【bbwss】光与技术：光传输容量的扩展之路

自从几十年前光纤发明以来，我们一直在想办法增加光纤链路的传输容量。

在光通信初期，我们虽然通过的采用单波长开关键控(OOK)调制（打开和关闭激光器以表示“1”和“0”），能够显著地改善了之前的电信号传输的性能，但也仅提升了光纤传输的一小部分性能而已。

为什么这么说呢？因为此时的单波长单模光传输，只是在低速率的Gbps范围内运行，传输容量由该单波长数据速率定义。它们不需要以特定波长或频率的光，具有这种特性的光收发器也被称为“灰光”。如果要想传输更远的距离，就需要通过光-电-光中继来实现。

那要怎样才能实现大容量传输呢？

如下两种技术的重大进展在满足大容量传输方面起到了重要作用。

• 把不同波长的光信号复用到同一根光纤中进行传送，即波分复用WDM技术（ Wavelength Division Multiplexing ），
• 相干传输使用数字信号处理器(DSP)更有效地调制和检测激光在两个偏振上的相位和幅度的多个电平，从而提高光谱效率。

我们先来看看WDM技术。

1980年代，随着掺铒光纤放大器(EDFA)的发明，加速了光网络部署的重大突破。EDFA可以使在1550nm低损耗窗口内的所有波长都能够在光域中放大，也就是说可以使用单个放大器放大窗口内的多个波长。从而对光信号的长距离传输，就不需要那么多的昂贵的中继单板来进行电再生。

大约在同一时间，激光器和波长稳定技术的设计也日趋成熟，使得多个波长可以密集地封装在同一个1550nm窗口中。通过EDFA和稳定的激光器，WDM也步入到密集波分复用(DWDM)时代并至今仍然是光传输的主流技术。

可以说，EDFA的发明极大地推动了DWDM在光网络中的应用，特别是在海底和长距离骨干和城域网络的部署。1995年DWDM商用部署了8波*2.5Gbps的波分网络，到1999年，已经成功部署了40波*10Gbps的波分系统 。

为了达到长距离传输，在以上光纤链路中采用了多种新技术，以克服由于激光与光纤介质的相互作用而产生的各种色散效应。比如说在色散补偿方面，主要采用色散位移光纤或无源的色散补偿器模块。当然这一色散的限制则在100G/B100G时代已经解决。

另外，受光纤非线性的影响以及直接调制激光器和直接检测探测器能力的限制，此时采用的OOK调制方式最大只能支持每波长10Gbps速率的波分网络，而且OOK调制随着速率的提高，信道的频谱宽度也会增加。同时因存在‘1’和‘0’频率的变化，不可避免存在啁啾。啁啾的存在展宽了激光器发射光谱的带宽，使光源的光谱特性变坏，限制了系统的传输速率和距离；适用于短距离传输

2000年左右引入了相位调制，则可以实现差分相移键控(DPSK)和差分正交相移键控(DQPSK)以每波长40Gbps的速率传输。而且这些方案能够利用现有的直接检测接收器技术。但是，在同等物理条件下，40G系统受PMD,色散以及非线性的限制，要达到与现有DWDM 10G的同等性能，必须具备：

• 提高克服白噪声的纠错能力，降低系统OSNR要求6dB；
• 先进的编码调制技术，全面提升传输性能，
• 降低OSNR,PMD,非线性、色散等各方面的限制。
• 新型色散管理技术（如ADC），提高色散容限，减少非线性。

另外，ITU在DWDM的标准化以及DWDM商业化进程中起到了非常重要的作用。比如说在2002年，ITU发布了DWDM传输的频率网格计划，也就是我们熟悉的ITU-TG.694.1建议书。该标准称为网格定义间隔为100GHz、50GHz和25GHz，粒度为12.5GHz。如下图所示。

在DWDM最初阶段，使用的是频率间距为100GHz，波长间隔约0.8nm。这个间隔相对来说还是比较宽的，因此可以使得激光器和无源滤波器能够以足够的余量来批量制造。通过标准化的DWDM设计，使得运营商的网络可以在需要的节点上自由的上下波长和业务。

当然，此时这些节点依靠的FOADM，也就是固定光分插复用器来分插复用。这些操作也都需要我们手动来完成，比如说当波长变化时，需要手动连接业务单板到M单板，连接穿通波长的光纤等。再后来，发明了可调谐激光器或滤光器，我们就可以在网管上通过命令远程更改业务单板的发射波长，就不需要上站换接尾纤了。

随着技术的发展，也就是有了更稳定的激光器和光滤波技术，DWDM技术可以减少相邻波长通道之间的间隔，使频率间隔由原来的100GHz缩小到50GHz（50GHz大约等于0.4nm）。与使用100GHz间隔的网络相比，DWDM系统的传输容量增加一倍。

接下来我们聊相干技术在光传输系统容量上的作用。

前面我们提到过，10G以及40G非相干波分网络受光纤色散的影响比较严重，需要进行色散补偿才能传输更远的距离。而在2010年左右，高速数据转换器和 DSP 的 CMOS 集成使相干光传输系统变得可行，从此相干光传输技术产生了。

相干技术可以在电域通过算法对信号进行色散补偿，以实现100G及B100G远距离传输的能力，但其调制方案比OOK、DPSK和DQPSK要复杂得多.

早期的相干方案采用的是固定调制阶数和固定的波特率进行传输。随着DSP技术的进步，软件可编程调制阶数和波特率变得可实现，也就是我们现在所说的SDO功能，提供了使用通用硬件处理多个应用程序的能力。比如说可以通过每符号代表2比特的QPSK、每符号代表4比特的16QAM以及每符号代表6比特的64QAM等高阶调制提供更大传输的数据能力的方法。

同时，也可以通过提高传输这些符号的速率，即波特率来实现系统传输能力的提升。当然，调制和波特率在传输容量和传输距离上是一个辩证的关系。总的来说，较高的调制阶数以覆盖范围为代价提供了增加的容量，而较低的调制阶数可以传输地更远，但传输容量会减少。为了提高相干传输的性能，也发展出概率整形等技术，调整相干星座点的概率和位置，以优化覆盖范围和容量。

此时，虽然相干技术能够在传统的100GHz/50GHz信道的光纤线路系统上应用。然而，如同我们标题所说的，光传输一直在谋求更大容量。除了高阶调制和波特率以外，增加单根光纤中DWDM的通道数量也是我们的努力方向之一。这也就对相干调制提出了更高的要求，以实现更高的容量和传输距离。也就是说，我们需要更灵活的频率和波长间隔来支持各种相干调制的传输，而不再仅限于50GHz/100GHz的间隔。同时传输窗口也不仅限于当前的C波段。

我们先来说灵活间隔这一点。为了满足灵活频率间隔，波长选择开关(WSS)技术就应运而生。相比传统的FOADM固定分插系统，WSS组成的可重构光分插复用器(ROADM)。

这样的ROADM系统可以允许通过软件控制的方式来指定波长的添加和删除，一次连纤，一劳永逸。同时，WSS技术也可以使得我们传输网络的频率间隔可调谐，即支持FlexGrid的灵活栅格DWDM网格，而不是固定的50GHz或100GHz间隔的网络，从而允许具有不同谱宽的不同相干调制，在同一根光纤上传输传。

为了应对这种需求，ITU-T修订了G.694.1以满足灵活栅格间隔网络的规划与设计。同时，在2017年，光互连论坛(OIF)也提出了一个框架，以帮助开发具有灵活性的相干DWDM传输，包括采用37.5GHz、50GHz、62.5GHz和75GHz信道。

解决频率间隔的灵活性问题是为了满足高速率相干调制的高谱宽需求。但为了增加整个系统的容量，扩展光传输窗口窗口也是我们的必须考虑的方向之一。特别是因为高波特率带来的宽间隔，频谱的扩展显得格外重要。因此传输窗口的传输衰耗最小之一的L波段也就成为了频谱扩展的首选。

我们来简单分析一下。比如说，我们按照PM-16QAM、75GHz的间隔。如何采用采用C波段，频谱资源是4THz。C波段只能传输53波，其实意义也不大。扩展为CE波段后，频谱资源增加20%，为4.8THz。如果采用C++波段，是6THz。如果采用C+L波段，是8/12 THz，相比C波段提升到2~3倍的频谱资源。但是受限光放大谱宽，采用C+L波段，需要两套光纤线路系统。

得益于上述多人技术进步，自1980年代以来，光纤传输的容量已经翻了很多倍。最新的传输解决方案已经接近光纤容量的实际限制。但运营商需要以最具有成本效益的方式规划设计其网络，兼顾传输距离和系统容量等因素，而不是盲目的扩展系统容量。