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将光纤传输速率提升至100Gb/s以上
材料来源:激光世界           录入时间:2016/6/2 9:18:46

 

/Jeff Hecht 

 

100Gb/s的相干传输已经成为全球光纤骨干网的标准,预计未来的传输速度将更快。一些系统运行于数百Gb/s,实验室已经在处于研发阶段的单根光纤中获得了超过拍比特(1015bits/s的速率;该光纤能够在数十条独立的光路上传输光信号。这也许能让读者联想到上世纪90年代的爆炸式增长。

 

 

然而今天的情况更为复杂,因为该技术正在三个方面不断提升——基于阶跃折射率“标准”单模光纤的现有系统、采用大模场面积光纤的新系统、以及基于新型光纤类型的空分复用的开发。

上世纪80年代以来,相干传输和数字信号处理使得大部分9μm单模光纤得以应用。在北美和欧洲的线路中,泡沫时期安装的闲置光纤仍可以广泛使用。今天的长距离相干系统,能够在这类光纤上以接近一百个50GHz光学信道传输100Gb/s的信号——总计每组光纤对10Tb/s而新技术可能提供进一步的提升。

大模场面积光纤是新型海底和陆地光缆的首选光纤。大模场面积光纤的低非线性使它们能够在更长的距离上承载更高的数据率。

 

长远来看,研究人员正致力于可以通过空分复用增加容量的新光纤类型,如使用单根光纤内的分立纤芯,以及少模纤芯内的分立模式。潜在应用包括长距离传输和较短距离传输,从服务器场内到城市分布网络。

 

接近标准单模光纤的极限

 

今天的10Tb/s的光纤速率,已经比上世纪80年代中期的标准单模光纤400Mb/s的传输速率增加了25000。将相干发射器结合在一起以形成数百Gb/s的“超信道”,可以将容量额外增加约30%。诀窍在于组合多个激光发射器的信号,消除了分离传统50GHz道的缓冲区(见图1)。

 

1:使用间隔为50GHz10100Gb/s信道的1Tb/s传输a)与使用横跨375GHz范围的间隔37.5GHz10激光实现的1Gb/s超信道进行比较。超信道在频带上没有常规50GHz信道之间所展示的缓冲区b

 

经展示的单信道数据率已经达到Tb级。2014年,通过在匈牙利首都布达佩斯和斯洛伐克首都布拉迪斯拉发两地之间安装好的光纤环路,美国Infinera公司将1Tb/s的超信道信号发送了500km。单个光子学集成电路包含10个激光源。Infinera公司的Geoff Bennett介绍说,使用偏振复用正交相移键控(PM-QPSK),原型的1Tb/s线路卡可以覆盖更长的距离。利用现有的生产级500Gb/s线路卡,Infinera公司和Facebook在无需再放大的情况下,实现了超过4000km的传输距离Bennett将该进展归功于第二代相干系统中发射器和接收器之间的分离信号处理。

 

然而,标准单模光纤正接近无误传输容量的非线性香农极限。[1]噪声决定了传统的香农极限,所以可以通过复杂的编码机制增加线性介质的容量,这种机制将产生更高的功率以提高信噪比。然而,光纤是一种非线性介质,因此复杂编码引入的额外功率将产生非线性噪声。这将会降低信噪比,从而对传输效率施加更严格的限制,传输效率通常以bit/s/Hz来表征。结果是在编码速率与传输范围(见图2)之间形成一个固有的折衷。

 

2:标准单模光纤系统正逼近非线性香农极限,如右上图所示。蓝线表示实验演示,而黄色区域表示商业产品。垂直刻度显示掺铒光纤C波段容量(右)和频谱效率(左)。[3]

 


大模场面积光纤承载更多数据

 

大模场面积光纤在较大面积上传播信号,降低功率密度和非线性噪声。大模场面积光纤扩展传输容量和距离,因此实芯大面积光纤已成为新型长程陆地和海底光缆的标准配置。美国康宁公司和OFS公司均提供在1.55μm波段、有效模场至少125μm2、衰减系数小于0.19dB/km的光纤。光子晶体光纤的有效模场面积已超过1000μm2,但对通信应用而言它们的损耗还远远过高。

 

大模场面积单模光纤通常具有较高的色散。但是因为相干传输和数字信号处理已使强大的电子色散补偿成为可能,因此色散不再是问题。

 

大面积光纤的传播允许使用更高功率和更先进的编码技术,以提升数据率和传输距离。在美国Comcast公司的长程网络中,使用近千公里的这种大模场面积光纤,美国Ciena公司发送了16-QAM调制承载实时流量1Tb/s超信道。得益于先进的编码机制,频谱效率达到了500 bits/s/HzBennett介绍说,实验室测试结果将PM-8QAM信号的传输距离提升了近三倍,达到了跨大西洋的距离。

 

3包含三种不同类型纤芯每根能承载三种模式的36芯光纤用于日本东京一家科研机构的实验中。[5]

 

正如美国TE Connectivity SubCom公司的Neal Bergano所说,大面积、低损耗光纤也已成为长距离海底光缆的标准。具有八个光纤对和先进编码机制的越洋光缆,具有80Tb的容量。在最近的试验中,Bergano的研究组在9748km试验台上,发送了152200Gb/s的偏振复用16-QAM信道,效率为6b/s/Hz[2]但预计容量将在标准单模光纤的约10倍以上时达到极限。

 

空分复用

 

从长远来看,空分复用通过在两点之间的平行物理路线上发送信号,能提供潜在的百倍容量提升。贝尔实验室的Peter Winzer称之为继时间、相位、频率和偏振后,光学复用的第五物理维度。[3]

 

在同根光缆中分离光纤的空间复用已被认可,但对集成其它组件,如放大器而言前景黯淡。多芯光纤和多模纤芯为集成提供了更多希望,但它们需要得到巨大的发展。“我们都知道并行系统将会出现。但问题是哪种形式的并行系统最具经济意义。”Winzer说道。

 

早期的多模和多芯测试令人鼓舞。在2012European Conference on Optical CommunicationsECOC)会议上,日本电报电话公司利用12芯光纤,在52.4km上发送了创纪录的1010Tb/s1.01Pb/s)。[4]每根纤芯在222个分立波长上分别承载380Gbit/s,总计每纤芯84.5Tb。另外,在少模光纤上展示了模态分复用。

 

在去年的Optical Fiber CommunicationsOFC 2015)会议上,有三篇报告是关于在多芯光纤的每根纤芯中多模传输的。其中两篇描述了在几公里光纤上超过100条路径的空分复用。日本的J. Sakaguchi5.5km36芯光纤中,每根发送三种模式,[5]日本KDDI R&D LabsKoji Igarashi9.8km19芯光纤中,每根发送六种模式。[6]在第三篇文章中,日本NTT LaboratoriesKouki Shibahara及同事在具有放大极的52.7km 12芯光纤环路上,每根发送三种模式重复10次。尽管NTT研究组使用较少水平的空间复用,但是展示放大、光纤之间的信号传输,以及达到总距离超过500公里,仍是重要的步骤。[7]

 

大的问题依然存在。在少模光纤的耦合和放大过程中,模式之间的串扰将有多少?放大器和耦合器集成得怎么样?以bits/s/Hz来衡量,空分复用可以增加多少效率?超过越洋距离的话,多少空分复用将有可能?

 

最近的理论工作暗示意想不到的局限。在2015年的ECOC会议上,OFSKasyapa BalemarthyRobert Lingle指出,如果要在6000~12000公里后100Gb/s的信号不衰减,那么220μm光纤仅可容纳不超过5~7根纤芯。[8]

 

展望

 

底线问题是什么技术能提供最佳价值。集成空分复用的主要吸引力是降低成本的潜力。然而,正如Winzer所说,“没有人能以比19根单根光纤更低的成本制造一根19芯光纤。”因此无论如何,多芯、多模光纤距离实用还有很长的路要走。

 

然而如果回顾过去,在上个世纪70年代晚期,很多人认为采用许多并行多模光纤将比单根单模光纤更实际。在上个世纪80年代,相干传输被认为是不切实际的,在有新技术打开通向100Gb/s相干传输的大门之前,它们将在货架上干等二十年。其他选择依然存在,包括扩展传输光谱到超出1530~1565nm的掺铒光纤C波段。有兴趣的读者可以密切关注2016OFC会议所带来的任何惊喜。

 

参考文献

1. A. D. Ellis et al., "The nonlinear Shannon limit and the need for new fibres,"Proc. SPIE, 8434, 84340H (Jun. 1, 2012); doi:10.1117/12.928093.

2. J.-X. Cai et al., Opt. Express, 22, 4, 9115 (Apr. 8, 2014); doi:10.1364/oe.22.009116.

3. P. Winzer, Bell Labs Techn. J., 19, 22 (2014); doi:10.15325/bltj.2014.2347431.

4. H. Takara et al., "1.01-Pb/s (12 SDM/222 WDM/456 Gb/s) crosstalk-managed transmission with 91.4-b/s/Hz aggregate spectral efficiency," Proc. ECOC, Th.3.C.1 (Sept. 2012).

5. J. Sakaguchi et al., "Realizing a 36-core, 3-mode fiber with 108 spatial channels," Proc. OFC, Th5C.2 (2015).

6. K. Igarashi et al., "114 space-division-multiplexed transmission over 9.8-km weakly-coupled-6-mode uncoupled 19-core-fibers," Proc. OFC, Th5c.4 (2015).

7. K. Shibahara et al., "Dense SDM (12 core × 3 mode) transmission over 527 km with 33.2-ns mode-dispersion employing low-complexity parallel MIMO frequency domain equalization," Proc. OFC, Th5C.3 (2015).

8. K. Balemarthy and R. Lingle Jr., "Upper limits on number of cores for multi-core SMFs over trans-oceanic distances at 100Gbps," Proc. ECOC, 0761 (2015).


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