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40G光通信技术与下一代干线光纤发展


(2008-07-07 15:06:57)

在全球通信市场增长放缓的情形下,中国及亚太地区仍然保持了较高的发展速度。特别是在中国的光通信市场上,电信运营商持久不衰的投资热情为制造商创造了巨大的商机,这也使得几乎所有国际知名通信厂商都将目光更多地投向了中国市场。据统计,中国光通信市场的年增长率是国民经济增长率的2~3倍,而且在入世、承办奥运会等有利因素地促进下,预计这种增长势头在未来几年内不会明显衰减。

然而电信业的发展并不永远是“春光明媚”,许多技术难题和发展方向将在很大程度上决定电信业 未来的投资方向和发展步伐。

光通信技术的亮点

光通信发展的趋势主要有以下几点:

第一,光网络结构正在为适应业务量的数据化趋势而调整,中间层正在逐步淡出或者薄化,即消失或越来越薄。比如说ATM将要逐步淡出,但是SDH还将会长久存在,只是变得越来越薄而已。

第二,传输电路容量继续按照光纤定理前进,事实上,传输成本在过去的几年里已经下降了几十倍,这个趋势还在继续,不仅涉及CAPEX,而且还包括OPEX,这是一个大趋势。目前,运营商关注的重点是不仅要降低投资成本,而且要降低运营成本,也就是说光通信已经不仅作为比特流传输,而且在运营上也要有充分的灵活性和高效性,能够把运营成本降下来。前几年,人们的努力方向就是把容量做大,把比特成本降低,而现在的系统设计则要求不仅是比特成本要降低,而且运营成本也要降低,即将总的投资回报期提前。目前,全球电信运营商在整个资本市场上都遇到了很大困难,惟一能做的两件事情是:第一是降低成本,第二是增加收入。增加收入并不容易,但是降低成本是可以做到的,也是最现实的,能够看得到的。企业在增加收入方面想出了各种各样的办法,但是毕竟都不实在,而降低成本是可以实实在在做到的,无论是从软件还是从硬件上。

第三,组网的方式开始从点到点和环网向网状网的方向演进,从而改进了组网的效率和灵活性。过去光通信大多数都是点到点,或者是环网,但从发展的眼光来看,由于IP的出现和发展,要求任意点到任意点的通信,因此网状网成为更加有效的组网方式,并将会获得越来越多的应用。

第四,光联网从静态方式向智能化的动态联网方式发展,改进了网络业务的响应、生存性和提供实时新业务的可能性。人们已经不再满足于静态的联网方式,而是希望采用动态的联网方式,能够以更快的速度实现联网应用。

第五,传送网正逐渐向业务网的方向演进。光靠卖连接已经没有几年饭可吃了,而且这种方式的成本和利润越来越低,惟一的办法是把传送网从纯粹的连接提供者变成各种业务的提供者,这就要求我们下功夫寻找突破口,而动态指配和光交换是关键,当然还有一些其他的措施。

第六,从网络总体结构来说,形成了两大不同的发展方向:一个是网络核心,一个是网络边缘。核心网逐渐趋向于传送层和业务层独立发展,不太可能把它们融合在一起,因为这里面技术差异、功能要求差异太大了;网络的边缘层则是向传输和业务融合的多业务平台发展,即趋向于融合。现在已有多种技术选择方案,在多数情况下,SDH多业务平台可能是近期最现实合理的主要技术方案选择。

40G网络传输的优势

下一代光通信的发展趋势离不开容量,因为光通信的老本就在容量。容量演进的发展方向一是时分复用方式,另一个是波分复用方式。时分复用方式即将达40Gb/s,再发展不是不可能,但从经济技术综合的意义来讲是不值得的。这样只有往波分复用方向发展。

10G从1996年第一次问世以来到今天为止已经进行了大规模的铺设,在中国铺设的量也相当大,中国电信三个大环网已经开通,随后联通、铁通的大环也都开通。下一步符合逻辑的想法是发展40G。那么采用40G有什么优势呢?

第一,可以比较有效地使用传输频带,频谱效率比较高。

第二,减少了设备的成本,如果40G的成本能降到10G实际成本的3倍以下时,就达到了合理应用的程度;如果能够降到这一点的话,就可能实现大规模的应用;如果降不到这点,就很难应用。今天看来还没有达到这一步。有的厂家宣布已经可以达到4倍于10G的成本,但是我们还没有看到它的实际应用,多数情况下成本可能达到七八倍左右。

第三,减少了OAM的成本、复杂性以及备件的数量。这是很明显的,因为它只用一个网元代替了四个网元,自然简单了很多。

第四,每比特的成本比其他的城域网的方案更加经济。

第五,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。因此,随着路由器有了10G的端口,核心传送网理应转向40G。也就是说传送网应该比路由器接口速率高四倍,这样组网效率较高。目前中国电信已经开始在路由器上装备10G接口,在上海到杭州的Cisco路由器上已经采用了10G接口,不久别的地方也会慢慢跟上来。可能用不了几年,大多数骨干路由器的端口都是10G了,在这样的前提下就会迫使传输设备走向40G。

40G传输的关键技术

一,色度色散补偿和极化模PMD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,做起来很困难。 第二,光信噪比的要求较难满足。因为整体上说,它比10G要求提高了6dB,差不多要求32dB的光信噪比。这么高的光信噪比如果没有喇曼放大器,则是很难做到的。

第三,调制格式的选择。40G调制是一个很大的难题,有那么多选择,如NRZ码、差分相移键控RZ码(RZ-DPSK)调制方式、光孤子(Soliton)调制方式、伪线性RZ调制方式、啁啾的RZ(CRZ)、全谱RZ(FSRZ)、双二进制,究竟哪一种好呢?目前还没有结论。看来,短距离传输采用传统的NRZ,而长距离传输DPSK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。这种调制方式的光信噪比可以比NRZ改进约3dB,有些情况下可能高达6dB,是一种能有效扩展传输距离和适合40Gb/s速率的调制新技术。

第四,超级FEC。其实这是一个非常古老的技术。1984年,笔者在加拿大学习的时候,笔者的一个同学所做的论文就是FEC。从1984年到现在,已经过了18年了,它才开始形成大规模的应用。这个技术的发展是很有意思的,在当时的条件下,电信采用的是多模系统,但后来转成单模,因而就不需要FEC了。但是随着光速率达到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40Gb/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。

第五,封装技术。在40G速率下封装技术也成为一个难点。光纤耦合容差仅0.2mm,所以在范围很宽的温度下能够继续维持稳定工作并不是一件简单的事。

第六,交换机和路由器的接口难度更大,需要非常复杂的处理能力,包括在40Gb/s速率下实现包基础的业务量整形、过滤和优先。它涉及很多元件,包括成帧器、网络处理器、流量工程实现芯片和高速I/O芯片等。预计其商用化时间比传输系统还晚一年。

40G传输网络的材料

40G的材料也是一个问题。过去我们习惯用硅锗和镓砷,到了40G时代可能这两种材料的性能已经不能满足要求了,在很多场合下可能需要采用InP(铟磷)材料了。InP属于半导体Ⅲ-Ⅴ族成员,这种材料比硅锗的电压低,比镓砷的功耗低,尺寸非常小,可以小于1mm2,电光效应比其他材料都强,而且可以用来构成各种有源和无源的集成器件,还可以作为半导体应用在超高速电子电路,包括40GB/s速率的驱动电路等上。在这样的超高速度下其性能优于硅锗和镓砷材料。看来InP材料将是40G的首选材料。

当然它的缺点是制作比较困难,不像硅锗和镓砷材料那样成熟,特别是由于芯片尺寸太小,使得与光纤的耦合变得困难,而且插损大。为了克服这一困难,可以采用锥形结构作耦合来实现InP芯片模斑尺寸与光纤端面的匹配。

总之,由于上述种种技术难点以及电信市场的低迷,40G系统的规模商用化时间还需要两年左右的时间,但其终将到来却是不以人的意志为转移的趋势。

下一代干线光纤的闪光点

光纤作为传输媒质,为光传输提供了巨大而廉价的可用带宽,在光传送网的发展中起着重要作用。特别是光缆的寿命高达20年,一次敷设后就很难再动,因此光纤参数的设计必须要有前瞻性,充分考虑设备和系统技术的发展趋势。下一代电信网需要支持更大容量、更长距离和更宽频谱范围的传输,因而开发敷设下一代光纤已成为历史的必然。

1993至1995年分别出现了以真波光纤和leaf光纤为代表的G.655光纤,并获得了大规模网络应用。包括笔者在内的多数人在一段时间内认为似乎光纤的研究已经到头了,现在看起来并不是这样。随着速率提高到40GB/s以及超长传输距离的实施,特别是复用波长数的继续增加,传统G.655光纤的弱点已经开始显露。例如低色散斜率光纤的零色散点仍然太高,接近S波段的低端,不利于开放S波段;而大有效面积光纤的高色散斜率和相对色散斜率、高零色散点和过大的有效面积对超高速超大容量系统的进一步发展更加不利。因此为了适应下一代光网络发展的需要,光纤参数的继续优化十分必要。目前在干线光纤上有这样几个主要发展趋势:

第一,色散斜率需要进一步降低,以保证低端和高端的色散差不至于过大。笔者一直认为色散斜率一定要小,因为过去只顾C波段,斜率高一点儿无所谓。现在要扩展到L波段乃至S波段,这个问题就严重了,这方面对大有效面积光纤很不利,其色散斜率高达0.085ps/(nm2·km)。

第二,色散值需要继续适当增加,以保证足以压制FWM影响,实现更窄的波长间隔。最早的时候G.652光纤的色散值为17ps/(nm·km),大家认为太大,需要减少,后来出现了G.655光纤。但开始走向另一极端,起初有些光纤的色散值仅1 ps/(nm·km)、2ps/(nm·km),后来增加到4ps/(nm·km),目前看来都不够,现在是160个波长,如果到了300个乃至1000个波长时怎么办?所以色散值一定要足够大,但又不能回到原来G.652的值,所以笔者看6~8 ps/(nm·km)是比较合适的,已足以压抑四波混频的影响,可以适应越来越多的波长通路数需求。

第三,光纤的相对色散斜率需要继续减小,以便简化色散斜率补偿,改进补偿效率,降低系统成本。这方面大有效面积光纤的弱点很明显,很难补偿。

第四,光纤有效面积需要最佳化,从而兼顾非线性损伤和喇曼增益。前几年多数人认为大有效面积是好事,而笔者始终认为有效面积要适度,低色散斜率更重要。现在由于喇曼放大器的出现和发展,大有效面积光纤的喇曼增益低的弱点更加明显,业界已经将重点转向低色散斜率,而有效面积趋向比较适中的55~65mm2;

第五,零色散点需要继续向短波长方向移动(如1400nm附近),避开S波段,以保证S波段以及C波段和L波段的正常工作。这方面不仅传统低色散斜率光纤和大有效面积光纤的零色散点均太高,即便是特锐Ultra光纤也太高。

上述五个主要发展方向已经导致ITU-T开发新一代的G.655.B光纤标准,目前已经有特锐Ultra光纤、真波Reach光纤和PureGuide光纤问世,其他厂家也都在努力研制这类新一代的干线光纤。可以相信,这种新一代的光纤将逐渐成为未来的主导干线光纤。

【相关专题】

40G光网络传输技术

(中国联通网站)

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