高效通信：其他光纤系统优化

光纤传输容量的提升与单波长传输速率紧密相关，从单波长的传输速率角度来看，其经历了从10 Gbit/s、40 Gbit/s到100 Gbit/s的发展过程，并正向400 Gbit/s、1 TGbit/s方向迈进。单波长超400 Gbit/s系统的研究多采用多信道（子载波）复用系统，此时传输速率的提升主要从以下两个方面考虑：（1）增大单信道的基本传输比特率，（2）增大复用的信道数。

增大单信道的基本传输比特率可以采取的有效手段是采用光时分复用技术或者是更高级的调制方式。由于应用于光时分复用系统中的很多关键性器件仍处于实验研发阶段，使得OTDM 技术发展相对滞后，但光时分复用技术在高速光通信系统中有非常好的应用前景。

増大复用的信道数，可以通过减小复用信道间的频率间隔，使信道复用更为密集来达到，这可从两个方面改进和突破：一是在每个信道内采用频谱利用率更高的调制方式，限制信号频谱带宽，缩小信道频率间隔；二是采用能缩小信道频率间隔的信道复用方法，如正交频分复用、奈奎斯特波分复用、超奈奎斯特波分复用等技术方法。

光纤通信系统中高速信号的传输正在采用多种复用技术，如波分复用、时分复用、偏振复用以及振幅-相位正交复用等，人们认为单模光纤的传输潜力已经逼近非线性仙农容限，需要采用新的复用方式以实现信道容量的有效增长。目前，频率、时间、偏振、正交调制等复用维度均已被应用，最后一个还没有被利用的光纤通信物理维度就是空间维度。因此，空分复用技术被认为是下一代的复用技术，可以大幅提高光纤通信系统的系统容量。空分复用包含多芯复用和模式复用。

本节针对光时分复用、空分复用、模分复用、奈奎斯特脉冲整形及其系统进行介绍。

1.光时分复用系统

光时分复用（OTDM）技术是提高每个波道上传输信息容量的一个有效的途径。电时分复用（ETDM）技术在电子学通信领域已经是相当成熟的技术。由于受电子速度、容量和空间兼容性等多方面的局限，ETDM 复用速率不能太高，达到40 Gbit/s已相当困难了。OTDM的原理与ETDM 一样，不同的仅是复用在光层上进行，复用速率可以很高。

（1）OTDM 系统构成

OTDM 是指在光上进行时间分割复用，当速率低的支路光信号在时域上分割复用成高速OTDM 信号时，应有自己的帧结构，每个支路信号占帧结构中的一个时隙，即一个时隙信道。存在两种形成帧的时分复用方式：比特间插和信元间插，信元间插也称为光数据包复用。比特间插复用是使用较为广泛的复用方式，其复用原理如图9.42所示。

图9.42　OTDM 系统

在这一系统中，超短光脉冲光源作为整个系统的光源，经过光分路器分成N 束，各支路信号被调制在光源产生的光脉冲上。超短光脉冲光源的脉冲宽度要求在数十或数百飞秒量级，且必须没有或极低啁啾、低抖动和稳定。目前，比较成熟的高重复速率超短脉冲光源主要有两类：半导体超短光脉冲源与锁模光纤激光器。经过调制的光脉冲通过延迟线阵列，使第一路的延长时间为0，第二路延迟时间为T（线路码一个比特持续时间），第三路的延迟时间为2T，…，依次类推，第n路的延迟时间为（n-1）T，从而使各支路光脉冲精确地按预定要求在时间上错开，再经过光耦合器将这些支路光脉冲串复用在一起，送入光纤中进行传输。

在接收端首先恢复光时钟信号。光时钟的恢复有多种方法，如利用锁模激光器的光注入锁定的方法，将入射光信号注入半导体外腔激光器或光纤环激光器中，引入幅度或相位调制而产生锁模，可在接收端全光恢复位时钟或帧时钟。

接收端的光时分解复用器为一个光控高速开关，在时域上将支路信号分开，分别送入接收端的接收机。高速光开关在逻辑上可以是一个全光的与门或者电/光脉冲控制的开关器件。

（2）OTDM 技术特点

OTDM 技术的主要特点如下。

①系统可以工作在单波长状态，具有很高的速率带宽比，可以有效地利用光纤的带宽资源。特别是和WDM 技术相结合，可以联手实现超长距离、超大容量的光纤传输。

②OTDM 技术可以克服WDM 技术中的一些固有限制，如光放大器级联导致的增益谱不平坦、信道串扰问题、非线性效应的影响以及对光源波长稳定性的要求等。

③OTDM 技术能够提供从兆赫兹到太赫兹任意速率等级的业务接入，对数据速率和业务种类具有完全的透明性和可扩展性，无须集中式资源分配和路由管理，比WDM 技术更能满足未来超高速全光网络的需求。

从目前的研究情况看，OTDM 的一个发展方向是研究更高速率的系统，从40 Gbit/s、80 Gbit/s，直到640 Gbit/s的传输系统。从传输的角度来看，实现OTDM 需要解决的关键技术主要有：高重复率超短光脉冲源；超短光脉冲的长距离传输和色散抑制技术；时钟恢复技术；时分复用技术；帧同步及路序确定技术。

可以预测，随着全光处理技术、光逻辑技术和光存储技术的成熟，OTDM 最终将会成为光纤通信技术中的主流技术。

2.空分复用和模分复用系统

光纤通信中的空分复用（SDM）的概念是源自无线通信。实现方法是利用多芯光纤或者多模光纤在空间上的自由度来复用多路信道，目的在于解决目前单模光纤的容量瓶颈。特别地，利用多模光纤实现空间复用被称为模分复用（MDM）。

SDM 系统利用支持多个光纤模式或者支持多个纤芯的SDM 光纤作为传输介质，容量提高的多少与模式数或纤芯数成正比。可以用在SDM 系统中的光纤有少模光纤（FMF）、多模光纤（MMF）、多芯光纤（MCF）、环芯光纤（RCF）、MCF-MMF 混合光纤和光子晶体光纤（HCF），如图9.43所示。

图9.43　SDM 用光纤

根据使用的传输介质进行分类，SDM 系统主要分为：①基于单模光纤束/带系统，通过降低支撑材料和改变光纤的排布方式实现多根单模光纤的紧凑排布；②基于多芯光纤系统，光纤纤芯仍可单模传输，多个纤芯共用包层，通过设计尽可能减少纤芯之间串扰；也可实现多芯光纤和少模光纤结合的多芯少模光纤；③基于少模/多模光纤的系统，利用少模/多模光纤中的不同模式承载不同的信号以提升传输系统的容量。

SDM 光纤中的每个纤芯或每个光纤模式作为独立的传输信道，因此SDM 光纤通信系统在系统结构上不同于单模光纤通信系统。图9.44和图9.45分别给出了SDM 和MDM 系统原理图。SDM 系统的传输光纤采用了多芯光纤。MDM 系统的传输介质是少模光纤，相比单模传输系统，MDM 系统在发射端和接收端增加了模式复用器/解复用器，将N 个单模信道上的信号复用到少模光纤的N 个模式信道上，或将少模光纤中N 个模式信道上的信号解复用到N 个单模光纤中。各个模式信道在少模光纤中传输时，通常存在着不同程度的模间串扰，其中简并模之间的串扰很难避免，因此在接收端通常要用多输入多输出（MIMO）技术将所有模式解出来。

图9.44　SDM 系统原理图

图9.45　MDM 系统原理图

大容量SDM/MDM 系统通过使用多路空间信道实现传输容量的成倍提升，但是相应使用的光器件和电器件数量也成倍增长，由此使得系统的体积和功耗大幅度增长。由于目前实际线路敷设的光纤为单模光纤，不能够支持SDM/MDM 系统，因此系统的实用需要敷设新的光纤以实现系统和网络的升级。

目前SDM/MDM 系统要解决的关键问题如下。

①多芯光纤、少模光纤的制备。

②SDM/MDM 系统用器件的设计和制备。相比于单模光纤传输系统，新加入的器件主要有模式转换器、模式复用器/解复用器、模式放大器，以及模式光分插复用器等。

③MIMO 数字信号处理技术，即信道均衡算法。在MDM 系统中高阶模式和低阶模式之间存在着模式差分群时延和模式耦合现象，因此在接收端不可避免地存在着码间干扰，必须对信道引起的信号畸变进行矫正，即采用信道均衡技术。

④MDM 系统的传输容限问题的研究。需要综合光纤、器件、系统等方面的研究，以得到最终的解答。

⑤MDM 系统的物理层安全问题。

SDM/MDM 技术被认为是下一代的复用技术，随着技术的不断进步，结合WDM 技术将会使光纤通信系统的传输容量得到极大的提升。

3.奈奎斯特WDM 系统

减小信道间隔是提高频谱效率、提高传输容量的有效手段。随着信道间隔的减小，光纤通信系统的同一根光纤中不同信道内信号的频谱将发生频谱混叠，出现了同频串扰问题。串扰使得信号频谱发生畸变，严重时导致误码率增加。

奈奎斯特WDM 系统的基本思想是在发射端对各路调制信号进行滤波整形，使信号频谱集中在较小的频率带宽内，即滤波后频谱满足边缘陡峭的频谱特性——接近矩形，从而使得相邻的子载波的频率间隔大大降低而不引起信道间的串扰，从而提高频谱效率。

奈奎斯特WDM 系统的子载波之间没有正交关系，彼此独立，在接收端可以通过光滤波器将载波分离进行独立的相干接收。这一方案的特点是接收端比较简单，但是在发送端的频谱整形对于光滤波或者电子信号处理都提出了很高的要求，奈奎斯特WDM 的谱成形或者调制方法如图9.46所示。

图9.46　奈奎斯特WDM 的谱成形方法

基于奈奎斯特滤波原理，只要对应的滤波器具有理想的矩形频谱，就可以实现光谱宽度等于基带电信号波特率的理想整形，这样的矩形频谱信号降低了相邻光载波间的串扰，提升了频谱效率，奈奎斯特信号的频域和时域形状如图9.47所示。

图9.47　奈奎斯特理想滤波的频谱和时域波形

从实现的角度考虑，完全矩形的频谱需要无限长的DSP 抽头滤波器或完全矩形光滤波器，这是难以实现的，因此引入滚降因子的概念，通过在载波间加入一定程度的滚降带宽，得到一个如图9.48所示的类似梯形的频谱，这样的奈奎斯特WDM 系统载波间没有正交关系，相互独立，在接收端可以基于光滤波器分离光子载波后进行独立的相干接收，和现有的100 Gbit/s相干接收机基本类似。

图9.48　基于滚降因子的奈奎斯特信号频谱

奈奎斯特波分复用（Nyquist-WDM）技术由于较高的频带利用率而受到业界重视。然而，进一步提升系统频谱效率面临着无码间干扰奈奎斯特传输准则的限制。

超奈奎斯特光传输技术通过允许码间干扰存在，突破了奈奎斯特传输准则的约束，以换取系统频谱效率的提升，码间干扰的影响由数字信号处理技术提供的运算能力进行均衡与补偿。传统的WDM 系统调制方式应用于超奈奎斯特WDM 系统中，在信道间隔小于码元速率时会带来较严重的信道间干扰，一般采用双偏振正交双二进制（DP-QDB）调制，其已调信号的窄频谱带宽优势可以降低系统码间干扰。对于DP-QDB 接收信号的传输损伤和自身的码间干扰（ISI）问题，采用相干接收及信号处理（DSP）技术是可行的解决方法。

对于采用多信道（子载波）复用的单波长系统，超奈奎斯特WDM 传输将信道间隔缩至小于码元速率，以更密集的信道复用提高频谱利用率，成为提升单波长传输速率的一个有效途径。

4.光孤子通信系统

对于常规的线性光纤通信系统而言，限制其传输容量和距离的主要因素是光纤的损耗和色散。随着光纤制作工艺的提高，光纤的损耗已接近理论极限，因此光纤色散成为实现超大容量光纤通信亟待解决的问题。光纤的色散，使得光脉冲中不同波长的光传播速度不一致，结果导致光脉冲展宽，限制了传输容量和传输距离。由光纤的非线性所产生的光孤子可抵消光纤色散的作用，因此，利用光孤子进行通信可以很好地解决这个问题，它是一种很有前途的通信技术，是实现超大容量、超长距离通信的重要技术之一。它是靠不随传输距离而改变形状的一种相干光脉冲来实现通信的，这里的相干光脉冲即是光孤子（Soliton）。

研究工作表明，当进入纤中的光功率较低时，光纤可以认为是线性系统，其折射率可以认为是常数；当使用大功率、窄脉冲的光源耦合进光纤时，光纤的折射率将随光强的增加而变化，产生非线性效应。

光纤中的孤子是光纤色散与非线性相互作用的产物，服从非线性薛定谔方程（NLSE），受光纤线性与非线性的支配。光纤的群速色散（GVD）使孤子脉冲在传输过程中不断展宽；光纤损耗亦使脉冲按指数展宽，且幅度衰减。光纤的非线性则使脉冲压缩。光纤中孤子是色散与非线性相互作用达到平衡时的产物，两者共同对光脉冲的作用结果是使光脉冲在传输中保持形状不变。所以光纤特性对光孤子的形成、传输演变特性与通信能力有决定性的影响，是支撑光纤孤子通信的决定性因素。

光纤孤子通信系统的基本构成与一般光纤通信系统大体相似，其主要差别在于光源应为光孤子源，光放大器代替光/电/光中继器。此外，由于信号速率较高，多采用外调制器。图9.49为光纤孤子通信系统的组成框图。由光孤子源产生一串光孤子序列，即超短光脉冲，电脉冲通过外调制器将信号载于光孤子流上，孤子流经光放大器放大后送入光纤进行传输。长距离传输途中需经光放大器将信号进行中继放大，以补偿光脉冲的能量损失，同时还需平衡非线性效应与色散效应，最终保证脉冲的幅度与形状的稳定不变。在接收端通过高速光检测器及其他辅助装置将信号进行还原。

图9.49　光纤孤子通信系统组成框图

光纤孤子通信系统中的关键器件是光孤子源。理论证明，光孤子源发出的光孤子应具有双曲正割型或高斯型的轮廓，输出功率大，应是无啁啾的，并且稳定性要好。光孤子激光器种类有多种，如半导体增益开关激光器、色心激光器、锁模激光器等。光纤孤子通信系统中的光中继放大可以采用EDFA 和RAMAN 放大器补偿光纤损耗，实现光孤子长距离“透明”传输。系统传输使用的光纤主要是常规的G.652光纤、色散位移光纤等。

光纤孤子通信是一种非线性通信技术，依靠光纤的非线性和色散特性，实现传输过程中畸变光信号的分布式自整形，是实现高速长距离与超高速中短距离全光通信的理想方案。