resolution FDE[J]. Opt Express， 2013， 21（3）： 2632-2641
[4].R.-J. Essiambre， G. Kramer， P. J. Winzer，G. J. Foschini， and B. Goebel.Capacity limits of optical fiber networks， J. Lightw.Technol.， vol. 28， no. 4， pp. 662–701，Feb. 2010
[5]. S. Randel， R. Ryf， A. Sierra， P. J. Winzer， A. H. Ghanuck， C. A. Bolle， R.-J. Essiambre， D. W. Peckham， A. McCurdy， and R. Lingle， 6×56-Gb/s modedivision multiplexed transmission over 33-km few-mode fiber enabled by 6×6 MIMO equalization，Opt. Exp.， vol. 19， no. 17， pp. 16 601–16 611，Aug. 2011.
[6] J. Sakaguchi， Y. Awaji， N. Wada， A. Kanno， T. Kawanishi， T. Hayashi， T. Taru， T. Kobayashi， and M. Watanabe， 109-Tb/s（7×97×172-Gb/s SDM/WDM/ PDM）QPSK transmission through 16.8-km homogeneous multi-core fiber， presented at the Opt. Fiber Commun. Conf. （OFC），Los Angeles， CA， 2011， PDPB6.
【关键词】 100G DSP 少模光纤 多芯光纤 非线性补偿
一、引言
新世纪以来，互联网业务、移动通信的、移动互联网、物联网、云计算和大型数据中心等带宽消耗型业务不断增多，现代社会信息化进程的不断加快，在移动领域大量移动智能终端已经带来巨大数据需求，对各种带宽消耗型业务的承载网络——光网络的传送能力提出了越来越高的要求。单载波的网络需求已经从上世纪 90 年代的 100Mb/s 发展到现在的100Gb/s 的带宽需求，20 年间，网络需求提升了 1000 倍。长距离光网络自诞生之后的很 长一段时间内一直以超越摩尔定律的速度发展。现网的传送技术也正式进入到 100Gb/s 的时代， 2010 年， 100G 技术开始在世界范围内的运营商网络中大面积部署，更大数据需求的 400G 技术也正在酝酿，已经有部分国家部署单波400G光传送网。早在 2013 年，法国电信联合阿尔卡特朗讯（现诺基亚通信）共同建造了从法国巴黎到里昂的 400G 网络。未来光传送网的演进方向非常明确，一直迈向“超长距离、超大容量、超高速率”的三超不断迈进。相应的物理层技术同时发展，取得了众多突破性进展。包括开发更多的复用自由度，解决问题最直接的办法就是增加复用数，从发展初期的时分复用，到波分复用，密集波分复用、超快速时分复用和偏振复用等，到目前以模式复用和多芯光纤為代表的空分复用技术，经历了快速的发展；随着编码调制技术的发展，光调制格式也由以前的开关键控向高阶调制格式转变，如 M进制正交振幅调制M-QAM[1]，正交频分复用 OFDM[2]等，先进的调制格式为系统提供了更高的频谱效率和容错能力，如采用 256 QAM-OFDM 的光传输系统实现了 14bit/s/Hz 的超高频谱效率[3]。
本文从传输系统的发送端出发，就链路和接收端等超100G关键技术进行简要探究。
二、发送端技术
提升传输容量最直接的方法就是提高频谱效率，对于目前的100G数字相干光传送系统来说，采用双偏振-正交相移键控（DP-QPSK），配合相干检测和先进的数字信号处理技术，能够实现4bit/s/Hz的频谱效率，实现DP-QPSK调制的原理如图1所示。
为了实现更高的频谱效率，须利用更多的自由度信息，超100G传输技术可以利用双偏振M进制正交振幅调制，具有更好的频谱和功率效率。理论上更高进制的调制格式应该获得更大的频谱效率，但更高的调制格式使得信号星座图的欧氏距离越小，需要更高的OSNR保证误码率，随之导致非线性效应显著增强，逼近非线性香农极限[4]。因此，在超100G网络选取合适的调制格式，是必须解决的问题。目前400G传输大多采用基于超级信道的双载波16QAM调制格式，配合Nyquist滤波，可以避免采用更高调制格式带来的传输距离下降和DAC/ADC限制。
三、链路技术
随着DSP处理技术的不断进步，在超100G传输中，光纤的色散和偏振效应经不是主要考虑因素，光纤的损耗和非线性效应则成为制约超100G实现的重要障碍。超低损耗光纤可以增大无中继传输距离，减少由于频繁中继放大带来的ASE噪声；采用大有效面积光纤可以显著提升系统的非线性容忍度，允许更高的入纤功率，以获取更高的OSNR，实现传输距离和传输容量的增大；空分复用技术使得少模光纤和多芯光纤成为链路技术的研究重点。
在模式复用[5]需要中，少模光纤的空间模式可以看做彼此平行的独立信道，但由于光纤制造过程中微扰误差和弯曲等原因，空间模式在传输过程中是彼此耦合的。少模光纤是指能够在工作波长上同时支持若干个独立正交模式的光纤，通过彼此正交的模式作为独立信道传输，获得更高的传输速率，模式之间会有一定的串扰，因此先进的数字信号处理技术成为该技术实用化的关键，数字信号处理算法的负责度取决于差分模式时延的大小。目前少模光纤的模式复用技术成为了学术届研究的重点。多芯光纤是指光纤内含有若干单模纤芯作为独立信道进行传输，可以通过增大纤芯间的距离来减小纤芯间的模式耦合，可以获得惊人的数据传输容量[6]。多芯光纤的缺点是外围的纤芯由于向包层耦合能量，会有更大的损耗，多芯光纤通常具有较大的包层直径，导致了光纤对弯曲敏感。从目前来看，少模光纤和多芯光纤都面临众多技术难题，目前只限于实验室前沿研究和演示验证，这些方案的实用化需要未来大规模光子集成技术的发展和先进数字信号处理技术的进步。
四、接收端技术
为了实现超100G技术，接收端的数字信号处理技术就显得尤为重要。目前，超100G的技术选择中基本全部采用相干检测，配合DSP技术，进行线性、非线性损伤的补偿。DP-QPSK的100G相干传输系统主要包括色散补偿，随后进行偏振模色散补偿，最后进行载波相位恢复，针对非线性畸变严重的系统还需要进行非线性补偿。接收的信号需要经过平衡探测器进行相干检测，经过相干检测的信号进行模数转换，采用传输方程反转的方法进行色度色散补偿，再利用CMA等进行偏振解复用，将偏振态的混叠去除，再利用信号处理算法进行载波相位恢复，线性损伤和非线性损伤的补偿通常都在载波相位补偿前完成。
光传输系统的最终容量限制就是由Kerr非线性效应和放大器的ASE噪声引起的。在非线性效应中，单信道传输的信号主要受自相位调制的影响，波分复用系统中的非线性畸变主要包括交叉相位调制和四波混频。非线性畸变的补偿通常采用DSP进行，光信号的非线性效应可以通过求解非线性薛定谔方程进行求解，这就意味着可以采用DSP进行畸变补偿，这就是著名的“反向传输法”，但算法复杂度较高。在目前的商业100G系统中，由于算法复杂度的原因，并没有进行非线性补偿，通常采用的办法是先进的色散管理和光OSNR控制，随着DSP处理能力的不断进步和对更大容量传输需求的不断增加，数字域非线性补偿显得尤为重要。 結论：本文着重分析了超100G光传送网物理层相关关键技术，提高光传输系统的容量，需要采用高阶调制格式，增大频谱效率；采用新型光纤，开发更多的复用自由度，成倍的增加传输容量；在相干检测后的数字信号处理采用更为先进的算法，配合非线性补偿，增加传输距离和容量。
参 考 文 献
[1]Winzer P. J，Gnauck A. H，Doerr C.R，et al. Spectrally Efficient Long Haul Optical Networking Using 112-Gb/s Polarization-Multiplexed 16-QAM[J]. Journal of Lightwave Technology， 2010， 28（4）： 547-556.
[2]Shieh W，Yang Q，Ma Y.107Gb/s coherent optical OFDM transmission over 1000-km SSMF fiber using orthogonal band multiplexing[J]. Opt Express， 2008， 16（9）： 6378-6386
[3]Omiya Tatsunori，Yoshida Masato，Nakazawa Masataka. 400 Gbit/s 256 QAM-OFDM transmission over 720 km with a 14 bit/s/Hz spectral efficiency by using high-resolution FDE[J]. Opt Express， 2013， 21（3）： 2632-2641
[4].R.-J. Essiambre， G. Kramer， P. J. Winzer，G. J. Foschini， and B. Goebel.Capacity limits of optical fiber networks， J. Lightw.Technol.， vol. 28， no. 4， pp. 662–701，Feb. 2010
[5]. S. Randel， R. Ryf， A. Sierra， P. J. Winzer， A. H. Ghanuck， C. A. Bolle， R.-J. Essiambre， D. W. Peckham， A. McCurdy， and R. Lingle， 6×56-Gb/s modedivision multiplexed transmission over 33-km few-mode fiber enabled by 6×6 MIMO equalization，Opt. Exp.， vol. 19， no. 17， pp. 16 601–16 611，Aug. 2011.
[6] J. Sakaguchi， Y. Awaji， N. Wada， A. Kanno， T. Kawanishi， T. Hayashi， T. Taru， T. Kobayashi， and M. Watanabe， 109-Tb/s（7×97×172-Gb/s SDM/WDM/ PDM）QPSK transmission through 16.8-km homogeneous multi-core fiber， presented at the Opt. Fiber Commun. Conf. （OFC），Los Angeles， CA， 2011， PDPB6.