40Gb/s DWDM传送使能技术及进展分析(上)

duckweed · 发表于 2003-6-16 18:12:00

伍浩成罗青松
中国电子科技集团公司第三十四研究所

2.6 40Gb/s Transponder技术

Transponder是将波分复用(DWDM)光发射器和光接收器集成为一个高度密集的光电模块，就象一个电子元件，可以直接插入系统制造商的电路板中，与电路板的接口则通过电复用／解复用技术转变成为多路低速信号。和现今的光收发器(Transceiver)相比，最大区别是光收发器只是属于模组层次，而Transponder则属于光通信次系统。40Gb/s Transponder将40Gb/s的信号转化成多路的低速信号，缓解了传输系统的高速设计压力，已成为40Gb/s传输系统设计十分重要技术使能，并面临技术、复杂度及密集度三方面的巨大挑战。图3示出一种可能的基于10Gb/s业务接口、具有数字包封及FEC功能、SDH复用、新型的40Gb/s Transponder结构。
在光前端设备中，40Gb/s的PIN和互阻跨导放大器(TIA)已走出实验室，部分公司已开始少量供货，进一步的设计压力将是如何将40Gb/s的PIN和TIA集成到一起，以提高灵敏度并尽可能地降低成本和尺寸。光调制器在40Gb/s的Transponder中扮演将40Gb/s电信号转换为光信号的重要角色，所欣的是，目前基于LiNbO3马赫-曾德尔型调制器和电吸收调制器(EAM)的40Gb/s光调制器已率先开始商用，其中LiNbO3马赫-曾德尔型调制器需要大于5VVp-p的驱动电压，而EAM的调制电压约为2.5VVp-p，且LiNbO3 马赫-曾德尔型调制器要比EAM具有更低的插入损耗。

各类高速器件的需求，如复用/解复用、43Gb/s数字包封、时钟及数据恢复芯片等，这些芯片需要在物理极限速率下可靠工作，的确给40Gb/s的材料设计带来了一个崭新课题。对于40Gb/s Transponder最为关键和难度最大的复用/解复用(含CDR)和驱动放大器来说，尽管目前SiGe可用作43Gb/s的复用/解复用器(包含CDR功能)、驱动放大器的材料。但从下一步的发展分析，看来可能需要采用InP材料。InP属于半导体Ⅲ-Ⅴ族成员，这种材料具有电压低，功耗低，尺寸小等特色，可以小于1mm2，电光效应比其他材料都强，而且可以用来构成各种有源和无源的集成器件。
在业务接口问题上，近期的一种可能是提供4个10Gb/s的接口，而最终则可能是10Gb/s、40Gb/s短距离(SR)或甚端距离(VSR)接口、10GE和40GE等之间的一种或混合，其重大挑战是如何把这些业务接口模块低成本地进行高密度集成。

3、40Gb/s DWDM传送系统方案

从目前情况分析，对于40Gb/s的光传送系统，可以作如下分类：
(1) 超高容量(UHC)-长距离(LH)系统；
(2) 超高容量(UHC)-扩展长距离(ELH)/超长距离(ULH)系统；
(3) 40Gb/s超高容量无中继传输系统。
图4给出了10Gb/s DWDM系统向40Gb/s扩展的基本系统结构，其中(a)对应于传输距离小于1000km的LH-UPC系统，(b)对应于ELH/ULH-UPC系统。在同一系统内，两种结构均允许支持10Gb/s ELH/ULH和40Gb/s LH通道。对40Gb/s的光终端设备均配置FEC设备，以改善系统性能。
在已敷设的中等PMD标准单模光纤上，第一类系统的传输距离最大约为1000km，典型距离为500-800km。根据第二节对PMD的讨论不难看出，对于该类系统，可以省去昂贵的PMD补偿器，而可调色散补偿器则可采用简单的固定色散补偿设备取代。
在40Gb/s的线路速率下，色散、自相位调制(SPM)、交叉相位调制(XPM)、四波混频(FWM)和PMD等将严重地制约无再生中继距离，因此，对于第二类系统(ELH/ULH-UPC系统)，如图4(b)所示，对其实施PMD补偿、色散及色散斜率补偿是非常必要的。
第三类系统（高容量无中继光传输系统）一直受到大电信设备商关注，鉴于国内这方面处于起步阶段，报道不多，笔者在此做一个简要介绍。借助于远泵放大技术和先进的光纤技术，2.5Gb/s、527km的无中继距离已得到实验验证，NEC、阿尔卡特公司分别可以提供350km、400km的无中继应用系统。在OFC2001会议中，阿尔卡特公司报道了100′10Gb/s、总传输容量1Tb/s的无中继传输系统，其无中继距离达到350km。ECOC2002的一篇文章报导了320×10Gb/s、310km的无中继传输实验。由阿尔卡特公司组建的凯门岛和牙买加之间的光纤海缆系统，综合利用了远泵放大、前向纠错(FEC)和纯硅芯光纤等先进的技术，成功地实现了350km的无中继传输应用。目前，无中继光缆系统被大量地应用到如下几个方面：1、陆地网络和岛屿之间的通信连接；2、岛屿和岛屿之间的通信连接；3、沿海岸线的短距离海底光缆，也被称为花边形系统。并可为这些区域建立大容量的通信连接提供低成本的解决方案。近年，其市场得到了戏曲性的增长。据美国IGI统计，目前已安装的约有180套，估计到2005将多于500套，是光通信的另一个潜在市场。
限于各方面的技术原因，直至最近，超高容量无中继传输通道速率才从10Gb/s跨向40Gb/s，且其无中继传输距离在300km以上。图5给出了ECOC2001报道的一个传输距离最长的40Gb/s高容量无中继系统配置。如图5所示，整个线路系统由两段98km的Aeff扩大正色散光纤（EE-PDF、Aeff为175mm2、色散为+22ps/nm/km）和一段110km的非零色散位移光纤(NZ-DSF，Aeff为55mm2、色散为-2ps/nm/km)构成，具有4W功率输出的1480nm泵源用于为远泵EDFA提供能源。据报道，经306km的传输后，系统的平均Q值为15.9dB，各通道Q系数的最差值不低于15.6dB。

4、40Gb/s与10Gb/s传输比较

4.1 40Gb/s的光信噪比分析

光信噪比是一个十分重要的参数，对估算和测量系统的误码性能和实际工程设计和维护有着十分重要的意义。通道信号的光信噪比定义为特定带宽范围内（通常取0.1nm）通道信号功率与噪声功率的比值，其数值表达为：。对于商用40Gb/s传输系统来说，已存在的光纤平台带来的传输损伤，发射机、接收机、放大器的增益波动及累积带来的波形失真，期望的系统寿命内设备及光纤平台的老化以及不同设备的制作余量等，要求提供更足够的OSNR余量。从理论的角度来分析，在10-15的比特误码率的情况下，为维持相同的噪声性能，40Gb/s的OSNR要在10Gb/s的基础上提高6dB。实际上，考虑高电子带宽的光接收器及在40Gb/s情况下的传输损伤更为严重，特别是在已存在的光纤平台(如SMF-28)上传输40Gb/s的信号。对于包含光放大器的40Gb/s的长距离DWDM传输，若要达到与10Gb/s相同的传输距离如3000km以上，如何为系统提供充足的OSNR仍面临巨大挑战。40Gb/s能如愿吗？我们不妨考虑如下事实，如果采用同一基础设施（即采用相同的中继器和色散离散补偿光纤等）同时支持10Gb/s和40Gb/s传输的商用密集波分复用（DWDM）产品，则从理论上看，10G系统的传输距离约为4000公里，而40G的传输距离约为1000公里。而1000公里实际上已经超出了现有第二代10Gb/s DWDM系统的无再生传输距离，而这也正是40G技术得以充分发挥其潜力的巨大的应用空间。在此，40G技术将凭借所需光接口数量仅为10G技术所需电子和光部件数量四分之一的优势，向世人展示其用武之地。

4.2 谱效率分析

目前商用的DWDM系统的谱效率约为0.2bit/s/Hz，采用40Gb/s传输是提高谱效率的一种可行的选择，已报道的实验水平已接近奈奎斯特极限(1bit/s/Hz)。表四给出了谱效率从0.2向0.4、0.8bit/s/Hz进展的可行的技术方案。可以看出，减少通道间隔是提高谱效率一种有效方案，但最新的实验进展表明，要达到0.8bit/s/Hz的谱效率（10Gb/s @ 12.5GHz、40Gb/s @ 50GHz），由于非线性限制，尚需取得进一步的技术突破。另外，新的调制技术和复用技术将成为提高谱效率的另一个技术补充，如采用偏振复用可使谱效率加倍。

如何比较同等容量下10G系统与40G系统的传输距离呢？假定两种系统具有相同的频谱效率（0.8bit/s/Hz），那么40G系统的信道频率间隔将为50GHz，而10G系统的信道频率间隔将为12.5GHz。问题是，信道间的非线性效应与信道频率间隔成反比，这意味着非线性效应对10G系统的影响至少是40G系统的四倍，最终可能导致10G系统的传输距离被限制在1,000公里范围之内。随着技术的成熟，40Gb/s系统的传输距离还将继续提高，相比之下，间隔狭小的10G技术对长途通信网来说可能存在更大的技术挑战。

4.3 40Gb/s与10Gb/s传输系统组建成本比较

普遍的共识是，运营商并不关心40Gb/s或10Gb/s的线路速率，而是追求每比特每公里成本的下降，他们更关心的是如何获得完全可靠的、可管理的网络和尽量降低传输成本。因此，只有当40Gb/s技术的成本降至10Gb/s技术的四倍以下时才会获得考虑。尽管目前有厂家以宣称一个40Gb/s的Transponder已降低到四个10Gb/s Transponder成本以下，但从系统的角度来分析， 40Gb/s传输系统的成本究竟如何？
在放大器跨距为100km、传输距离分别为500km和1000km情况下，图6给出了40Gb/s、100GHz通道间隔和10Gb/s、50Gb/s DWDM传输系统之间的成本比较。对于500km的传输距离，如图实线所示，采用40Gb/s通常可以节省约20%-35%的成本，特别是当容量超过800Gb/s时，约可以节省40%，这是由于40Gb/s具有高的谱效率，而10Gb/s则需要向L波段扩展，因此需要配置L波段光放大器和额外的光复用/解复用设备。对于1000km的传输距离，如图虚线所示，由于40Gb/s的系统需要使用昂贵的拉曼光放大器来改善系统性能，因此，在低容量的情况下，40Gb/s的经济性不如10Gb/s，但随着容量的提升，10Gb/s的经济性逐渐增强，特别是当系统容量超过250-300Gb/s时，40Gb/s的经济性要胜出10Gb/s。

4.4 其他

和10Gb/s传输相比较，40Gb/s只用一个网元代替了四个网元，很显然，这会降低网络操作、管理及维护(OAM)的成本、复杂性以及备件的数量，增强了网络的灵巧性。此外，设备数量的减少还会带来其他优势，如耗电少、设备的物理尺寸紧凑等。

5、结论

强壮的FEC编码、拉曼光放大、调制格式、PMD和色散补偿及40Gb/s Transponder设备等使能技术，一方面可改善系统噪声性能并提高系统色散容限，另一方面，也提供了一种低比特传输成本的方案。在网络的进程中，核心网带宽必需大于来自周边任一信号之带宽，数据网设备逐步采用10Gb/s接口时核心网则需升级至40Gb/s，以便于更加灵活有效地提供服务。笔者相信，随着40Gb/s设备成本的继续下降，40Gb/s有必将成为新一代低成本高容量系统的选择。但在发展40Gb/s传输系统中，笔者设想如下：
（1）40Gb/s目前更适应于短距离(SR)和甚短距离(VSR)传输，而在超长距离(ULH)传送中，10Gb/s则更具有生命力，仍然是技术方向。40Gb/s最早可能出现在Metro网、Regional网或无中继链路中，而随着使能技术的继续进展，将逐步向长距离网(LH)渗透。
(2)线路速率不是最重要的，运营商更关注的是如何采用经济的方法将新技术融合在目前广泛部署的10Gb/s光网络中。采用支持多种拓扑（格状和环形）和支持10Gb/s、40Gb/s线路速率的通用平台将有助于降低成本，以最大程度地减少在网络基础设施上的投资，因此，40Gb/s传输首先可能以10/40Gb/s混合传输方式出现。
(3)传输带宽粒度从2.5Gb/s、10Gb/s乃至40Gb/s演进是必然趋势，但从经济性和需求等方面来考虑，其规模商用仍需要2-3年。而对于新建传输链路，特别是SR或VSR，目前考虑支持40Gb/s是合理的。

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