高速光纤通信

目录

高速光纤通信... 1

一、光纤通信领域发展现状... 1

二、高速光通信... 2

2.1幅度维度调制... 2

2.2相位维度调制... 2

2.3时间维度调制... 4

2.4频率维度调制... 5

2.5偏振维度调制... 6

2.6空间维度调制... 7

参考文献... 8

附录... 8

一、光纤通信领域发展现状

光纤通信领域主要由光纤光缆、光电器件和光网络系统相辅相成，三方面合力推动光纤通信不断向超高速率、超大带宽、超长传输距离、超宽灵活和超强智能5个维度升级演进。

实现超高速率超大容量超长距离光传输系统的实质就是不断提升空间并行度和系统谱效率, 其技术路径主要聚焦于3种实现方式[1]：一是高阶调制技术，通过提升码元速率和码元调制阶数，尽可能获取单位光带宽下的信号传输速率。二是频谱超级信道技术，通过减小信号频带间的保护间隔来获取更多的有效传输信道，主要采用奈奎斯特WDM和OFDM两种方式。三是采用空分复用技术，主要采用模式复用及多芯复用。

当前, 光传输系统的研究正在经历一个新概念、新技术层出不穷的极度活跃的发展时期. 光的幅度、时间/频率、正交相位和偏振4个物理维度已通过高阶调制格式、数字相干接收、偏振复用、频分复用等光传输技术被利用到接近极限, 多模多芯等空间维度也被相继开发, 促进了系统容量的不断提升. 光纤通信向单信道速率1Tb/s演进, 单纤容量向 100 Tb/s 发展, 已接近普通商用单模光纤传输系统的香农极限. 未来, 光纤通信将由 Tbit 级向 Pbit 级, 甚至 Ebps, Zbps 级演进, 将主要依赖于空分复用技术。

二、高速光通信

不断增长的通信带宽对骨干网传输容量提出越来越高的要求，高速光通信技术成为当前研究的热点。

提高光通信系统的传输容量方面，可以从多个维度入手，其中包括幅度、相位、时间、频率、偏振和空间六个维度[2]。

2.1幅度维度调制

在幅度维度技术中，通断键控（On-off keying,  OOK）是最早采用也是最容易实现的调制方式。虽然多电平幅度调制可以提高传输容量，但是其信号产生和决断比较复杂，在实际中很少单独使用。早期的光通信系统多采用OOK调制，当传输速率较低时，可以使用直接调制的激光器实现，随着通信容量需求的不断增长，这种低阶的调制格式传输速率不能满足市场需求，逐渐被相位调制和16QAM调制等调制格式所代替。

2.2相位维度调制

相位调制技术即通过外调制器对光信号增加相位位移来进行的调制，利用光信号的相位变化来传递信息，其主要包括两个方面，一是多电平相位调制（multilevel phase-shift keying, mPSK），相移键控是以载波的初始相位变化来表示基带信号，分别用初始相位0和pi来表示基带信号0和1，即：

图一 三种不同方式调制方式[3]

例如正交相移键控（quadrature phase shift keying, QPSK），其相邻码元的载波相位相差π/2 ，其原理与2PSK类似，先将基带信号原始的二进制序列分为2bit一组，会有四种不同的状态，从而变成四进制形式，然后用载波的四个初始相位来表示不同的四进制代码，具体定义如下表所示：、

QPSK的调制方法有两种，分别为模拟相乘法和数字键控法，原理框图如下图所示：

图二QPSK调制的两种方法[3]

在目前的商用光纤通信系统中广为使用；二是与多电平幅度调制相结合而实现的正交幅度调制（quadrature Amplitude Modulation，QAM），它是利用两个相互独立的数字基带信号对相互正交且频率相同的两路载波信号进行双边带调制[4]，正交振幅信号一般的表达式为:

上式中，An 是基带信号的幅度，gt-nTs 是单个基带信号的波形，宽度为Ts 。式（2-1）可以变换为正交表示形式：     

式（2-2）变为：

固定振幅A、cn、dn 由输入信号决定，已调QAM信号在信号空间中的坐标点由cn 、dn 决定。

QAM的调制原理如下图所示，图中输入的二进制序列经过串/并变换器输出速率减半的两路并行系列，再分别经过2电平到L电平的转换，形成L电平的基带信号，为了抑制已调信号的带外辐射，该L电平的基带信号还要经过预调制低通滤波器，形成X(t),Y(t)，再分别与同相载波和正交载波相乘，最后将两路信号相加可得到QAM调制信号。

图三 QAM的调制基本原理[5]

2.3时间维度调制

在时间维度的复用技术中，即光时分复用(optical time-division multiplexing, OTDM）技术，在OTDM系统中，每个子信道的符号速率可以不必很高，因而对器件工作的要求大大降低。

图三  光时分复用原理[2]

2.4频率维度调制

在频率维度的复用技术，即波分复用（wavelength division multiplexing, WDM）技术，通过将不同波长的光信号一起传输来提高传输容量，其原理图如下图所示，由于复用与解复用技术较为简单，在商用大容量光传输系统中常采用WDM技术，虽可以通过增加信道数来提高传输容量，但信道之间的保护间隔会变窄，会形成串扰。

图四  波分复用示意图[6]

WDM系统基本由五部分组成，即光发射部分、光接收部分、光传输部分、光监控部分和网络管理部分。WDM的关键技术包括三个方面：合/分波器、光放大器和光源器件。合/分波器实际上就是光学滤波器，其作用是对各复用光通路信号进行复用与解复用。对他们的基本要求是：插入损耗低、隔离度高、具有良好的带通特性、温度稳定性好、复用通路多以及具有较高的分辨率等。

通信系统的设计不同，每个波长之间的间隔也不同，按照通道间隔的不同，WDM可以细分为CWDM和DWDM。CWDM的信道间隔是20nm，而DWDM的信道间隔从0.2nm到1.2nm。DWDM系统采用的波长都是特定的，区别与SDH普通波长，有时又被称为彩色光接口（密集波分系统符合G.692标准），而称普通SDH等光系统的光接口为“白色光口”或“黑白光口”（符合G.957标准）。DWDM的关键技术为光分插复用技术，网络间的光交叉连接技术，集成化的窄带、高速、波长可调的低噪声探测器技术，以及可用与光纤网络干线传输的、速率可达40Gbps的、波长可调谐的、高稳定增益耦合DFB激光器/光调制器的集成光源。

2.5偏振维度调制

在偏振维度的复用技术包括两个方面，一是进行在TM与TE两个偏振方向上分别传输光信号，即偏振复用(Polarization multiplexing，PM)，其传输容量会比单偏振信号提升一倍；另一方面是在偏振维度方面进行调制，包括偏振键控技术（polarization shift keying, Pol-SK）及偏振开关技术（polarization –switching，PS）,尤其是后者与高阶调制格式产生的PS-QPSK技术，目前已经得到了广泛的研究。

偏振复用系统被提出来以后，对于复用系统的构成在不同的情况下会尝试用不同的方式来实现，不过一般大同小异的采用了常用的偏振器件如:偏振合束器（Polarization beam combiner, PBC）、偏振控制器（Polarization controller, PC）以及波片等。仅采用了PBC与PC的进行偏振复用，结构图如下图所示：

图五  仅采用PC与PBC进行偏振复用结构图[7]

激光器发射的信号经过调制后进入偏振复用系统，先通过耦合器分为两路，再调节偏振控制器，使其两路信号正交再通过PBC合成一路信号，合成后的信号传输速率增倍。若为了防止两路信号相干，可以在一路加上可变时延线，即可以去两路信号的相关性也可以调节时延线达到一个良好的传输性能，使两路信号同步正交偏振或是差分正交偏振，差分即在时域上两路的正交脉冲是错开的。如果系统性能良好可以实现严格同步的正交偏振复用信号如下图：

图六  正交偏振复用信号图

2.6空间维度调制

高阶调制格式的引入将对光传输系统的传输性能提出更高的要求，由于光纤非线性效应的存在和香农信道容量极限的限制，在光纤通信中采用高阶调制提升带宽容量的技术路线在实际应用中将面临诸多局限。业界普遍认为单模光纤的传输容量极限为100Tbit/s，进一步提升的空间十分有限[8]。未来数年内，光网络传输能力的增长乏力与互联网业务的带宽饥渴之间的矛盾将导致带宽危机。

而空间维度的复用技术，即空分复用技术（space-division multiplexing，SDM），是最近几年兴起的有望进一步提升传输容量的新技术，目前多芯光纤复用、少模光纤复用、少模多芯光纤复用和轨道角动量模式复用等空分复用技术成为业界的关注焦点[9]。

具有代表性的空分复用传输实验中的光纤传输容量与总频谱效率如下图所示，其中标准单模光纤的传输容量极限约为 100 Tbit/s， 少模模式复用的传输容量可以突破 115 Tbit/s， 而多芯复用可以大幅提高单光纤传输容量至 2.15 Pbit/s，而通过将多芯复用和少模复用进行组合，还可以进一步提高传输容量与频谱效率。

图七  具有代表性的空分复用传输实验中的光纤传输容量与总频谱效率[9]

参考文献

[1]  余少华, 何炜. 光纤通信技术发展综述 [J]. 中国科学:信息科学, 2020, 50(09): 1361-76.

[2]  臧继召. 高速光通信系统中若干关键技术的研究 [D]; 北京邮电大学, 2015.

[3]  王珊. 基于正交相移键控外调制的光通信系统研究 [D]; 重庆大学, 2015.

[4]  朱泳霖. QAM调制解调技术研究及其FPGA实现 [D]; 中南大学, 2010.

[5]  马娅娜. 基于FPGA的QAM调制解调技术研究 [D]; 西安电子科技大学, 2007.

[6]  姬卫玲. 波分复用技术的应用现状和发展前景 [D]; 南京邮电大学, 2015.

[7]  吴婷. 高速光纤通信中的偏振复用和码型调制技术 [D]; 北京交通大学, 2013.

[8]  DAYOU Q, MING-FANG H, IP E, et al. 101.7-Tb/s (370×294-Gb/s) PDM-128QAM-OFDM transmission over 3×55-km SSMF using pilot-based phase noise mitigation; proceedings of the 2011 Optical Fiber Communication Conference and Exposition and the National Fiber Optic Engineers Conference, F 6-10 March 2011, 2011 [C].

[9]  赖俊森, 汤瑞, 吴冰冰, et al. 光纤通信空分复用技术研究进展分析 [J]. 电信科学, 2017, 33(09): 118-35.

附录

概念解释：

SDN：软件定义网络；

SDH：同步数字体系，根据ITU-T的建议定义，是为不同速率的数字信号的传输提供相应等级的信息结构，包括复用方法和映射方法，以及相关的同步方法组成的一个技术体制。

SDM：空分复用

调制阶数：调制阶数用于计算码型每个符号（码元）所能代表的比特数，例如 BPSK，QPSK，8QAM，16QAM，32QAM等码型的bit/symbol数目分别是 log2(2)，log2(4)，log2(8)，log2(16)，log2(32)，因此这些码型对应的调制阶数分别是 2,4,8,16,32，也就是每接受一个电平相当于接收了这么多位（阶数）的信息。所以我们追求高阶调制提升传输速率。

少模光纤（few-mode fiber，FMF）：是一种纤芯面积足够大、足以利用几个独立的空间模式传输并行数据流的光纤。

码元速率：即波特率，即单位时间内载波信号的调制状态的变化次数。

PDM:偏振模色散

PDL：偏振相关损耗

最后

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