基于PM-16QAM雙載波400G光傳輸鏈路仿真分析*

1 引言

超高超大容量和超長傳輸距離是光纖骨干傳輸網(wǎng)的發(fā)展方向[1-3]。移動互聯(lián)網(wǎng)、云計算、4K視頻、VR/AR以及物聯(lián)網(wǎng)等業(yè)務(wù)快速發(fā)展，我國在2016年4G用戶就已經(jīng)超過5.5億戶，家庭寬帶用戶超過2.5億戶，5G網(wǎng)絡(luò)也即將商用，為此運營商必須加快建設(shè)光傳輸以滿足日益增加的帶寬需求。目前，100G光傳輸技術(shù)在2015年已經(jīng)實現(xiàn)了大規(guī)模的商用，但是，100G光傳輸網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)已經(jīng)難以滿足信息技術(shù)在延遲、帶寬、速度等方面日益增長的需求。為了推動400G光傳輸技術(shù)快速發(fā)展，ITU-T、IEEE和OIF等國際標(biāo)準(zhǔn)組織都在積極推動400Gb/s的標(biāo)準(zhǔn)化工作，已經(jīng)正式發(fā)布了G.709《OTN接口標(biāo)準(zhǔn)（5.0版）》、RS-FEC短距離FlexO-SR標(biāo)準(zhǔn)（G.7091）以及長距離FlexO-LR標(biāo)準(zhǔn)（G.709.3）等標(biāo)準(zhǔn)[4,5]。國內(nèi)CCSA傳送網(wǎng)和接入網(wǎng)技術(shù)工作委員會發(fā)布了《N×400G WDM系統(tǒng)技術(shù)要求》行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[6]。400G光傳輸方案主要有四載波PM-QPSK、雙載波PM-16QAM、單載波PM-64QAM等，其中雙載波PM-16QAM方案是業(yè)界主流實現(xiàn)方式。

進入400G領(lǐng)域，相干光通信系統(tǒng)對色散、損耗等因素具有更高的要求，為了研究色度色散和偏振模色散對光信號的影響，本文利用Lumerical INTERCONNECT仿真軟件，構(gòu)建基于PM-16 QAM相干光通信仿真系統(tǒng)，采用DD-MZM器件構(gòu)建PM-16 QAM發(fā)射端，基于PM-16 QAM雙載波400 G光相干傳輸仿真系統(tǒng)，對傳輸鏈路中存在的色散和偏振模色散對傳輸信號的影響進行模擬分析。

2 基于PM-16QAM 400G相干光通信仿真系統(tǒng)

在相干光通信系統(tǒng)中，通過發(fā)射端將傳輸信號調(diào)制到載波上，在通過傳輸鏈路傳輸?shù)浇邮斩硕诉M行解調(diào)從而獲得輸入信號。PM-16QAM屬于高階碼型調(diào)制格式，可以將4bit信號映射到一個符號上，產(chǎn)生16個符號具有3中不同的振幅和13中不同的相位，波特率僅是符號速率的1/4，是QPSK調(diào)制的1/2，在實現(xiàn)較高頻譜效率的同時，降低了對電子器件的工藝水平和速率的要求。有文獻研究表明，在相同的信噪比條件下，16 QAM調(diào)制信號的誤碼率比QPSK和8 QAM的誤碼率更低，并且在誤碼率為10-3級別的條件下，16QAM的光信噪比為15.2 dB，而QPSK和8 QAM的光信噪比只有6.4 dB和11.8 dB[7]。本文利用Lumerical INTERCONNECT仿真軟件構(gòu)建基于PM-16 QAM 400 G相干光通信仿真系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 1400G PM-16QAM相干光傳輸仿真系統(tǒng)框圖

在該仿真系統(tǒng)中，選用具有高電光效率、低損耗、啁啾可調(diào)以及驅(qū)動電壓低等優(yōu)勢是的雙驅(qū)馬赫曾德爾調(diào)制器（Dual-Drive Mach-Zehnder，DD-MZM）進行光信號調(diào)制，用于產(chǎn)生PM-16QAM調(diào)制信號。對于DD-MZM調(diào)制而言，其輸入和輸出光信號間的關(guān)系可以描述為：

其中Vπ為半波電壓，與信號本身和調(diào)制器相關(guān)，V1和V2分別為分別加載在DD-MZM調(diào)制器兩個支路上的電壓。DD-MZM作為一種非線性調(diào)制器，為了盡可能減少信號失真和誤碼率，提高調(diào)制質(zhì)量，盡量把調(diào)節(jié)信號峰值和偏置電壓置于線性度較高的區(qū)域。

3 傳輸鏈路仿真分析

在高速相干光通信系統(tǒng)中，以光纖作為信號傳輸媒介，在信號傳輸過程中會存在許多的損傷，如色散和非線性效應(yīng)等，這些損耗會使得光信號發(fā)生劣化和畸變，降低通信質(zhì)量和系統(tǒng)可靠性。隨著摻鉺放大器（EDFA）的使用，光信號損耗的問題基本得到了解決。因此，本文主要基于400G相干光通信仿真系統(tǒng)，研究分析隨著傳輸速率的提升，色散和偏振模色散對信號質(zhì)量的影響，為提出相關(guān)補償算法提供理論指導(dǎo)。

在實際過程應(yīng)用中，通常采用色散系數(shù)D描述光纖中存在的色散效應(yīng)，其定義為單位波長間隔內(nèi)各頻率信號經(jīng)過單位長度光纖所產(chǎn)生的色散，單位為ps/nm/km， 其數(shù)學(xué)描述為[8,9]：

其中β和λ分別為光信號的相位常數(shù)和波長；c為光信號傳輸速度。色度色散主要包括材料色散和波導(dǎo)色散：

其中，Dm為材料色散系數(shù)，Dω為波導(dǎo)色散系數(shù)，光纖的材料色散與光纖群速度以及波長間的關(guān)系為：

在高速光通信系統(tǒng)中，色散效應(yīng)與光信號頻率和相位常數(shù)以及光纖材料等因素直接相關(guān)。在仿真系統(tǒng)中主要參數(shù)設(shè)置如下：在該仿真系統(tǒng)中使用的主要參數(shù)如下：激光頻率為193.1 THz，功率為10 dBm，線寬為0，光放大器增益為20 dB，OSNR為18 dB，樣本數(shù)為65 530，比特速率為200 Gbit/s，采用的光纖系列為G.654E?；?00G相干光傳輸仿真系統(tǒng)，對在不同傳輸速率下，色散對PM-16QAM調(diào)制信號的影響進行了分析，如圖2所示。對圖2分析可知，在相同傳輸距離條件下，隨著光信號速率的增加，光信號的色度色散效應(yīng)越來越大，信號質(zhì)量劣化越嚴(yán)重，調(diào)制信號的星座圖也越來越模糊。由此可見，在400G相干光傳輸系統(tǒng)中對于色度色散補償方案具有更高的要求。

圖2 不同傳輸速率下的PM-16QAM星座圖

隨著相干光通信系統(tǒng)傳輸速率的提升，信號的偏振模色散效應(yīng)更為突出，為了能夠更加明確偏振色散對光信號質(zhì)量的影響，本文對PM-16QAM 400G相干光傳輸系統(tǒng)中偏振模色散效應(yīng)進行研究分析。偏振模色散是由于光纖存在雙折射效應(yīng)導(dǎo)致不同模式傳播速度不一致造成脈沖展寬一種現(xiàn)象[10,11]。在實踐中，通常采用兩個模式間的差分時延描述偏振模色散。偏振模色散定義為單位長度光纖的傳輸時延，若假設(shè)光纖入射信號X、Y偏振態(tài)電場分別為Einx，Einy經(jīng)過在傳輸L出纖光場為Eoutx、Eouty則有：

其中T為光纖中偏振態(tài)頻率響應(yīng)為：

其中θ和Δτ分別為整段光纖等效的旋轉(zhuǎn)角和延時差，由此可見，偏振模色散是與時間相關(guān)的。

圖3 不同速率下偏振模色散對PM-16QAM信號的影響

基于PM-16QAM 400G相干光通信仿真系統(tǒng)，相關(guān)參數(shù)設(shè)置如下：OSNR為18 dB，L=30 km，D=10 ps/nm/km；在不同傳輸速率條件下，研究分析了偏振模色散對PM-16QAM信號星座圖的影響，仿真結(jié)果如圖2所示。對圖3分析可知，偏振模色散所引起的差分群時延會導(dǎo)致信號星座圖發(fā)生旋轉(zhuǎn)，而旋轉(zhuǎn)的程度隨著信號傳輸速度的增加而增加，因此，對于400G相干光通信系統(tǒng)，對于偏振模色散是非常敏感的，要求所使用的光纖要求具有更加優(yōu)異的性能，另一方面，對偏振模色散補償算法提出更高的要求。

3 結(jié)束語

本文利用Lumerical INTERCONNECT仿真軟件建立PM-16QAM雙載波400G相干光傳輸仿真系統(tǒng)，研究分析了在不同傳輸速率和相同傳輸距離下，色度色散和偏振模色散對調(diào)制信號的影響，為電域色散補償算法提供驗證平臺和計算基礎(chǔ)。在下一步工作中，基于該仿真系統(tǒng)，并利用Lumerical INTERCONNECT與MATLAB間的接口，采用INTERCONNECT與MATLAB聯(lián)合仿真，對電域色散補償算法進行仿真分析和實驗驗證。

4 致謝

本論文研究內(nèi)容由國家自然基金項目（NO.61764002）和廣西自然科學(xué)基金面上項目（NO.2017GXNSFAA198282）資助。