40 Gbit/s光传输系统关键技术及应用方案

摘要：随着互联网业务的迅猛发展，对骨干传输网提出了更高的传输速率需求，在此背景下40Gbit/s传输系统逐步进入了历史舞台。首先对40Gbit/s系统的应用背景、采用的关键技术和所具备的优势进行论述；然后给出40G系统的商用方案，并对方案进行对比分析。

　　1、背景

　　自90年代中期以来，网络容量一直以每5～6年翻4倍的速度稳步增长。从622M到2.5G，从2.5G到10G，光纤传输速率的每次飞跃过程用“道路曲折，前途光明”来形容最为贴切。近期，40G也将面临类似向10G演进时的微妙阶段。目前普遍认为，向40G迈进的步伐明显落后于容量增加的正常规律[1]，其中的原因有多方面，包括市场需求迫切程度、大容量10G波分复用技术的广泛应用、高速传输带来的技术或成本难题以及电信泡沫的破裂等。同时，运营商对新技术的应用更趋谨慎，对网络优化和网络容量的提升采取了亦步亦趋的做法，网络建设更加理性。

　　光通信市场在经历低谷之后，如今元气已基本得以恢复，并呈现良好的上升势头。互联网业务（尤其宽带业务）的迅猛发展极大地拉动了市场对带宽的需求，加上3重播放业务的出现，使得运营商有必要采用更高速率。因此，时隔几年，沉寂了一段时间的40G系统再次进入大家的视线，让人们又一次充满期待。

　　 2、40Gbit/s传输系统的关键技术

　　40Gbit/s系统的实现要广泛应用电子学和光学领域的技术。首先，需要将网络业务低速颗粒复用为40Gbit/s信号，将其成帧；其次，选择适合传输的格式进行编码，然后进行驱动和调制；最后，将其发送到光纤上传输到最近的光放大站点。完成这些工作需要解决许多关键技术问题，主要包括：IC材料技术、调制技术、提高光信噪比（OSNR）技术、色散补偿技术、超级FEC等。

　　（1）IC材料技术
　　
　　40Gbit/s网络随着脉宽或脉冲间隔的变窄，信号抖动和码间干扰（ISI）对信号的影响也变得更差。为了保证高质量的波形传输，就必须改善数字和模拟IC技术，以便高速、宽带、低噪声地对光波形进行整形和再定时。另外，IC功能的改良和功耗的减少是缩减成本的必要途径。

    在40Gbit/s系统中很多芯片需要采用InP（铟磷）材料，但是InP材料制作比较困难，同时由于芯片尺寸太小，使得与光纤的耦合变得非常困难，插损大。

　　（2）调制技术

　　目前主要有3种传统光调制器：直接调制分布反馈半导体激光器（DFB-LD）、电吸收外部调制（EAM）、包括集成在DFB-LD芯片上的EAM和LiNbO3马赫-曾德尔（MachZehnder）外部调制。这些调制器的应用领域是由他们各自的带宽、啁啾脉冲和波长相关性所决定的。前两种方式不适合高速系统，LiNbO3调制可以生成高速、低啁啾的传输信号，而且特性与波长没有关系，被认为是40Gbit/sWDM传输系统的最佳选择。

　　40G调制格式的选择是一个难题。目前有多种方式，例如NRZ码、差分相移键控RZ码、光孤子、伪线性RZ、啁啾的RZ、全谱RZ、双二进制等等。从最新的研究成果分析，差分相移键控RZ码（DPSK）显得最有希望，这种调制方式的频谱宽度介于NRZ和RZ之间，比普通RZ码的频谱效率高，可以改进色散容限、非线性容限和PMD容限，传输距离比普通RZ码长。

　　（3）提高光信噪比技术

　　同10Gbit/sWDM系统相比较，40Gbit/s WDM系统有更多与光信噪比（OSNR）、色散、非线性作用、PMD等有关的尚待解决的问题。对于40 Gbit/s系统，为了要达到与10 Gbit/s系统相近的传输误码率，系统OSNR需提高6～8 dB。

　　（4）色散补偿技术

　　从理论上看，色度色散代价和极化模色散代价都随比特率的平方关系增长，因此40G的色散和PMD容限比10G降低了16倍，实现起来非常困难。由于小于100ps/nm色散容差很小，对于40Gbit/s的系统来说有可能会造成极其严重的限制，所以，从系统灵活设计和经济角度考虑，应采用可变色散补偿器（VDC）进行自动补偿。40Gbit/s传输系统的另一个很严重的制约因素是偏振模色散（PMD），它是由纤心的不对称以及内、外压力（如光纤的弯曲）所致。由于引入了双折射，光纤中的两个传播偏振模经历了群时延的微分（DGD），这导致了脉冲的加宽，即产生码间干扰（ISI）并表现为比特误差率的上升。

　　（5）超级FEC技术[2]

　　这是一个相对比较古老的技术，从1984年面世，至今才开始形成大规模的应用。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。特别是对于40Gbit/s速率，采用带外FEC已经成为关键的使能技术之一，不仅可以使传输距离达到实用化要求，而且在一些短距离传输系统上，可以避免实施昂贵复杂的有源PMD补偿。

　　3、40Gbit/s传输系统的主要优势

　　 基于所采用的关键技术以及本身的特性，40Gbit/s系统具有以下优势：

　　（1）可以比较有效地使用传输频带，频谱效率比较高。

　　（2）减少了OAM的成本、复杂性以及备件的数量。尤其在城域骨干网络上，调度性、集成度要远远好于4个10G系统，可以节省机房面积，减少设备堆叠，提高单节点设备的带宽管理能力和调度能力。

　　（3）每比特的成本比其它的城域网的方案更加经济。

　　（4）通常单波长可以处理多个数据连接，核心网的功能将会大大地增强，40G将使业务得到更加高效和有保护的承载。

　　鉴于以上优势，40G将具有广泛的应用范围。在商用模式具备后，40Gbit/s接口将会出现在DWDM系统、ADM设备、大容量带宽管理设备及路由器上[3]，将为数据中心或网络POP节点提供高速互联的功能。因此，40G系统将会在城域骨干网以及长途干线网络中得到广泛应用。