高速長(zhǎng)距離光傳輸系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究與仿真實(shí)現(xiàn)

李鳳勤,束俊峰

(1.上海電力學(xué)院計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院,上海 200090;2.安徽省蕪湖市供電公司 50萬(wàn)伏變電工區(qū),安徽蕪湖 241000)

近年來(lái),隨著各種新的通信業(yè)務(wù)的不斷涌現(xiàn)和應(yīng)用,如視頻點(diǎn)播、視頻會(huì)議、高清晰度電視、手機(jī)上網(wǎng)等,對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)的帶寬和速率的要求也與日俱增,以 10 Gb/s為基礎(chǔ)的現(xiàn)有波分復(fù)用(WDM)骨干網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)顯得力不從心,以 40 Gb/s乃至 100 Gb/s為基礎(chǔ)的光 WDM傳輸系統(tǒng)將成為未來(lái)光傳輸網(wǎng)的發(fā)展方向.

1 光傳輸系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

40 Gb/s高速傳輸系統(tǒng)的容量相對(duì)于 10 Gb/s提高了 4倍,但色散、非線性等問(wèn)題對(duì)系統(tǒng)性能的影響也更加嚴(yán)重,必須采用一些關(guān)鍵技術(shù),如調(diào)制技術(shù)、色散補(bǔ)償技術(shù)、放大技術(shù)、糾錯(cuò)編碼技術(shù)等,才能使 40 Gb/s高速長(zhǎng)距離光纖傳輸系統(tǒng)的實(shí)用化成為可能.

1.1 光調(diào)制技術(shù)

光調(diào)制技術(shù)是指選擇合適的線路碼型進(jìn)行傳輸?shù)募夹g(shù).一方面,由于不同碼型對(duì)線路中不同的損傷有著各自的抵抗力,根據(jù)各系統(tǒng)的不同特點(diǎn),選擇合適的傳輸碼型將有效增加系統(tǒng)的性能.另一方面,對(duì)光調(diào)制格式的升級(jí)只需在系統(tǒng)兩端進(jìn)行,不涉及已有傳輸線路的改動(dòng),可大大降低系統(tǒng)的升級(jí)成本.因此,近年來(lái)對(duì)于 DWDM系統(tǒng)中光調(diào)制格式的研究已成為熱點(diǎn)之一.光調(diào)制技術(shù)首先要選擇合適的調(diào)制方式和調(diào)制器件.

1.1.1 調(diào)制方式

光傳輸系統(tǒng)的調(diào)制方式可分為直接調(diào)制和間接調(diào)制兩種.直接調(diào)制是由電信號(hào)直接控制光源,間接調(diào)制則是光源連續(xù)發(fā)光,電信號(hào)通過(guò)外調(diào)制器控制光信號(hào)的通斷.

直接調(diào)制方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低,但性能不夠穩(wěn)定,且不能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜調(diào)制,在 2.5 Gb/s及以下系統(tǒng)中應(yīng)用較多.間接調(diào)制根據(jù)實(shí)現(xiàn)的原理不同又可分為電吸收(EA)調(diào)制器和采用馬赫-曾德?tīng)?MZ)干涉型調(diào)制器兩類(lèi).EA調(diào)制器是通過(guò)電信號(hào)控制外調(diào)制器的吸收光譜實(shí)現(xiàn)光信號(hào)的通斷,MZ調(diào)制器是通過(guò)相干光的干涉效應(yīng)實(shí)現(xiàn)光信號(hào)的相位控制,從而實(shí)現(xiàn)光信號(hào)的通斷.總的來(lái)說(shuō),MZ調(diào)制器可實(shí)現(xiàn)對(duì)光信號(hào)更精細(xì)的控制,超高速、超長(zhǎng)距離系統(tǒng)多采用間接調(diào)制方式和 MZ調(diào)制器.

1.1.2 調(diào)制格式

在所有調(diào)制格式中,應(yīng)用最廣泛、最成熟的是不歸零(NRZ)碼幅度調(diào)制.這種調(diào)制格式實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、成本低、頻譜效率較高,適用于低速短距離的傳輸環(huán)境.但因具有定時(shí)含量不豐富、系統(tǒng)信噪比較低、對(duì)非線性和一階 PMD較敏感等缺點(diǎn),不能有效地抵抗色散、非線性和噪音的影響,不適宜在高速長(zhǎng)途光傳輸系統(tǒng)中使用.

目前,許多新型調(diào)制格式不斷出現(xiàn),主要分為基于幅度調(diào)制和基于相位調(diào)制兩類(lèi).基于幅度調(diào)制的新型調(diào)制格式如歸零碼(RZ)、啁啾歸零碼(CRZ)、載頻抑制歸零碼(CSRZ)等.基于相位調(diào)制的新型調(diào)制格式如差分相移鍵控碼(DPSK)、差分正交相移鍵控碼(DQPSK)和差分 8級(jí)相移鍵控調(diào)制碼(8-DPSK)等.

基于幅度調(diào)制的幾種碼型各有特點(diǎn).RZ碼每個(gè)碼元?dú)w零,占空比較低,所以平均光功率較低,抵抗非線性效應(yīng)和偏振模色散(PMD)的能力較強(qiáng),有利于時(shí)鐘的恢復(fù).但 RZ碼頻譜較寬,對(duì)色散容忍度較差,故系統(tǒng)要求更加復(fù)雜的色散管理.CRZ碼采用在初始脈沖上加啁啾的方式,能抵消傳輸過(guò)程中由于色散和非線性帶來(lái)的啁啾,能提高傳輸系統(tǒng)的性能.但 CRZ的光譜較寬,限制了對(duì)殘余色散的容忍度,并且它對(duì)定時(shí)和時(shí)延要求很高,調(diào)制較為復(fù)雜,成本較高.CSRZ碼由于采用相鄰碼間脈沖相位反相傳輸,使得整個(gè)傳輸碼的平均載波量為零,因此既可抑制載波又能降低光譜寬度,在功率較高的情況下,不但增加了色散容限,而且有更強(qiáng)的抵抗 SPM和 FWM等光纖非線性效應(yīng)的能力.

基于相位調(diào)制原理的光調(diào)制是將所要傳輸?shù)男畔⒄{(diào)制到光信號(hào)的相位上,使得通信系統(tǒng)的距離更長(zhǎng),并減少對(duì)光功率的要求.這種調(diào)制方式性能上比基于幅度調(diào)制的光調(diào)制要好,但調(diào)制和解調(diào)實(shí)現(xiàn)起來(lái)較為復(fù)雜.

將偏振復(fù)用技術(shù)和 QPSK結(jié)合起來(lái)的DPQPSK等各種新型碼型也在研究中,這種調(diào)制格式對(duì) PMD和非線性等傳輸損傷的容忍度更高,為將來(lái) 100Gb/s甚至 160 Gb/s的超高速光纖傳輸系統(tǒng)提供了更好的調(diào)制方式.

1.2 色散補(bǔ)償技術(shù)

色散會(huì)引起脈沖展寬,當(dāng)信號(hào)速率為 40 Gb/s時(shí),色散容限降為 10 Gb/s系統(tǒng)的 1/16,被認(rèn)為是限制高速長(zhǎng)途光纖通信系統(tǒng)性能的主要因素,因此必須采用適當(dāng)?shù)纳⒀a(bǔ)償技術(shù).

色散分為色度色散與偏振色散(PMD)兩大類(lèi).對(duì)于偏振色散,相應(yīng)的補(bǔ)償技術(shù)商用的很少,主要是通過(guò)使用 PMD系數(shù)較低的光纖實(shí)現(xiàn)的.通過(guò)大量測(cè)試顯示,我國(guó)大部分地區(qū)敷設(shè)的多數(shù)光纜的 PMD性能都能滿足 40 Gb/s的傳輸要求,因此我國(guó)光纜線路的偏振色散不再是主要障礙.對(duì)于色度色散,主要是通過(guò)色散補(bǔ)償光纖(DCF)或光纖布喇格光柵(FBG)實(shí)現(xiàn)的.

利用 DCF進(jìn)行色散補(bǔ)償是目前應(yīng)用最多的補(bǔ)償方案,由于色散補(bǔ)償光纖具有負(fù)色散系數(shù),可以抵消由常規(guī)光纖造成的色散.DCF結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、技術(shù)成熟,但缺點(diǎn)是降低了光纖的有效截面積,增加了傳輸損耗,并影響了非線性效應(yīng).

利用 FBG進(jìn)行色散補(bǔ)償是使不同波長(zhǎng)的光經(jīng)歷不同的傳輸路徑,傳輸速度快的波長(zhǎng)在光柵中通過(guò)較長(zhǎng)的距離,而速度慢的波長(zhǎng)則經(jīng)歷較短的距離.FBG具有插入損耗低、無(wú)非線性效應(yīng)等特點(diǎn),可以作為 DCF的替代方案.

當(dāng)信號(hào)速率較低時(shí),采用固定色散補(bǔ)償即可,而隨著信號(hào)速率的提高、系統(tǒng)信道數(shù)目的增多,系統(tǒng)對(duì)一些時(shí)變參數(shù)的微小變化都會(huì)比較敏感,如器件的老化、路由的變化等,因此需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行可調(diào)的色散補(bǔ)償.此外,由于光纖的色散隨波長(zhǎng)的不同而不同,色散補(bǔ)償時(shí)還需注意殘留色散問(wèn)題,需要采用色散斜率補(bǔ)償.目前的研究主要有基于DCF或 FBGs的固定斜率補(bǔ)償、虛擬成像相位陣列斜率匹配和基于 FBG的可調(diào)斜率補(bǔ)償技術(shù)等.

1.3 光放大技術(shù)

光放大器主要用來(lái)補(bǔ)償光纖傳輸及鏈路中其他器件的插入損耗對(duì)光信號(hào)的衰減.高速光纖傳輸系統(tǒng)及其 DWDM技術(shù)這幾年之所以發(fā)展迅速,主要得益于光放大器的成功研制和廣泛應(yīng)用.

最早商用化的放大器是摻餌光纖放大器(EDFA),EDFA具有低噪音、高增益的特點(diǎn),但對(duì)于高速長(zhǎng)距離 WDM系統(tǒng)來(lái)說(shuō),EDFA的集總式放大容易引起四波混頻(FWM)和受激布里淵散射(SBS)等非線性效應(yīng);EDFA級(jí)聯(lián)使用時(shí),線路ASE噪音積累嚴(yán)重,并且?guī)?nèi)增益起伏也不斷累積,這會(huì)大大降低信號(hào)的光信噪比(OSNR);EDFA放大帶寬的限制也影響了其在密集波分復(fù)用中的應(yīng)用.

在 WDM系統(tǒng)中,分布式拉曼放大器(FRA)得到了廣泛應(yīng)用.FRA具有串?dāng)_小、頻譜范圍寬、噪音指數(shù)低,以及線路傳輸?shù)脑胍舴e累較小等特點(diǎn),并且 FRA是對(duì)信號(hào)進(jìn)行在線放大,使得信號(hào)的入纖功率可以較小,從而降低了非線性損傷.但FRA的泵浦效率偏低,增益偏小,這也限制了WDM的傳輸距離.

目前,高速長(zhǎng)距離的 WDM系統(tǒng)中大多采用EDFA和 FRA的混合放大方式,通過(guò)合理配置EDFA和 FRA的參數(shù)構(gòu)成的混合放大器在降低噪音水平、提高增益、減小非線性損傷和放大帶寬等方面都具有很大的優(yōu)勢(shì).

2 系統(tǒng)仿真實(shí)現(xiàn)

本文結(jié)合上述關(guān)鍵技術(shù),采用 Optisystem進(jìn)行了 40 Gb/s的長(zhǎng)距離光傳輸系統(tǒng)仿真,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 1所示.圖 1中共 8個(gè)信道,中心頻率為193.1 THz,信道間隔為 50GHz,采用間接調(diào)制的MZ調(diào)制器,傳輸碼型為 CSRZ碼.CSRZ碼的具體調(diào)制方式如圖 2所示.對(duì)圖 2中的 8個(gè)信道分別進(jìn)行調(diào)制,最后封裝成 Subsystem,也就是說(shuō),經(jīng)Subsystem輸出的是調(diào)制后的 8個(gè)光信號(hào).

圖1 40 Gbit/s光傳輸系統(tǒng)仿真結(jié)構(gòu)

輸出信號(hào)經(jīng)波分復(fù)用器復(fù)用后進(jìn)入同一根光纖傳輸,先經(jīng)增益為 10 dB的 EDFA進(jìn)行前向放大,再經(jīng)長(zhǎng)度為 20 km的 DCF進(jìn)行預(yù)色散補(bǔ)償,隨后經(jīng)增益為 20 dB的 EDFA放大后,接長(zhǎng)度為120 km的 SMF,再經(jīng)泵浦波長(zhǎng)為 1 450 nm,功率為 800mW的 RFA進(jìn)行后向泵浦放大.采用后向放大的原因在于該放大方式的泵浦效率更高,且和前面的 EDFA相互補(bǔ)充,線路中任何一點(diǎn)的總信號(hào)功率不會(huì)過(guò)大,可降低非線性效應(yīng).再接增益為 10 dB的 EDFA進(jìn)行放大,如此循環(huán)多次.最后經(jīng) WDM解復(fù)用出每個(gè)信道的光信號(hào),分別經(jīng)探測(cè)器進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換,再經(jīng)濾波器、再生器輸出.

圖2 CSRZ調(diào)制結(jié)構(gòu)

CSRZ頻譜圖如圖 3所示.系統(tǒng)輸出端第一個(gè)信道的信號(hào)眼圖如圖 4所示.

圖3 CSRZ碼頻譜示意

圖4 接收端眼示意

由圖 3可知,其頻譜寬度較窄,且在載波處無(wú)分量,具有很好的色散容限和較強(qiáng)的抗非線性能力.由圖 4可知,其眼圖清晰,畸變很小.

因此,由仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知,系統(tǒng)使用的新型CSRZ調(diào)制格式,可以降低系統(tǒng)對(duì)色散和非線性以及信噪比的容限;通過(guò) DCF進(jìn)行色散補(bǔ)償,并使用 EDFA和 FRA進(jìn)行混合放大后,可以降低噪音干擾;經(jīng)優(yōu)化調(diào)制,傳輸距離可達(dá) 840 km,Q值達(dá) 10,滿足預(yù)定要求.

3 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)高速長(zhǎng)距離傳輸系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了探討,并用 Optisystem軟件仿真模擬了高速光纖通信傳輸系統(tǒng),為實(shí)際應(yīng)用提供一定的參考.應(yīng)用于 40 Gbit/s或 100 Gbit/s傳輸系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)還有很多,如糾錯(cuò)編碼技術(shù)、均衡技術(shù)和高性能的光源和光接收機(jī)的使用等.相信隨著新技術(shù)的不斷突破和成熟,骨干網(wǎng)長(zhǎng)途 WDM傳輸系統(tǒng)從 10 Gbit/s到 40 Gbit/s或 100 Gbit/s的升級(jí)將刻不容緩.

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