摘要：40Gbps DWDM系统即将进入大规模商用阶段，面对众多40Gbps编码和不同光纤类型的选择，本文试从系统的编码和光纤应用两方面详细分析了当前主流40Gbps编码和光纤的特性。通过编码和光纤各自之间的比对，最大发挥各自优势的的前担下，提出了一些应用场景建议，以便在40Gbps DWDM系统建设中作为参考。
关键词：DPSK;DQPSK;G.652;G.655;混缆
1 引 言
近年来由PON技术推动了Broadband、IPTV、Triple Play、P2P等IP业务蓬勃发展，3G业务也逐步兴起，业务爆炸式的增长对核心传送网提出了更高的要求。虽然40Gbps端口路由器早在2006年就达到了商用水平，但40Gbps光传输技术，尤其是40Gbps DWDM技术进展缓慢，一直落后于40Gbps路由器的开发进度，一度成为制约网络发展的瓶颈。
时至今日，40Gbps DWDM技术也已突破了各道难关，并开始进入商用领域。40Gbps DWDM难题的关键技术在于更先进的编码方式，以及更精确的色散补偿和控制。目前40Gbps DWDM编码种类繁多，不同编码在各项物理指标上均有差异，此外光纤经过数十年的发展也形成了复杂的体系，在以G.652和G.655为代表的主流光纤中也可细分出数个小类，其对40Gbps DWDM系统的影响也各不相同。如何选择适宜的编码技术和光纤类型，对于40Gbps DWDM系统（注：若无详细说明，则均表示50GHz间隔系统，下同）建设有着重要的参考价值。
2 主流40Gbps DWDM编码浅析
2.1 40Gbps DWDM系统受限因素
以普通NRZ编码光信号为例，40Gbps信号较10Gbps信号速率提升4倍，光谱展宽4倍，因此其色散容限只有10Gbps信号的1/16，PMD容限只有1/4；4倍速率的提升将导致6dB OSNR容限的提高。除此之外，40Gbps信号受带间和带内非线性影响更为严重。
对于40Gbps波分系统而言，光纤的色度色散可以通过DCF进行粗补偿，然后通过TDCM进行每波道的精确补偿，从而达到系统的色散容限制之内，并且目前自动的单波道色散补偿技术已经进行了实用化，因此已经不是影响40Gbps DWDM系统的关键点。同时，由于光纤制造工艺的进步，光纤的PMD系数均可小于等于0.1ps/ ，大大提高了40Gbps DWDM系统的传输距离，并且PMD色散目前可通过PMDC进行补偿，进一步提高系统的PMD容限。综合来看，制约40Gbps DWDM系统最关键的因素是OSNR容限和光纤非线性效应。依靠增加单波入纤光功率可以有效提高MPI-SM点OSNR值，但过高的入纤光功率会带来明显的非线性效应，当系统所有波道开满时，这种非线性效应也将越来越突出，造成系统崩溃。光纤非线性效应难以补偿和控制，只有尽量规避，而规避的手段主要为降低入纤光功率和避开零值色散波段。
NRZ码谱结构紧凑，调制和解调结构简单，在10Gbps系统中获得了广泛应用，而在40Gbps系统中，又需要进一步增加光信号发射功率以满足系统OSNR的要求。所以当传输信道数目较多并且传输距离较远时，光纤非线性效应将导致NRZ码光信号严重失真。正因为40Gbps NRZ编码有诸多缺陷，尤其是不能应用于干线传输，使其难以投入大规模商用，故而于近几年内出现了许多更为优秀的40Gbps编码技术。
2.2 40Gbps调制码型技术
为有效解决40Gbps光信号在传输中遇到的OSNR、色散、PMD等受限因素，针对接收机不同的调制方式，出现了OOK、PSK、PM三大类编码技术，详细分类表如下：
大类 OOK PSK PM
小类1 双电平 三电平 DPSK DQPSK QPSK
小类2 NRZ-OOK RZ-OOK NRZ-ODB RZ-ODB RZ-AMI DPSK P-DPSK RZ-DQPSK DP-QPSK
其中OOK类编码以改善光信号强度为主，PSK类编码采用相位移动或复用方式，PM类编码既采用相位复用也采用偏振复用方式[1]。虽然编码种类繁多，但有相当一部分编码已经逐渐退出主流地位，特别是在中国，40Gbps DWDM 要实现50GHZ波长间隔和长距离传输，NRZ、ODB、RZ-AMI等已经渐入淘汰的边缘。目前主流编码类型或商用化程度较高的编码主要集中在P-DPSK、RZ-DQPSK和DP-QPSK三种。
从实现方式来看，P-DPSK编码技术复杂度较低，RZ-DQPSK、DP-QPSK编码技术复杂度较高，因而成本相对高昂。从线路速率来看，P-DPSK为40Gbps，RZ-DQPSK为20Gbps，DP-QPSK为10Gbps，因此RZ-DQPSK和QPSK的色散和PMD容限指标优于DPSK。从OSNR容限来看，在MPI-RM点每通路最小OSNR：P-DPSK要求19dB（含系统富裕度，后同），RZ-DQPSK要求18.5dB，DP-QPSK要求15.5dB。
2.3 40Gbps DWDM系统编码选择
考虑到DP-QPSK技术复杂度极高，成本也非常高昂，在当前阶段不建议采用基于DP-QPSK编码的40Gbps DWDM系统，但从长远来看，DP-QPSK代表了未来高速DWDM系统发展的方向，同时也是100Gbps DWDM系统的主流码型。
P-DPSK编码是目前最具性价比的40Gbps编码技术，商用化程度高，与NRZ编码相比，可支持50GHz间隔DWDM系统，能有效支持中长距和长距DWDM系统的要求。此外P-DPSK编码非常适宜40Gbps波道和10Gbps波道在同一系统中混传，在OSNR和光纤线路PMD达标的情况下，可以在10Gbps DWDM系统上直接加载40Gbps OTU，即可平滑升级至40Gbps DWDM系统。
RZ-DQPSK编码的PMD色散容限进一步提高，光信号频谱带宽较小，频谱效率高，但与DP-QPSK类似，该编码技术也较为复杂，成本偏高，且系统非线性效应和不同速率的波道混传能力需要进一步验证。
3 不同光纤类型在40Gbps DWDM系统情况的研究
40Gbps DWDM系统的性能不仅取决于编码技术，光纤类型的选取也十分重要，不适宜的光纤选择甚至有可能影响系统的开通。此外，在日常运营和维护中，不乏出现光纤中断和改造等情况，时常需要进行调纤、乃至混缆应用。研究不同类型光纤对于40Gbps系统的影响，也是在40Gbps DWDM系统建设中的一个重要课题。
3.1 光纤类型分析
目前国内主要使用的光纤类型为G.652和G.655，G.652光纤分为A\B\C\D四个子类，但色散值比较稳定，1550nm波长的色散基本上都不超过18ps/（nm&S226;km）；G.655虽然经标准定义有A\B\C三个子类，但相对G.652光纤而言技术标准不十分成熟，具体表现在它的模场直径和色散的标准订得比较宽松，因此按不同生产厂家而区可分为数种不同的类型。比较有代表性的G.655光纤厂家有： laleent Tw (True Wave真波)和Fw{Fall Wave)光纤、康宁LEAF (大有效面积光纤)、韩国三星公司和我国长飞光纤公司的G．655普通和大有效面积光纤等[2]。国内较常见的G.655光纤为Tw和LEAF这两种， G.652光纤不同厂商之间的替代性较好，因此本文重点分析分别采用G.652D、G.655 Tw、G.655 LEAF光纤以及混缆对40Gbps DWDM系统的影响。三种类型光纤的光学指标如下（均只考虑1550nm窗口指标，均为单模）：
项目 参数
G.652D G.655 Tw G.655 LEAF
1550窗口衰耗 ≤0.21 ≤0.21 ≤0.21
波长衰耗 1525～1575nm相对1550nm ≤0.05 ≤0.05 ≤0.05
水峰值处衰减 ≤2.0 ≤1.0 ≤2.0
衰减点不连续性 ≤0.1 ≤0.1 ≤0.1
弯曲衰减
32mm直径1圈 ≤0.5 ≤0.5 ≤0.5(0.06)
75mm直径100圈 ≤0.05 ≤0.05 ≤0.05(0.0011)
模场直径 10.4±0.5 8.4±0.6 9～10(9.6)
色散 ≤18 1.3～5.8(4.0) 1～6.0(4.0)
偏振模(PMD)系数 ≤0.1 ≤0.1 ≤0.1
截止波长 ≤1260 ≤1260 ≤1470
典型有效面积 85 55 72
色散斜率 0.091 0.07 0.092(0.09)
有效群折射率 1.467 1.469
表2 主流光纤类型光学指标
40Gbps DWDM系统依然会面临OSNR、色散、PMD色散、非线性效应受限的问题，并且受PMD和非线性效应影响更为明显，但无论采用何种光纤，40Gbps DWDM系统的OSNR、色散、PMD容限指标不会有变化，因此在比较不同光纤类型对40Gbps DWDM系统的影响时，可从色散、色散斜率、PMD系数、衰耗系数等方面考虑。
3.1.1 G..652D光纤
从表2可知，G.652光纤在衰耗系数、PMD色散系数方面较G.655光纤差别不大，但色散系数要高出很多，因此需要引入大量的DCF模块对色散进行补偿。
色散系数偏大既有优势也有劣势，其优势在于可以有效降低非线性效应中四波混频效应的影响。四波混频对DWDM系统的影响主要表现在：(1)产生新的波长，使原有信号的光能量受到损失，影响系统的信噪比等性能；(2)如果产生的新波长与原有某波长相同或交叠，从而产生严重的串扰。四波混频的产生要求要求各信号光的相位匹配，当各信号光在光纤的零色散附近传输时，材料色散对相位失配的影响很小，因而较容易满足相位匹配条件，容易产生四波混频效应[3]。由此可见G.652光纤色散位移较大，受四波混频效应影响较小。
色散系数偏大带来的劣势在于需要大量的DCF进行补偿，引入较多的DCF不仅给系统引入了更多衰耗，需要引入更多的EDFA进行补偿，也引入了更多PMD，造成传输通道功率、背靠背OSNR及传输通道OSNR代价增大。但G.652光纤拥有最大的有效面积，可以提高光纤中SBS、SRS、SPM、XPM等非线性效应的阈值，从而使系统具有更大的功率传输能力，可承受更高的单波入纤光功率，提高MSI-PM点OSNR，从而在一定程度上弥补了色散系数偏大带来的缺陷。
3.1.2 G..655 Tw光纤
G.655 Tw光纤的特点在于零色散点位于1530nm以下短波长区，在1549nm-1561nm的色散系数为2.0-3.0ps/nm．km，拥有较低的色散和色散斜率和PMD系数，受SPM、XPM等非线性效应的影响小，但在波道密集的情况下受四波混频影响明显。G.655 Tw光纤的另一个缺陷在于模场直径短，有效面积较小。
虽然G.655 Tw在色散及色散斜率方面表现突出，但由于有效面积较小，要求入纤光功率极低，影响了MPI-SM点各波道的OSNR，造成了传输距离的大幅下降。此外，有效面积小也会影响到混缆的使用，关于混缆应用详见后续的介绍。
3.1.3 G..655 LEAF光纤
G.655 LEAF光纤是综合了G.652和G.655 Tw两者优点的光纤，一方面具备了较低的色散系数，另一方面也拥有较大的有效面积。在1550nm窗口，G..655 LEAF光纤的色散约2～6ps，略高于Tw光纤，低于G.652光纤，有效面积略低于G.652光纤，高于Tw光纤。LEAF光纤的截止波长小于等于1470nm，因此只能工作在1550窗口，而不能工作在1310窗口。
由于G.655 LEAF光纤综合G.652和G.655 Tw光纤两者的有点，其在使用方式上最为灵活，是较适合进行混缆应用的光纤类型。
3.1.4 G.652+G.655混缆
G.652和G.655光纤混合应用不仅需要注意重新计算色散和色散斜率的问题，还有一个不同光纤截止波长不同的问题，因此通常不提倡这二种光纤混合应用的做法。但有时为了充分利用现有资源，运营商往往也要求采用二种光纤混合的应用方式。
从衰耗方面考虑，不论G.652和G.655光纤以什么样的方式连接（活连接或熔接），连接损耗都会受到不同模场直径产生的影响。理论上，模场直径差异产生的附加连接损耗通过公式可计算出，但公式计算的接头损耗是以双向测试值代数和的平均值进行统计的。在实际传输中，光信号在从大有效面积光纤流向小有小面积光纤时会产生较大的衰耗，反之会产生较小的衰耗，在设计线路时应以较大的衰耗为准[5]。
从色散方面考虑，凡是由G.652光纤组成的传输段，其1550nm波长的色度色散可统一按18ps/（nm&S226;km）计算，对于G.655光纤则应注意是Tw型，还是LEAF型，二者在色散系数上有一定的差距。在混缆的情况下，推荐对光纤色散值和色散斜率进行实测。
从PMD方面考虑，虽然各种光纤的PMD系数相差不大，但熔接点的增多也会加大PMD值。此外由于不同光纤的截止波长不同，需要注意如果存在LEAF光纤的段落，原则上不能使用1310窗口开通业务。
3.2 不同光纤类型在40G DWDM系统中的应用
以往在考虑G.652光纤和G.655光纤时，倾向于采用G.655光纤的一个重要原因就是：尽管G.655光纤本身的价格比G.652高很多，但G.652需要大量的DCF，而DCF成本很高。这一观点在目前来看已经有些过时，因为DCF的价格已经比较低，在光复用段距离较长的情况下，从综合成本来看，采用G.652光纤整个平台成本上反而会更有优势。从非线性效应方面分析，G.655光纤色散系数低，受SPM、XPM效应影响小，但在波道密集时受四波混频效应影响明显，因此要求入纤光功率低；G.652光纤色散系数高，受四波混频效应影响小，并且G.652光纤有效面积最大，可承受较高的入纤光功率。此外，在建设光纤的成本中，敷设光纤的费用所占比重巨大，要充分有效地利用光纤资源，就要求光纤的截止波长不能过大，毕竟光缆中不是所有纤芯都为DWDM系统服务。G.652和G.655 Tw光纤均可工作于1310和1550nm窗口，G.655 LEAF则只能工作于1550nm窗口，采用1310nm波长的激光器成本普遍低于1550nm波长，因而G.655 LEAF光纤会造成除DWDM系统外其它光传输设备成本的上升。
在新建光缆时，不仅要考虑到光缆本身的价格和承载DWDM系统时的需求，也应尽量兼顾其它设备的需求，综合各方面因素进行考量。
通过以上的分析，对40Gbps DWDM系统在光纤选择上给出一些建议：
（1） 针对G.655Tw 光纤在国内应用较少的情况，推荐采用G.652或G.655 LEAF光纤。若只需要建设100GHz间隔系统，优选G.655 LEAF；如需建设50GHz间隔系统，在系统因非线性效应受限时采用G.652光纤，因OSNR受限时采用G.655光纤。
（2） 混缆的情况比较复杂，如无十分必要，通常情况下应避免混缆在40Gbps DWDM系统中的应用。在不得不使用混缆的情况下，需要仔细测量衰耗、色散、PMD色散的实际值，并在充分考虑系统富裕度以及不增加OSNR通道代价的前提下，谨慎应用。
4 结 束 语
40Gbps编码类型和光纤类型之间并无一定的对应要求，理论上可以随意搭配使用。不同类型的40Gbps编码均有各自的性能指标和应用场景，不同类型的光纤也都有各自的特点，没有绝对的优劣之分。唯有在特定的环境中经过不同角度的全面考虑，才能挑选出最适宜的编码和光纤类型。
参考文献
[1] N×40Gbps光波分复用（WDM）系统技术要求研究.中国通信标准化协会,2008.
[2] 谭文. G．655光缆性能分析及广东省WDM系统建设策略初探. 广东省邮电规划设计院，1999.
[3] 崔剑.高速长途光纤通信系统中光纤非线性、高阶色散和偏振模色散的研究.2008.
[4] 李娅莉.光纤技术发展及其应用. 上海市通信学会第十一届学术年会,2005.
[5] 谢桂月,肖军. G.652和G.655光纤组合应用应注意的问题.邮电设计技术,2006.
