高速双向传输技术.docx

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高速双向传输技术

3）高速双向传输技术：

波长移位DWDM高速单纤双向传输、OBM-OFDM双向传输；实现单波长100Gbps，单通道容量1Tbps的高速双向传输

由于业务对称性，光纤传输系统通常都是双向传输，而且是双纤双向传输，也就是两个传输方向的业务使用不同的传输光纤。

目前光纤传输网络中的数据流量在不断增加，从而使得光纤资源越来越紧张。

重新铺设光纤、光缆的成本巨大，因此首先应该提高已铺设光纤的传输效率和频率使用效率。

单纤双向传输可以将两个方向的传输流量合并到一根光纤中，在同样的双向传输流量下，相对于双纤双向可以减少一根光纤的使用。

从另一个角度说，相对于现有的双纤双向，采样单纤双向可以将传输容量提高1倍。

当然，单纤双向传输有多个技术难点需要解决，最突出的就是反向瑞利散射。

在单纤双向传输中，瑞利散射使一部分输入光变成反向传输的瑞利散射波，从而对反向传输的信号造成干扰。

本项目提出两种方案来减少反向瑞利散射的影响。

第一种方案是在传统的C频带实现单纤双向传输，正向传输和方向传输的波长通过interleaver共用一根传输光纤，反向的波长较正向的波长有移位，并且此移位可微调以增强性能。

第二种方案是在C/L频带实现单纤双向，两个方向的传输分别使用C频带和L频带，从而避开了瑞利散射的影响。

第一个方案的特征是基于传统的DWDM技术，单通道的速率通过偏振复用的QPSK技术达到100Gbps。

在使用160个波长的DWDM的基础上，可以实现16T的传输。

第二个方案的特征是使用正交频带

复用OFDM（OBM-OFDM）技术，单通道的速率可以达到1Tbps。

（3.1）波长移位DWDM高速单纤双向传输

下图给出了波长移位DWDM高速单纤双向传输的系统框图。

单个传输方向上和传统的DWDM系统类似，多个高速光发射机产生DWDM通道，并且符合ITU-T的grid，这些通道首先通过波分复用器合并到一根光纤中，然后再通过一个interleaver进行单纤双向的传输光纤链路，其中需要的光放大器要求支持双向传输。

图中的光发射机和光接收机将支持100Gbps的传输速率，使用的调制格式为PDM-QPSK。

本方案的关键点就是东向传输的是奇数通道（oddchannels），而西向传输的是偶数通道（evenchannels），它们通过interleaver来实现复用和解复用单跟光纤。

奇数通道和偶数通道的波长是不相同的，因此单个方向传输的通道的反向瑞利色散对逆向传输传输通道造成影响很小，而且interleaver还有辅助的滤波效果，近一步降低了反向瑞利散射的影响。

本方案的另一个关键点是相对于Interleaver滤波的中心波长，单向的多个传输通道还可以适当的进行波长的微调（大约是几个GHz），这个波长微调有利于提高整个系统对光纤非线性的容限。

波长移位DWDM高速单纤双向传输的系统框图

下图是奇数通道和偶数通道的频率分布示意图，可以看到奇数通道和偶数通道正好是间插的分布，所以奇数通道的反向瑞利散射和偶数通道在不同的频率上，也就是降低了反向瑞利散射的影响。

奇数通道和偶数通道的频率分配示意图

下图给出了关键的双向放大器的一种实现方式。

在光纤输入端口通过使用一个光循环器（circulator）将东向和西向的光信号分开送入不同的光纤中，然后各自使用单向的光放大器进行独立的放大。

（3.2）基于正交频带复用OFDM的C/L波段反向传输技术

1总体框架图

此技术方案中，两个传输方向的业务分别使用C频带和L频带，如下图所示。

两个方向的光信号利用C/L分路器共用一根传输光纤。

C频带和L频带是占用的不同频率频带进行的传输，而且频率差别很大，所以C频带的反向瑞利散射也就不会影响L频带，反之亦然。

光链路中的双向光放大器请参考上节的介绍，主要的差别是要使用对应的C频带和L频带光放大器。

图2-1基于正交频带复用OFDM的C/L波段反向传输的系统框架图。

2关键模块和技术

2.1、光梳产生器

光梳的光谱线之间是严格意义上的相干，即相位关系确定，频率间隔稳定。

利用光梳非常容易实现多频带的OFDM传输。

当然也可以简单的对各个光谱线进行传统的单载波调制，例如DPSK，QPSK。

光梳生成器常有两种实现方法，锁模激光器实现方法和深度正弦调制实现方法。

锁模激光器生成的光频率梳的频率间隔由激光器腔长等因素决定，由于激光器腔长的调谐范围有限，因此锁模激光器生成的光梳频率间隔不易改变。

随着射频放大电路的发展和光调制器驱动电压的下降，可以采用深度正弦调制得到超平坦光频率梳。

在本方案中，既可以采用腔长可调谐的锁模激光器作为光梳生成器，也可以利用深度正弦调制生成平坦光梳。

图2-2中示意了两种利用深度正弦调制的光梳生成器，（a）中是利用传统的双臂MZM对连续波激光器的输出进行正弦波调制，当正弦信号和偏置引起的相位偏移满足下式时，将在输出端得到超平坦光梳。

上式左边第一项表示两臂直流偏置导致的相位差，第二项表示正弦信号在两臂产生的峰值相位差。

图2-2（b）中是利用铌酸锂相位调制器和强度调制器的级联实现平坦光梳，当两个外调制器级联时，可以降低调制正弦信号的功率。

图2-2中的两种光梳生成器其平坦光梳频率间隔均有正弦调制信号的频率决定。

图2-2两种产生光梳的方式:

（a）利用双臂MZM调制器；（b）利用级联的相位和强度调制器。

图2-3光梳输出谱

图2-3是光梳输出大于32个光谱线，它也可以取代32多个激光器，进行DWDM传输。

2.2、光梳OBM-OFDM发射机

光梳发射机与WDM光发射机的主要差别是，可以使用光梳取代多个激光器。

具体可以采用正交频带的OFDM方式，也可以采用在单个光谱线上使用传统的单载波调制。

图2-4给出了基于正交子频带的发射机结构框图。

激光器发出的激光首先是通过光梳产生器产生多个光功率比较平坦的光谱线，然后通过一个光频谱解复用器（Demux）得到单个的光谱线作为多个激光器使用。

光梳产生器输出的光梳的平坦度可以达到5dB左右，如果需要更高的平坦度时，可以考虑在光频谱解复用器里集成多个光衰减器功率来降低平坦度。

单个光谱线就分别经过光OFDM调制产生多个OFDM子频带，然后再通过一个光频谱复用器（Mux）来得到最终的宽光谱OFDM信号。

单个OFDM频带的产生可以借鉴传统RF-OFDM发射机的设计。

图2-4光梳OBM-OFDM发射机

为了提高频谱效率，各个子频带在设计中要满足正交条件，然后各个OFDM子频带可以无缝的叠加在一起，避免传统WDM系统中通道间需要一个隔离频带的问题。

具体而言，此正交条件可以表达为下面的等式：

其中为光梳中谱线之间的频率间隔，为OFDM子载波的频率间隔，N为自然数。

也就是光梳中光谱线的间隔要为OFDM子载波频率间隔的整数倍。

这个条件其实比较容易满足，因为光梳的频率间隔是有光梳产生器中的正弦时钟信号决定的，当这个时钟信号和产生OFDM的数字信号处理器同步时，此正交条件通过适当的设计就可以满足。

对于9.975GHz的频率间隔，32个光谱线的总带宽32*9.975=319.2GHz。

如果在单个光谱线进行16-QAM-OFDM调制就可以产生Tbps的信号。

显然，通过正交频带方式产生的频谱是连续没有频谱间隔的一个宽光谱，如图2-5所示。

图2-5正交频带的频谱

2.3、光梳OBM-OFDM接收机

在采取正交频带的方案下，接收机中的多个子接收机可以独立工作，从而大大降低平行接收的难度。

整个宽光谱被划分成多个窄带光谱，然后分别接收，如图2-6所示。

本地激光器需要通过各光梳参数器产生与发射机对应的光梳。

待转换的光信号被光滤波器或波分复用器分解成多个窄带的光谱，同时一个激光器和光梳产生器将输出一个和待转换光信号带宽相匹配的光梳，这个光梳将被另一个波分复用器分解为单个光谱线，作为本地激光器使用。

分解的窄带光谱和单个光谱线将被一一对应的输入到光混合器（opticalhybrid）和光接收机进行数字相干检测，然后再通过模数转换和数字信号处理（DSP）完成RF-OFDM信号处理。

单个OFDM子频带的接收可以借鉴传统光OFDM接收机的工作原理。

图2-6光梳OBM-OFDM接收机

在此接收机方案中，使用到了两个光频谱解复用器，由于它们的使用目的不一样，因此对它们的传输特性的要求也不一样，图2-7给出了两个解复用器的传输光谱特性。

用于光OFDM信号的解复用器的传输光谱要实现无缝隙（gapless）的分解，如图2-7（a）所示，这主要是由于接收的宽带光OFDM信号的各个OFDM频带之间是没有频谱缝隙的，所以宽光谱的任何一部分都是携带有调制信息的，都需要通过解复用器被光接收机接收。

用于光梳的频谱解复用器的传输光谱需要实现高隔离度，如图2-7（b）所示，这样就可以经过此频谱解复用器后的各个光谱线几乎没有来至相邻光谱线的串扰，能够接近理想的单个激光器谱线，更好的替代本地激光器的功能。

图2-7用于信号（a）和光梳（b）的demux的传输光谱特性。

另外从图2-6可以看到各个RF-OFDM接收机可以独立运行，也就是它们之间不需要进行数据通信，这样可以大大减轻接收机的运算量，这也体现了此基于光梳的方案和OFDM传输技术有很好的兼容性。

当然，如果需要补偿光纤非线性等与整个宽光谱相关的效应时，就需要增加各个RF-OFDM接收机之间的通信以及额外的信号处理模块。

（3.3）色散精细管理超高速光纤

目前市场上色散补偿技术以色散补偿光纤（DCF）为主，占有90%以上的市场。

其他有光纤光删（FBG）、虚拟成像（VIPA）、电补偿（EDC）等。

除DCF外，其它色散补偿技术是单通道补偿，成本高，封装复杂，不适合大规模使用，而且和系统传输速度有关，系统容量升级时也必须同时更换。

DCF成本底，得到广泛应用，是网络从2.5Gbps到l0Gbps升级的主要技术之一，然而目前的DCF产品提供的精度距离100Gbps有巨大的差距。

10Gbps系统的色散容限（tolerance）为1000ps/nm，而100Gbps系统的色散容限（tolerance）为10ps/nm，小100倍，光纤系统的波长通道由国际电联标准ITU规范，共有板有320

个波长通道，所有单通道产品必须满足工TU标准，是单通道产品成本高昂的主要原因，而低精度的DCF产品不能适应高容量系统的要求，需要单通道产品的补充，从而导致光通讯系统的高成本和复杂设计。

如上图所示，本方案由四个补偿单元组成，每两个补偿单元串联成一整体器件，再将串联成整体器件的两个器件插入要补偿的光纤通路中。

通过调整四个补偿单元的色散参数实现对某一被补偿光纤的色散的四阶补偿，换句话说对被补偿光纤的色散、色散斜率和四阶的非线性色散同时补偿。

所述四个补偿单元中第一、第二两个补偿单元的色散参数D1,D2,S1，S2，L1，L2的选择要使Dt/St=（D1L1+D2L2）/（S1L1+S2L2），则Dt,St为被补偿光纤的色散和色散斜率，被补偿光纤的色散和色散斜率能够同时得以补偿。

所述四个补偿单元中第一、第二两个补偿单元的色散参数D1,D2,S1，S2，满足下面的关系D1/S1=（Dt/St）（1-△）,D2/S2=（Dt/St）（1+△），其中△是小于1的设计参数，那么在D1,D2,S1，S2，L1，L2满足Dt/St=（D1L1+D2L2）/（S1L1+S2L2）的条件下，第一、第二补偿单元可以在补偿被补偿光纤的色散与色散斜率之比在D1/S1=（Dt/St）（1-△）,与D2/S2=（Dt/St）（1+△）之间的任意值；换句话说，通过调整L1,L2的比例，在满足Dt/St=（D1L1+D2L2）/（S1L1+S2L2）的条件下，选择D1,D2,S1，S2，在被补偿光纤色散参数的工艺或统计误差范围以外，可以在补偿色散、色散斜率的同时，在一项设计范围内补偿色散参数的工艺或统计误差。

所述四个补偿单元中第三、第四两个补偿单元的色散参数满足Sr=S3*L3，Hr=H4*L4的条件下，可以对非线性的四阶色散分量进行补偿，S3是第三补偿单元的剩余色散斜率，H4是第四补偿单元的四阶色散系数，L3，L4则是第三、四补偿单元的剩长度参数，Sr是被补偿光纤的剩余色散斜率，Hr是被补偿光纤的四阶色散系数。

如果同时调整四个补偿单元中第一、第二两个补偿单元的色散参数D1,D2,S1，S2，L1，L2的满足Dt/St=（D1L1+D2L2）/（S1L1+S2L2）；或，第一、第二两个补偿单元的色散参数满足下面的关系D1/S1=（Dt/St）（1-△）,D2/S2=（Dt/St）（1+△），其中△是小于1的设计参数，通过调整L1,L2的比例，在满足Dt/St=（D1L1+D2L2）/（S1L1+S2L2）；的条件下;同时第三、第四两个补偿单元的色散参数满足Sr=S3*L3，Hr=H4*L4的条件下，从而补偿被补偿光纤的色散、色散斜率、工艺误差和4阶非线性色散分量。

使用四种或四种以下的补偿光纤的条件下，能够对一定范围内变化的光纤色散进行完全补偿，补偿至四阶。

本方案不需要重新把铺设光纤，只需在选定的中心机房将本方案的装置插入光纤通路中，就能提供高达100Gbps/通道的超高精度补偿，光网络可以实现一次性升级，一劳永逸的解决光纤线路的色散问题。

而目前的解决方案基本上是过度性的，每一次系统提速都需要对色散重新补偿。

系统升级的周期大约在5-7年，不彻底解决色散问题，新系统就必须不断的投入，造成重复

浪费。

本方案具有以下特性:

（1）有效的补偿了光纤制造工艺的误差;

（2）补偿技术同时考虑了补偿器件本身的工艺误差;（3）极低成本;（4）全通道高阶色散补偿;（5）无源，无需任何电路控制;（6）超高精度色散补偿；（7）光纤一次性升级。

（注：

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