1 、40Gbit/s高速光傳輸的技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用現(xiàn)狀

　　  1.1 40Gbit/s傳輸?shù)臉I(yè)務(wù)背景

　　  40Gbit/s傳輸技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展與以Internet為代表的電信網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)與技術(shù)的蓬勃發(fā)展是分不開的,，特別是最近幾年Internet流量的爆炸性增長直接推動了40Gbit/s傳輸需求的出現(xiàn)和網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用,。

　　  從運營商角度出發(fā)，建設(shè)40Gbit/s高速光傳輸系統(tǒng)的業(yè)務(wù)驅(qū)動力主要有兩個：一是骨干IP網(wǎng)絡(luò)核心路由器的高速互聯(lián)需求;二是某些大型金融機構(gòu),、科研機構(gòu)和政府部門用于其超級計算機或數(shù)據(jù)中心互聯(lián)的40Gbit/s高速電路租用需求,。對于國內(nèi)運營商來說，目前的需求均屬于第一種類型,，第二種類型需求集中在北美,、歐洲等發(fā)達(dá)國家和地區(qū)。

　　  中國電信的ChinaNet的規(guī)模和容量在全球骨干IP網(wǎng)絡(luò)中已達(dá)到數(shù)一數(shù)二的位置,，中國聯(lián)通(原中國網(wǎng)通)的骨干IP網(wǎng)絡(luò)也位列全球超大型IP網(wǎng)絡(luò)之列,，因此這兩家運營商在國內(nèi)最早出現(xiàn)對40Gbit/s高速光傳輸技術(shù)的需求，也最早建設(shè)商用40Gbit/s WDM傳輸系統(tǒng),。目前,，40Gbit/s網(wǎng)絡(luò)建設(shè)集中在骨干網(wǎng)，未來還將向城域網(wǎng)延伸,。

　  　1.2 40Gbit/s傳輸?shù)募夹g(shù)路線

　  　雖然早期業(yè)界曾提出采用4個10Gbit/s波道傳輸40Gbit/s信號的反向復(fù)用(IMUX,，Inverse Multiplexing)解決方案，華為,、愛立信(前馬可尼)等廠商還推出了成熟的商用設(shè)備。但是隨著需求和技術(shù)的發(fā)展,，最終人們還是選擇了單波道提速的路線,，正如當(dāng)年2.5Gbit/s WDM系統(tǒng)提速到10Gbit/s WDM系統(tǒng)一樣，40Gbit/s WDM傳輸技術(shù)成為40Gbit/s傳輸?shù)闹髁鹘鉀Q方案,。

　　  從10Gbit/s到40Gbit/s,，信號速率提高了4倍，但是技術(shù)難度的增長卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止4倍,。40Gbit/s信號苛刻的傳輸性能要求使得沿用10Gbit/s傳輸技術(shù)完成40Gbit/s信號的長距離傳輸成為一項不可能完成的任務(wù),。我們假設(shè)都采用傳統(tǒng)的NRZ碼型：40Gbit/s信號的ONSR(光信噪比)要求比10Gbit/s信號高6dB，但是由于非線性效應(yīng)的影響,，入纖功率又要低1～2dB,，因此40Gbit/s信號的OSNR受限距離大約只有10Gbit/s信號的1/6;更嚴(yán)重的，40Gbit/s信號的色度色散和偏振模色散(PMD)受限距離只有10Gbit/s信號的1/16,。因此,，40Gbit/s WDM傳輸需要一系列新技術(shù)來實現(xiàn)與10Gbit/s WDM傳輸大致相當(dāng)?shù)臒o電中繼傳輸距離。其中先進調(diào)制碼型是40Gbit/s WDM傳輸使能技術(shù)中最突出的代表,，下面進行重點介紹,。

　　  調(diào)制碼型是40Gbit/s WDM傳輸技術(shù)中最精彩的部分，也是最豐富的部分，目前已商用的碼型達(dá)到近10種,。根據(jù)其技術(shù)特點,，可以簡單歸成3類：

　  　(1)相位輔助的強度調(diào)制碼型：其特點是信號通過強度調(diào)制方式傳遞，使用普通的直接檢測技術(shù),，但是引入特定的相位調(diào)整手段來改善傳輸性能;代表性碼型包括CSRZ(載波抑制歸零碼),、DRZ(差分歸零碼)和ODB/PSBT(光雙二進制碼/相位整型二進制傳輸碼)。

　  　(2)強度輔助的相位調(diào)制碼型：其特點是信號通過相位調(diào)制方式傳遞,，使用差分或者相干等接收技術(shù),，具有較好的傳輸性能，同時引入NRZ,，RZ等強度調(diào)制手段來達(dá)到改善傳輸性能,、使用50GHz間隔等目的;代表性碼型包括RZ-DPSK(歸零-差分相移鍵控碼)，NRZ-DPSK(非歸零-差分相移鍵控碼)和RZ-DQPSK(歸零-差分四相相移鍵控碼),，目前在現(xiàn)網(wǎng)應(yīng)用較多的P-DPSK(部分差分相移鍵控碼)也是一種特殊的NRZ-DPSK碼,，其特點是通過控制差分的幅度，抵消濾波效應(yīng)帶來的影響,，從而以較小的代價實現(xiàn)50GHz間隔傳輸,。

　　  (3)偏振復(fù)用調(diào)制碼型：其特點是利用相互正交的兩個偏振態(tài)來傳遞不同的信息，提高系統(tǒng)頻譜使用率,，降低單信道的信號速率,，每個偏振信道的調(diào)制方式可以是上述調(diào)制碼型的任意一種;目前在40Gbit/s WDM傳輸系統(tǒng)中實現(xiàn)商用的偏振復(fù)用調(diào)制碼型只有北電的DP-QPSK(雙極性四相相移鍵控碼)。

　　  先進調(diào)制碼型在40Gbit/s WDM傳輸系統(tǒng)中發(fā)揮的作用是全方位的,，例如：延長傳輸距離,，目前40Gbit/s WDM系統(tǒng)無電中繼傳輸距離已經(jīng)超過了1000km甚至1500km;滿足50GHz間隔傳輸，提高頻譜利用率;提高PMD容限,，降低對光纜PMD性能的要求,，擴大現(xiàn)網(wǎng)適用范圍。表1列舉了目前在國內(nèi)傳輸設(shè)備市場較活躍的廠商40Gbit/s WDM傳輸設(shè)備采用的碼型技術(shù)特點和應(yīng)用場景,。

　  　表1 40Gbit/s WDM系統(tǒng)常用碼型比較表

　  　除了調(diào)制碼型以外,，可調(diào)色散補償技術(shù)(用于彌補40Gbit/s信號色散容限過低的限制)、高速芯片技術(shù)(40Gbit/s FEC,，F(xiàn)ramer,，SerDes等核心芯片)、高速調(diào)制/解調(diào)技術(shù)等也是40Gbit/s WDM傳輸系統(tǒng)的重要使能技術(shù),。

　  　1.3 40Gbit/s傳輸設(shè)備的發(fā)展與應(yīng)用

　　  在40Gbit/s應(yīng)用方面,，傳輸設(shè)備的滯后實際上成為前些年40Gbit/s無法廣泛應(yīng)用的瓶頸因素。Cisco,，Juniper等主流路由器廠商早在2006年就推出了商用40Gbit/s POS板卡,，但是40Gbit/s WDM傳輸設(shè)備的普及是在2007年以后。特別是到了2008年，主流傳輸設(shè)備廠商都已發(fā)布了40Gbit/s WDM傳輸設(shè)備,，在國內(nèi)較活躍的廠商有華為,、烽火、中興,、北電,、上海貝爾、愛立信等,。

　　  目前,，主流廠商40Gbit/s WDM傳輸設(shè)備已經(jīng)系列化，既有支持中短距離傳輸?shù)腛DB/PSBT等碼型,，也有支持中長距離傳輸?shù)腄PSK碼型,，甚至更復(fù)雜的DQPSK，DP-QPSK等碼型,，設(shè)備的適用性得到了極大提高,。主流電信運營商也已廣泛認(rèn)可40Gbit/s WDM傳輸技術(shù)和設(shè)備的成熟性，按照業(yè)內(nèi)知名咨詢公司Ovum在2008年11月下旬最新出版的行業(yè)報告中的統(tǒng)計,，截至2008年,，全球已經(jīng)有超過30個運營商部署了40Gbit/s傳輸網(wǎng)絡(luò)，其中就包括中國電信和中國聯(lián)通(原中國網(wǎng)通),。在該報告中,，Ovum公司認(rèn)為40Gbit/s傳輸技術(shù)已經(jīng)進入“普及應(yīng)用階段(Generalized Deployment Phase)”，將迎來健康持續(xù)的發(fā)展期,。

　　  中國電信是國內(nèi)最早關(guān)注40Gbit/s傳輸?shù)碾娦胚\營商,。早在2004年，中國電信就開始了40Gbit/s傳輸技術(shù)研究工作,，與國家科技部“八六三”計劃合作,，于2005年建成“上海—杭州40Gbit/s WDM實驗傳輸系統(tǒng)”并運行至今,，這是國內(nèi)第一個,，在國際上也屬于較早的40Gbit/s現(xiàn)網(wǎng)實驗傳輸系統(tǒng)。此后在多年持續(xù)跟蹤研究40Gbit/s傳輸技術(shù)與設(shè)備的基礎(chǔ)上,，2008年中國電信建設(shè)了國內(nèi)第一個商用40Gbit/s WDM傳輸系統(tǒng),，即“上海—無錫80×40Gbit/s WDM系統(tǒng)”，同時于2008年下半年進行了多廠商參加的40Gbit/s WDM傳輸設(shè)備及系統(tǒng)驗證性測試,，有力地推動了國內(nèi)40Gbit/s傳輸產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,。從2009年開始，中國電信將根據(jù)其業(yè)務(wù)發(fā)展情況,，按步驟推進骨干40Gbit/s傳輸網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模部署,，首批建設(shè)的40Gbit/s WDM傳輸網(wǎng)絡(luò)覆蓋了長三角、珠三角等業(yè)務(wù)發(fā)展良好、40Gbit/s應(yīng)用需求迫切的地區(qū),。中國聯(lián)通(含原中國網(wǎng)通)也于2008年開始建設(shè)第一個商用40Gbit/s WDM傳輸網(wǎng)絡(luò),，覆蓋了華北地區(qū)的主要城市。

　　  隨著產(chǎn)業(yè)鏈日漸成熟,，40Gbit/s傳輸相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)工作也日趨完善,。ITU-T，OIF和國內(nèi)的CCSA都制定并發(fā)布了一系列技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),，有效促進了40Gbit/s傳輸設(shè)備的現(xiàn)網(wǎng)應(yīng)用,。

　　  2 40Gbit/s高速光傳輸技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)

　　  雖然40Gbit/s高速光傳輸技術(shù)已經(jīng)步入了規(guī)模商用階段，但是為了應(yīng)對復(fù)雜的現(xiàn)網(wǎng)應(yīng)用環(huán)境和未來業(yè)務(wù)發(fā)展的進一步需求,，40Gbit/s傳輸技術(shù)還面臨著一些挑戰(zhàn),。這些挑戰(zhàn)有技術(shù)領(lǐng)域的，例如現(xiàn)網(wǎng)光纖PMD對40Gbit/s傳輸?shù)南拗?也有成本方面的,，例如持續(xù)降低40Gbit/s WDM傳輸系統(tǒng)的成本,，實現(xiàn)單比特×公里傳輸成本低于10Gbit/s WDM系統(tǒng);還有下一代100Gbit/s傳輸技術(shù)的發(fā)展帶來的挑戰(zhàn)等。本章將對這些挑戰(zhàn)進行詳細(xì)分析,，從中形成對40Gbit/s高速傳輸技術(shù)的未來發(fā)展方向和前景,。

    2.1 適應(yīng)于大PMD光纖的40Gbit/s傳輸技術(shù)

    對于OSNR，色散等40Gbit/s傳輸限制因素的相繼解決,，PMD成為目前影響40Gbit/sWDM系統(tǒng)無電中繼傳輸距離的主要限制因素,。普通40Gbit/s信號的PMD容限只有大約2～2.5ps，即使不考慮系統(tǒng)其它光學(xué)元器件帶來的PMD,，也只能在PMD系數(shù)優(yōu)于0.1ps/sqrt(km)的光纖中才具有實用價值,，在PMD系數(shù)優(yōu)于0.05ps/sqrt(km)的條件下才能發(fā)揮長距離傳輸?shù)膬?yōu)勢。這對現(xiàn)網(wǎng)40Gbit/sWDM系統(tǒng)建設(shè)的光纖選型要求是非?？量痰?，未來40Gbit/sWDM傳輸系統(tǒng)面臨的最大技術(shù)挑戰(zhàn)就是如何適用于大PMD光纖。

    在提高40Gbit/sWDM系統(tǒng)PMD首限傳輸距離方面,，業(yè)界已經(jīng)進行了很多努力,，提出了各種各樣的解決方案，這些方案可以歸納為以下3種：

    （1）PMD補償方式：其思路是沿用色散補償?shù)乃悸?，通過一定技術(shù)手段跟蹤線路PMD的變化并通過引入相反的偏振時延的方式實現(xiàn)PMD補償,；這種方式的思路簡單明了，但是由于PMD的動態(tài)特性,，PMD補償技術(shù)的實現(xiàn)難度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于色散補償技術(shù),，目前僅僅在一階PMD補償方案取得了一定進展，一些廠商號稱推出了商用模塊,，但是尚無規(guī)模商用部署的報道,，而且由于原理性缺陷,，目前高階PMD的補償機理尚無突破；因此,，PMD補償方式目前看來并不成功,。

    （2）先進調(diào)制碼型提高信號PMD容限：其思路是通過復(fù)雜的調(diào)制碼型，在保證40Gbit/s信號比特率不變的情況下降低信號波特率,，從而提高信號自身的PMD容限,，目前最常見的具備提高PMD容限功能的調(diào)制碼型主要有RZ-DQPSK和DP-QPSK兩種，其中前者僅僅依靠調(diào)制碼型,，而后者還涉及到第3種方式（電域均衡方式）,；目前，通過RZ-DQPSK碼型來提高40Gbit/s信號PMD容限是最廣為應(yīng)用的方式,，可以將PMD容限從其它碼型的2~2.5ps提升到6～8ps,，效果非常明顯。

    （3）基于相干接收的電域均衡技術(shù)：其原理是利用相干接收后電信號保留的光域相位信息,，分離PMD導(dǎo)致的信號畸變,，采用特殊電域均衡算法（硬件上通過高速ADC和DSP實現(xiàn)）糾正信號畸變，從而實現(xiàn)消除PMD影響的目的,；北電在業(yè)界最早推出了商用的解決方案,，其DP-QPSK碼型40Gbit/s信號的平均PMD容限可以達(dá)到25ps，甚至超過了10Gbit/s信號的水平,。

    上述3種方式的技術(shù)復(fù)雜度和使用范圍都有一定的區(qū)別,，筆者認(rèn)為：

    PMD補償技術(shù)由于存在原理性限制，不太可能成為一種規(guī)模商用方案,。

    DQPSK是近期需要重點關(guān)注的一種高PMD容限調(diào)制碼型,，它以適中的復(fù)雜度實現(xiàn)了6～8ps的平均PMD容限，將40Gbit/sWDM系統(tǒng)對光纖PMD系數(shù)要求降低到優(yōu)于0.2ps/sqrt(km),，國內(nèi)運營商的光纜網(wǎng)絡(luò)建設(shè)時間較晚,，大多數(shù)地區(qū)都能找到滿足該要求的光纖光纜。

    基于相干接收的電域均衡方案具有更好的性能,，可以說是PMD限制的終極解決方案,，筆者認(rèn)為該方案是100Gbit/sWDM傳輸?shù)慕鉀Q方案，但是對于40Gbit/sWDM系統(tǒng)來說,，還需要根據(jù)今后其發(fā)展情況和與現(xiàn)行方案的性價比關(guān)系來判斷,。

    2.2 持續(xù)降低成本的需求

    目前,，40Gbit/sWDM傳輸系統(tǒng)單位比特×公里的傳輸成本依舊高于10Gbit/sWDM系統(tǒng),，主要有3個原因：第一，40Gbit/sWDM傳輸技術(shù)自身復(fù)雜度較高,，研發(fā)成本的分?jǐn)傒^多,，元器件的成本也較高,；第二，40Gbit/s WDM系統(tǒng)的設(shè)備出貨量還遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于10Gbit/s WDM系統(tǒng),，無法形成較大的規(guī)模效應(yīng)來有效降低成本,；第三，40Gbit/s WDM系統(tǒng)的無電中繼傳輸距離不如10Gbit/s WDM系統(tǒng),，尤其在一些骨干網(wǎng)超長距離應(yīng)用場景中,，更多的OEO再生勢必提高40Gbit/s WDM傳輸系統(tǒng)的建設(shè)成本。

    因此,，持續(xù)降低40Gbit/sWDM系統(tǒng)的成本也應(yīng)該從上述幾個方面入手,。首先，運營商需要根據(jù)業(yè)務(wù)需求適度超前建設(shè)40Gbit/sWDM系統(tǒng),，只有較大的設(shè)備采購量才能形成規(guī)模效應(yīng),，降低單位比特×公里建設(shè)成本。其次,，40Gbit/sWDM傳輸系統(tǒng)的技術(shù)和性能還需要進一步提高,，特別是在無電中繼再生距離方面，需要達(dá)到甚至超過10Gbit/s WDM系統(tǒng)的水平,；上節(jié)分析的PMD受限問題也是部分場景40Gbit/s WDM系統(tǒng)成本高的重要原因,，PMD問題的有效解決也有助于降低40Gbit/s WDM系統(tǒng)的成本。

    總之,，40Gbit/s傳輸系統(tǒng)在成本方面的挑戰(zhàn)是實現(xiàn)低于10Gbit/sWDM系統(tǒng),。隨著技術(shù)進步節(jié)約的OEO再生成本和設(shè)備出貨量增大帶來的規(guī)模效應(yīng)，樂觀估計,，未來兩年左右,，40Gbit/sWDM系統(tǒng)的單位比特×公里傳輸成本接近甚至低于10Gbit/sWDM系統(tǒng)。

    2.3 100Gbit/s傳輸技術(shù)發(fā)展的挑戰(zhàn)

    雖然40Gbit/s相對于10Gbit/s已經(jīng)是一個飛躍,，但是40Gbit/s遠(yuǎn)不是高速傳輸速率的終點,。事實上，由100GE（100Gbit/s以太網(wǎng)）技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和接口帶動的100Gbit/s高速傳輸技術(shù)已經(jīng)得到了業(yè)界的廣泛關(guān)注,，成為高速光傳輸領(lǐng)域新的熱點,。

    在標(biāo)準(zhǔn)領(lǐng)域，ITU-T,，IEEE和OIF分別在100GOTU3,，100GE和100GDWDM3個領(lǐng)域積極推進相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的制定工作，預(yù)計在2010年底,，3個組織的主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)都將完成制定,。在設(shè)備研發(fā)及應(yīng)用領(lǐng)域，領(lǐng)先的設(shè)備廠商都啟動了100Gbit/s WDM傳輸技術(shù)的研究工作,，部分廠商發(fā)布了樣機并與一些運營商合作（集中在歐洲和北美）進行了多次100Gbit/s傳輸?shù)难菔?。因此?00Gbit/s傳輸技術(shù)的發(fā)展是迅猛的,，業(yè)界也出現(xiàn)了一種論點，即40Gbit/s只是過渡技術(shù),，100Gbit/s才是下一代高速網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準(zhǔn)速率,，網(wǎng)絡(luò)速率的提高可以跨越40Gbit/s，從10Gbit/s直接達(dá)到100Gbit/s,。

    支持上述觀點的一個佐證就是Ethernet的發(fā)展路線,，毫無疑問未來WDM傳輸系統(tǒng)的主要業(yè)務(wù)就是各種速率Ethernet接口的互聯(lián)互通。從10MEthernet到100GE,，IEEE一直以10倍為單位提高這Ethernet的速率,，10倍整數(shù)才是Ethernet的主流，40Gbit/s只是作為10Gbit/s與100Gbit/s之間過渡技術(shù)存在,。

    根據(jù)對路由器40Gbit/s接口應(yīng)用需求,，WDM傳輸?shù)募夹g(shù)特點，目前100Gbit/s設(shè)備發(fā)展現(xiàn)狀以及成本因素的分析,，筆者的觀點是：由于100Gbit/s的迅猛發(fā)展,，40Gbit/sWDM傳輸?shù)氖袌龃翱趯艿揭欢ㄓ绊懀菬o法跨越,，未來4~5年內(nèi)高速網(wǎng)絡(luò)建設(shè)依舊以40Gbit/s為主,，以后才會逐漸向100Gbit/s演進。理由如下：

    （1）從技術(shù)角度：目前100Gbit/s傳輸技術(shù)尚處于實驗室階段,，其成熟程度僅僅相當(dāng)于2005年前后的40Gbit/s傳輸技術(shù),；如果沒有100Gbit/s傳輸?shù)闹С郑?00GE接口即使出現(xiàn)，也只能用于同機房設(shè)備的互通,，無法應(yīng)用于骨干網(wǎng)絡(luò),。

    （2）從產(chǎn)業(yè)鏈角度：100Gbit/s傳輸上下游產(chǎn)業(yè)鏈尚未形成，存在諸如核心芯片,、測試儀表等諸多短板,，沒有產(chǎn)業(yè)鏈的支撐很難形成成熟的100Gbit/s傳輸市場。

    （3）從預(yù)計市場規(guī)模角度：越高速率的傳輸技術(shù),，可預(yù)期的應(yīng)用場景越有限,，100GE業(yè)務(wù)的傳輸手段相對豐富，特別是未來WDM傳輸技術(shù)與OTN調(diào)度技術(shù)相結(jié)合,，40Gbit/s甚至10Gbit/s線路速率都可以有效支持100GE業(yè)務(wù)接口,，因此100Gbit/s傳輸?shù)恼w市場規(guī)模存在不確定因素。

    （4）從性價比角度：40Gbit/s傳輸已經(jīng)實現(xiàn)了一定的規(guī)模應(yīng)用,，將為其帶來明顯的成本優(yōu)勢,，在未來若干年內(nèi)，100Gbit/s傳輸?shù)男詢r比尚難以超越40Gbit/s傳輸,。

    3高速光傳輸技術(shù)展望

    就在筆者撰寫本文的時候,，聽聞喜訊：被稱為“光纖之父”的英籍華人科學(xué)家高錕（CharlesC.Kao）博士被宣布授予2009年諾貝爾物理學(xué)獎，高錕成為三位獲獎?wù)咧徊@得二分之一的獎金,。這對于光通信行業(yè)內(nèi)的每個人來說,，都是一個振奮人心的好消息，光纖通信在信息化過程中的貢獻(xiàn)是有目共睹的,，這種成就完全有資格寫入人類發(fā)展史,。諾貝爾獎只是對歷史的回顧和肯定，作者也希望高博士的獲獎能夠成為一個象征,，光通信技術(shù)和產(chǎn)業(yè)都能在未來得到更廣大的發(fā)展,。

    無論在哪個階段，高速大容量WDM傳輸都是光通信技術(shù)中最具代表性的一種,，從2.5Gbit/s到10Gbit/s再到現(xiàn)在的40Gbit/s,，單波速率已經(jīng)提高了16倍；從最初的8×2.5Gbit/s到現(xiàn)在的80×40Gbit/s,，系統(tǒng)容量提高了160倍,；100Gbit/sWDM傳輸技術(shù)也已經(jīng)走向前臺，成為下一代高速光傳輸技術(shù)的代表,。

    隨著業(yè)務(wù)需求和相關(guān)技術(shù)的發(fā)展,，我們有足夠的理由相信，高速光傳輸技術(shù)還有廣闊的發(fā)展空間：一方面要繼續(xù)提高單波速率和系統(tǒng)容量,；另一方面需要進一步降低成本,，提高性價比，擴展適用范圍,?？傊咚俟鈧鬏敿夹g(shù)存在和發(fā)展的惟一價值就是更好地滿足人們的信息通信需求,。