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1、摘要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
2、 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：缩写与术语：DWDM: dense wave divisio
3、n 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: Asiapacific cable network2 亚太 II 号网络EDFA：Er-dropp
4、ed 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波分技术在海缆系统上的应用第一章 概述引言：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
5、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
6、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
7、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。原原始始脉脉冲冲色色散散影影响响后后的的脉脉冲冲图图2.12.2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
8、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km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
9、 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 68dB，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 12dB，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
10、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
11、 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 FECFEC 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，
12、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 3.23.3 色散补偿APCN2 海缆系统中使用的光纤：L
13、EAF（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）G652 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
14、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 8.4m 增加到 9.6m 从而使有效面积从 55m2增加到 72m2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
15、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 3.33，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-50548ps/(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
16、 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
