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[导读]光传输是在发送方和接收方之间以光信号形态进行传输的技术。光传输设备就是把各种各样的信号转换成光信号在光纤上传输的设备,因此现代光传输设备都通常要用到光纤。常用的光传输设备有:光端机,光MODEM,光纤收发器,光交换机,PDH,SDH、PTN等类型的设备。

光传输是在发送方和接收方之间以光信号形态进行传输的技术。光传输设备就是把各种各样的信号转换成光信号在光纤上传输的设备,因此现代光传输设备都通常要用到光纤。常用的光传输设备有:光端机,光MODEM,光纤收发器,光交换机,PDH,SDH、PTN等类型的设备。

同步光纤网(Synchronous Optical Network,SONET)和同步数字系列(Synchronous Digital Hierarchy,SDH):一种光纤传输体制(前者是美国标准,用于北美地区,后者是国际标准),它以同步传送模块(STM-1,155Mbps)为基本概念,其模块由信息净负荷、段开销、管理单元指针构成,其突出特点是利用虚容器方式兼容各种PDH体系。准同步数字系列(Plesiochronous Digital Hierarchy ,PDH):SONET/SDH出现前的一种数字传输体制,非光纤传输主流设备。主要是为语音通信设计,没有世界性统一的标准数字信号速率和帧结构,国际互连互通困难。

波分复用技术(Wavelength Division Multiplex,WDM):本质上是在光纤上实行的频分复用(Frequency Division Multiplex ,FDM),即光域上的FDM技术。是提高光纤通信容量的有效方法。为了充分利用单模光纤低损耗区巨大的带宽资源,根据每一个信道光波频率(或波长)的不同而将光纤的低损耗窗口划分成若干个信道的技术。用不同的波长传送各自的信息,因此即使在同一根光纤上也不会相互干扰。 密集波分复用技术(Dense Wavelength Division Multiplex,DWDM):与传统WDM系统不同,DWDM系统的信道间隔更窄,更能充分利用带宽。

光分插复用(Optical Add/Drop Multiplex, OADM):是一种用滤光器或分用器从波分复用传输链路插入或分出光信号的设备。OADM在WDM系统中有选择地上/下所需速率、格式和协议类型的光波长信号。是在节点上只分接/插入所需的波长信号,其它波长信号则光学透明地通过这个节点。动态(灵活、可重构或可编程)的OADM是城域光网络得以实现的根本。局际光学环网使用动态的OADM,系统就可以在任何两个节点间提供全部波长信道的连接。

光交叉互连(OpticalCross-connect,OXC):用于光纤网络节点的设备,通过对光信号进行交叉连接,能够有效灵活地管理光纤传输网络,是实现可靠的网络保护/恢复以及自动配线和监控的重要手段。主要由WDM技术和光空分技术(光开关)综合而成。

前日,日本 IT 服务公司富士通(Fujitsu)在官网上介绍了其开发的全新光传输技术,该技术可实现 1.2Tbps 的数据传输速率,相当于在每秒传输 6 张容量为 25GB 的蓝光光盘的数据。

富士通表示,全新光传输技术主要应用了三项富士通公司自研专有技术,分别是数字相干光传输技术、光传输设备水冷技术以及使用机器学习优化光网络技术。其中,数字相干光传输技术是一种利用光波特性提高接收灵敏度的相干接收方法与先进的超高速数字信号处理相结合,最大限度地提高传输性能的光传输技术,也是该方案的关键。

同时,利用光传输设备水冷散热技术,可大幅提高散热效率,将功耗降低到每传输 1Gbp 数据仅 120mW 的功耗。富士通表示,全新光传输技术可减少 70% 的二氧化碳排放量。

富士通公司计划在 2023 财年上半年将该光传输设备商业化,并开始提供给全球范围内的客户使用。光传输是在发送方和接收方之间以光信号形态进行传输的技术。光传输电视信号的工作过程是在光发射机、光纤和光接收机三者之间进行的;在中心机房的光发射机把输入的RF电视信号变换成光信号,它由电/光变换器(Electric-Optical Transducer,E/O)完成,变换成的光信号由光纤传输导向接收设备(光接收机)接收,光接收机把从光纤中获取的光信号变换还原成电信号。因此光传输信号的基理就是电/光和光/电变换的全过程,也称为光链路。

光传输技术由于自身具有良好的偏振复用功能,在实际工作过程中,可以通过对光信号在两个偏振状态之间呈现出的相互正交特点进行有效运用,从而实现在同一个光载波中,可以携带两路信息的目的,这就为信号码元速率大幅度的降低提供了必要的技术把保障,在传统光传输技术中,其在发射机上只需要安装一些结构简单的无源器件就可以顺利开展工作,在接收机上,则面临着较大的技术难题,由于技术的不断向前推进,目前情况下,100gb/s的传输技术中,偏振解复用已经能够实现非常轻松地在电域中处理相关问题。

自20世纪70年代光传输损耗显著降低、常温工作半导体激光器发明以来,光纤通信逐步成熟并借助超大传输容量、超长传输距离等优势逐渐成为有线传输的主要技术。

随着4G/5G、移动/固定互联网、数据中心互联、云网融合等诸多应用和业务的发展,超大容量、超低时延、灵活调度、低功耗和低成本等承载需求特性凸显,业界多维度探索解决方案并取得阶段性进展,高速光传输技术持续革新演进,如基于多阶调制解调、数字相干接收、超低损光纤、低噪声放大、波分/空分复用、前向纠错等多种光域和电域技术的协同,进一步提升传输速率、容量和距离等。

此外,伴随着高带宽业务和应用流量流向需求的变化,高速传输新型技术的优先应用场景已经从传统相对高端的干线网络逐渐扩展到城域和数据中心等场景并发应用,相关标准化工作变得愈发重要。目前,ITU-T、IEEE、OIF等国际标准化组织均在同期开展 100 Gbit/s及以上速率标准的研究制定,部分技术内容存在共性竞争,已成为产业界关注的焦点之一。

光传输网络已成为信息通信基础设施的关键组成,在5G、数据中心等新基建的部署过程中至关重要。

2 技术及应用现状

光传输技术经过多年的发展、革新与演进,商用化单通路传输速率已由最初的数百Mbit/s发展到目前的100 Gbit/s及以上,典型如200 Gbit/s和400 Gbit/s,单纤基于WDM(波分复用)技术的商用化典型传输容量也达到了20 Tbit/s量级,光传输网络拓扑也由最初的点到点演进到环形和网状结构,基于ROADM(可重构光分插复用器)等节点结构实现全光传输的组网也得到初步规模化应用。受数字化社会新型宽带业务和应用持续发展驱动,高速光传输目前正在沿着单通路更高速率、扩展更多传输波段、采用空间复用等多种途径增加系统传输容量。

2.1 单通路传输速率

光传输系统实现扩容的途径之一就是基于技术革新不断提升单通路传输速率,也即尽可能提升频谱使用效率。自光纤通信技术实用化以来,光传输系统线路侧单通路传输速率主要包括数百Mbit/s、2.5 Gbit/s、10 Gbit/s、40 Gbit/s、100 Gbit/s、200/400 Gbit/s及以上不同速率粒度。其中,小于40 Gbit/s速率采用的是强度调制、强度检测的方案,高于40 Gbit/s速率采用的是多阶组合调制、相干接收检测的方案,40 Gbit/s速率是两者兼而有之,是面向高速传输技术难题进行探索的过渡性速率,相关研究为100 Gbit/s 及以上速率采用多阶调制结合数字相干接收等标志性方案特征奠定了基础。

目前,100 Gbit/s是干线传输主流商用速率,200 Gbit/s 部署也已初具规模,波400 Gbit/s因传输距离受限等原因尚未开展规模化部署。对于速率更高的单通路超400 Gbit/s传输速率,业界基于多阶调制(n-QAM)、相干接收、偏振复用、概率整形等关键技术持续开展相关研究和试验,传输性能和距离不断优化,如基于目前商用的C波段传输窗口。

在2019年OFC和 ECOC等国际会议中,报道了多篇基于1 Tbit/s速率量级的传输试验结果[1],如基于1 Tbit/s通路速率、35 Tbit/s单纤容量传输800 km的试验,基于1.25 Tbit/s通路速率、50.8 Tbit/s单纤容量传输93 km现网光纤的试验,以及基于1 Tbit/s通路速率、41 Tbit/s单纤容量传输100 km的试验等。

另外,为了进一步推进超400 Gbit/s商用速率选择并加快产业化支持能力,近两年基于800 Gbit/s传输速率量级的关键芯片研制和演示成为产业关注的热点。截止到目前,部分设备商已经成功演示了基于实时处理的相关技术试验或试验验证,如2020年上半年华为、Cinea、Infinera等设备商与合作伙伴均报道了基于800 Gbit/s速率传输能力演示或试验[2],从公开的信息来看,关键DSP处理芯片主要基于7 nm ASIC制程,传输信号采用64QAM典型调制格式,波特率量级大致为96 Gbaud。

另外,对于超400 Gbit/s传输商用速率的选择,涉及传输性能、系统兼容性、业务接口适配性、功耗与集成度、应用时机等多种因素,业界尚未达成共识,综合目前发展情况来看,800 Gbit/s预计将是未来长距离传输候选的典型速率。

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