40G波分技术在海缆系统上的应用

1、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 G652常规光纤（SMF）加7段大有效面

2、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 ：色散，非线性效应，动态色散补偿，调制编码缩写与术语：DWDM: dense wave division multi

3、plex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: Asia pacific cable network2亚太 II 号网络EDFA：Er-dropped fiber ampl

4、ifier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第一章 概述引言：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

5、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 传输技术的技术难点40G WDM 系统主要需解决光传输性能和

6、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 统的总体性能。色散的单位是ps

7、/(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，色原始脉冲色散影响后的脉冲图2.1 2.2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

8、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/ Jkm .造成单模光纤 中的PMD勺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PME不能超过1/10比特周期。转 换成最大PME为10ps来支持10Gbit/s 信道速率,2.5ps 来支持40Gbit/s 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

9、 素。系统中ASE用OSNR来衡量，即通道内的信号功率与 0.1 nm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（FW）受激喇曼散射（SRS、

10、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 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DWD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

11、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，APCN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，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

12、得到了证明。APCN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。FAS= Frame Alienmwit Sen alHFiRS Muh iFrime Alitn menA Siena ISM Section Monilorin（TCM. T-andem Connection Monitor meACT Aetwatifiin/riteact nation cmtroll ehanne；l

13、FTFl Faul Type & Fault Location reporline charrielPM Pih Monitcurri*EXP： ExperimentalAPS： Automatic Protection Switching Coordinalion channelFGC Prolectiin Gommun tafion ChamelRES Reserved图3.2 3.3色散补偿APCN2海缆系统中使用的光纤：LEAF （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）G. 652光纤即常规光纤（SMF

14、,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155Onm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 1310 nm区域，在1550nm波长处的大色散成为高速率，远距离 DWD通信系统的“瓶颈”。2，大有效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

15、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8.4卩沁曾加到9.6叩从而使有效面积从55応增加到72応 以上，零色散点在1580nm处，在1530nm-1565nm的窗口内处于3.41.0（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

16、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155 Onm波长处有很大的负色散的单模光纤，色 散系数为-50 548ps/(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155 Onm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

17、散补偿，在155Onm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 曰車昂贵。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 15491560nm之间。其色散值在-2.4ps/(nm.km) 左

18、右，在超长距离传输时，积累的色散为负值，因此只需要采用常规G652光纤就可以对其进行色散补偿(如下图所示)。LEAF光纤由于模长直径的增加，从 而使得有效面积增加更有效的克服非线性影响。 正是由于大有效面积光纤增大了光传输距离，所有这种光纤系统只需很少的光放大器和中继器，而且用SMF常规光纤来补偿负色散比用 DCF光纤来补偿正色散要便宜许多，从而直接降低了 网络建设和维护的成本。Large Efifettivie Aiea Fit er (LEAF)Single Mode Fiber (SMF7 Spans1 SpanDiperioncompensatlttnBlockDtepersicnco

19、mpensationBlockDispe reionCompensatio nBlockSurplus 口fZ)i 耳 eisbrjConipensationT-LEAF SWFLEAFSMFLEAFSMF LEAF SMFDispersion Map atCenterWavelenh (1552.5 2 nrr特性名称单位波长康宁海底LEAF衰减dB/km1550nm0.23工作波长Nm1530-15651530-1565色散Ps/nm.km1560nm-3.5 -1.0零色散波长Nm1570零色散斜率Ps/ nm .km0.12偏振模色散Ps/km1/2单纤值0.2模场直径Pm1550nm

20、9.0-9.6有效面积Am271表3.1康宁海底LEAF大有效面积光纤的特性注：l.lblock相当于两个海底中继器之间的距离约为 60km。2. LEAF:-2.4ps/nm/kmSMF:+19ps/nm/km 我们根据上图所提供的传输光纤参数计算一下的系统通过一个跨段距离传 输后光纤的色散值：（色散系数（LEAF ）x距离/block x block）+（色散系数（SMF）x距离/block x block）=跨段的色散总值依据以上公式得：（2.4ps/nm/km x 60km x 7 段）+（ +19 ps/nm/km x 60km x 1 段）= -1008ps/nm+1140ps/n

21、m=+132ps/nm由上式计算的结果我们可以看到通过一个跨段 8个中继段将近500km距离传 输后，光缆累积的色散值仅为+ 132ps/nm,运用SMF光纤可以有效的抵消LEAF 光纤所累积的大量负色散。3.3.2 终端设备色散补偿APCN2 海缆系统在 DWDM 终端设备中采用的是单波补偿（ Individual）+ 波段（Block）补偿+系统色散补偿（Batch）的三层补偿方式来满足不同波长各自所 需要得色散值。实现方式主要是在 DWDM 设备的收发端装载具有 DCF 色散补 偿光纤的补偿模块单元。1, Batch（整体补偿）由于 APCN2 海缆系统两个终端登陆局之间的长度为几千千米

22、， LEAF 光缆 长度与SMF光缆不可能完全按照7:1的8段来进行配置组合（如下图3.6所示）, SMF的正色散补偿值是为固定的，静态的不可改变的，即加入一个Block的SMF 光缆段后线路要完全按照预定要求达到匹配是非常困难的,尤其在靠近两个终端附近,一段 SMF 光缆也许只能对应 3, 4个 LEAF 光缆段或者更少 （假如人 为的增加光缆长度达到 7:1 的平衡会造成工程成本的提高 ,网络维护成本的提 高是不可取的 ）.这样在线路中同样会积累一部分正色散从而影响传输质量,这 时线路中多余的正色散就需要由终端 DWDM设备Batch补偿来完成。图3.6如上图所示整个海缆系统多余正色散的最

23、大值为靠近终端两端均为SMF光纤所积累的正色散：(19X 60X2) + ( 2.4)X 60X 7=+ 1272ps/nm即在这种绝对情况下系统可能冗余的最大正色散值为+1272ps/nm当然在实际情况中APCN2系统线路积累的正色散值没有那么大一般约为+700ps/nm左右，这样通过两个终端站的Batch色散补偿来消除，实际应用为发送 端和接收端各承担一半即Batch色散值为各350ps/nm。当然系统也有LEAF光缆冗余情况的存在，这样线路所累积的总色散值就为负值了，如下图3.7所示:LEAFLEAF | LEAF | LEAFLEAFLEAF LEAFLEAFLEAF LEAF | L

24、EAFLandloadedstationLEAF 3 BlockLEAF 4 BlockLEAF+SMF线路色散补偿需要终端设备正色散补偿LEAF 7 Block需要终端设备正色散补偿Landloadedstation图3.7海缆系统中所可能冗余的最大负色散值为多余7段LEAF光缆所累积的色散。按照以上公式计算得：(2.4X 60X 7)= -1008ps/nm即在绝对情况下系统可能冗余的最大负色散值为1384ps/nm 156 Onm消除负色散APCN2终端系统使用由SMF光纤制成的色散补偿模块来实现， 当然APCN2海缆系统所累积的负色散一般也不会那么大，一般为700ps/nm左右，通过两

25、个终端站的Batch色散补偿来消除，实际应用为发送端和接收端 各承担一半即Batch色散值为各+ 350ps/nm。2, Block（块补偿）由于在APCN2海缆中DWDM总共使用了 66个信道，波段跨度从153Onm 到1565nm而每个信道之间是有色散差的，差值的大小与色散斜率有关。在通 过长距离的海缆传输后，由于色散的积累，各波段的色散都随着传输距离的延长 而增大。然而，由于色散斜率的作用，各波段通道的色散累积量是不同的，位于 两侧边缘通路的色散累积量差别最大，当传输超过一定距离后，会使具有较大色散累积量的通路色散值超标，从而限制整个 DWDM系统的传输质量。所以必须 为处于波段两边的信

26、道再次进行色散补偿，由于DCF光纤构成的色散补偿模块比较昂贵，所以最经济的方法是采用一个DCF模块对多个信道同时补偿，将工作波长划分为若干个子波段即(S,M,L),其中对S波段和L波段的信道进行Block 色散补偿，M波段的信道由于色散斜率比较小所以不需要进行Block补偿。Block色散补偿的工作原理如下图所示BLOCK COMPENSATION1539.37nm1565.50 nmSBandMBandLBand图3.83，单波补偿(In dividual)Block补偿也属于区域补偿由于子波段内的色散差还有一定的差别，会造成有的信道补偿不够，而有的信道已经过补偿，此外没有经过Block色散

27、补偿的M波段中有些信道也需要少许的色散补偿来达到传输的最佳效果所以在APCN2海缆系统中还需要分别对每个波道进行单波的色散补偿INDIVIDUAL COMPENSATIONS,M, and L Band图3.9由图可知：1. 波段两侧的信道所需的色散补偿绝对值要大于中间信道，越靠近边缘的波 长色散累积越大。2. 1552.52nm波长的色散绝对值是最小的几乎接近于零，对它进行单波补偿 使其拥有一定的负色散，是为了防止非线形效应的产生。3. 每个波长所需的色散补偿值是不一样的通过单波色散补偿可以使得每个信道波长获得不同所需匹配的色散值，而通过Block补偿可以大大减少所需的由DCF光纤制成的色散

28、补偿模块，从而降低设备建设和运行维护的成 本。4. 随着传输距离的增加，信道所需的色散补偿值也越大，波段两侧的信道波 长由于色散斜率的存在而累积的色散越大。4,动态色散补偿（TDCM）由于40Gbit/s DWDM系统的色散容限只有60ps/nm左右比1OGbit/s降低了 将近16倍（10Gbit/s系统的色散容限值为1000ps/nm），即使采用色散补偿光纤 对进行了完善的静态色散和色散斜率补偿，也难以保证系统的性能。因为系统的 色度色散不仅受环境温度变化的影响，还会因光功率的变化引起非线性效应的变 化，从而改变系统的色散容忍度；另外，在实际应用中，特别是在城域网中，光路由的变化，不同波长

29、信号经过的路径不同，色散不一样；以及光纤老化及受环 境应力的影响等，均会改变系统的色散容限，难以满足实际需求。APCN2海缆的设备供应商为NEC，使用其自行研制的基于高折射差的 PLC环形共振腔技术 的动态色散补偿器，其调节量可达土 2000ps/nm, 20ps为调节步长，当业务开通 后会进行一次自动检测，寻找合适的色散补偿值。 3.4调制编码技术为有效解决40Gbps光信号在传输中遇到的 OSNR、色散、PMD等受限因素， 针对接收机不同的调制方式，出现了 OOK、PSK、PM三大类编码技术，详细分 类表如下：OOKn0?电平三电平DPSKDQPSKQPSKJ沁NR2-00K | R2-0

30、0KNRZ-ODB RZ-ODB RZ-AFIDPSKP-DPSKRZ-DQPSKDP-OPSK其中OOK类编码以改善光信号强度为主，PSK类编码采用相位移动或复用 方式，PM类编码既采用相位复用也采用偏振复用方式。虽然编码种类繁多，但 有相当一部分编码已经逐渐退出主流地位。 目前主流编码类型或商用化程度较高 的编码主要集中在 P-DPSK、RZ-DQPSK和DP-QPSK三种。AmpliiudemodulationFTiase modulationmbols10G NFEhta!- Ftel lh rH&Zfefd4QGDP9Rnnn- SiiFt Keying50 G Hz ;Phase

31、modulationPhase modulationAiase modulation + polarization multi pl bxi ng4GBDR9Parliai311 芦M laiFhaae-3hl1i Keying4eQ_RZ-DGF9Fteturn-lD-ZeroUllereiWL3*iFTiaae-9nirt inp40G Goh 守metDFQpgtLi-PblaiijSliaiiQj;讪i币逐审汁i IKfiyirigfflGHzDrrerenllfiJ Ri3-Shi11 6vi 烛10G NFgNan-Fhlurn-ta-Z&rD5(0 GHzMJ GHzPenialDI11erNalAnaso iiFt Kaying40GPDFSK40G 电-POPSFteiurn-to-Zeradirer aitiaiX OuadriPhBffiff1R 伽i如40G Cohg吃Mpp-gpsI：riiii