光通信系統(tǒng)技術(shù)趨勢(shì)之三——超越100G，單通道傳輸速率繼續(xù)提升

隨著社會(huì)信息化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，以視頻、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)為代表的新興業(yè)務(wù)對(duì)帶寬需求劇增，現(xiàn)有的骨干光傳輸系統(tǒng)無法滿足日益增長(zhǎng)的互連容量需求，迫切要求進(jìn)一步提升傳輸容量。

實(shí)際上，隨著網(wǎng)絡(luò)傳輸容量需求的激增，光傳輸系統(tǒng)其單通道傳輸速率在經(jīng)歷了從2.5Gbit/s->10Gbit/s->40Gbit/s->100Gbit/s的提升，正在醞釀下一代的超100G光傳輸系統(tǒng)。光傳輸復(fù)用維度也從單純的時(shí)分復(fù)發(fā)展到時(shí)間、波長(zhǎng)、頻率、偏振態(tài)、傳輸模式的多維復(fù)用、多管齊下。面向未來網(wǎng)絡(luò)容量需求的光傳輸，Pbit多芯空分復(fù)用以及光子軌道角動(dòng)量復(fù)用已成為業(yè)界研究熱點(diǎn)。在具體實(shí)現(xiàn)上，高級(jí)正交幅度調(diào)制、相干接收、數(shù)字信號(hào)處理、多載波技術(shù)和光電集成工藝等新技術(shù)逐步引入并持續(xù)優(yōu)化，不斷提升光傳輸性能，降低光傳輸成本。

基于成本和兼容性等方面的考慮，充分利用已鋪設(shè)的光纖光纜，在現(xiàn)有光傳輸系統(tǒng)上通過升級(jí)和改造光收發(fā)單元以提高單個(gè)波長(zhǎng)通道傳輸數(shù)據(jù)率的方式來提升系統(tǒng)容量，具有最優(yōu)的性價(jià)比和可行性。超100G光傳輸將繼承100G光傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想，采用偏振復(fù)用、多級(jí)調(diào)制提高頻譜效率，采用數(shù)字相干接收提高接收機(jī)靈敏度和信道均衡能力。

超100G光傳輸意在可用頻帶資源不變的情況下進(jìn)一步提升單根光纖的傳輸容量，其關(guān)鍵在于提高頻譜資源的利用率和頻譜效率。對(duì)于光傳輸系統(tǒng)而言，光纖損耗窗口所導(dǎo)致的可用帶寬限制和光傳輸通道光器件級(jí)聯(lián)所引起的窄帶濾波效應(yīng)要求光傳輸?shù)念l譜效率最大化;光傳輸通道的非線性效應(yīng)要求光傳輸功率的效率最大化。此外，光電器件水平對(duì)光傳輸符號(hào)基帶帶寬亦有限制。

針對(duì)上述超100G光傳輸挑戰(zhàn)，業(yè)界從以下方面入手解決：①充分利用光信號(hào)可調(diào)制維度(幅度、相位、偏振態(tài))來承載數(shù)據(jù)以提高頻譜效率;②采用多載波和正交頻分復(fù)用技術(shù)提高頻譜利用率并降低符號(hào)傳輸?shù)牟ㄌ芈室砸种粕⒌挠绊憽p小對(duì)光、電器件帶寬的要求;③采用數(shù)字相干接收技術(shù)提高接收機(jī)的靈敏度和信道均衡能力，采用更高增益的糾錯(cuò)編碼提高系統(tǒng)的健壯性。④采用先進(jìn)的光電集成技術(shù)減小體積，降低功耗，提高系統(tǒng)可靠性。

需要注意的是，盡管多維度多級(jí)調(diào)制可以有效提高頻譜效率，減小對(duì)傳輸通道和光電器件帶寬的要求，但多級(jí)調(diào)制會(huì)減小星座圖上符號(hào)之間的最小間距，降低OSNR靈敏度以及傳輸損傷容忍能力。因此，選擇更高級(jí)別的QAM調(diào)制可以提高超100G的頻譜效率和傳輸速率，但由于強(qiáng)度噪聲和相位噪聲容忍能力減弱，其傳輸距離可能遠(yuǎn)低于目前100G系統(tǒng)。

光電器件集成技術(shù)是超100G光傳輸實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)。盡管多載波傳輸級(jí)數(shù)可以降低了系統(tǒng)對(duì)光、電器件的帶寬要求，將器件功耗由平方增長(zhǎng)降低為線性增長(zhǎng)，但其帶寬和功耗要求仍然驚人。光電器件集成工藝是影響超100G光傳輸設(shè)計(jì)方案可行性和系統(tǒng)性能的關(guān)鍵因素。

鑒于目前的客戶業(yè)務(wù)需求和光電器件工藝水平，400Gbit/s光傳輸速率是最具可行性和性價(jià)比的解決方案?；陟`活柵格的雙子載波偏振復(fù)用16級(jí)正交幅度調(diào)制(2SC-PM-16-QAM)的400G光傳輸是業(yè)界普遍看好的方案之一。該方案每一個(gè)傳輸通道占用75GHz帶寬，其頻譜效率可以達(dá)到5.3bit/s/Hz，較100Gbit/s光傳輸2bit/s/Hz的頻譜效率可以有較大提高。由于采用了較為密集的16QAM調(diào)制，400G傳輸損傷容忍能力(傳輸距離)較100G光傳輸系統(tǒng)有所下降，預(yù)計(jì)會(huì)在城域及數(shù)據(jù)中心互聯(lián)場(chǎng)合率先應(yīng)用。