光通信系统技术趋势之三——超越100G，单通道传输速率继续提升

随着社会信息化进程的不断推进，以视频、云计算、物联网为代表的新兴业务对带宽需求剧增，现有的骨干光传输系统无法满足日益增长的互连容量需求，迫切要求进一步提升传输容量。

实际上，随着网络传输容量需求的激增，光传输系统其单通道传输速率在经历了从2.5Gbit/s->10Gbit/s->40Gbit/s->100Gbit/s的提升，正在酝酿下一代的超100G光传输系统。光传输复用维度也从单纯的时分复发展到时间、波长、频率、偏振态、传输模式的多维复用、多管齐下。面向未来网络容量需求的光传输，Pbit多芯空分复用以及光子轨道角动量复用已成为业界研究热点。在具体实现上，高级正交幅度调制、相干接收、数字信号处理、多载波技术和光电集成工艺等新技术逐步引入并持续优化，不断提升光传输性能，降低光传输成本。

基于成本和兼容性等方面的考虑，充分利用已铺设的光纤光缆，在现有光传输系统上通过升级和改造光收发单元以提高单个波长通道传输数据率的方式来提升系统容量，具有最优的性价比和可行性。超100G光传输将继承100G光传输系统的设计思想，采用偏振复用、多级调制提高频谱效率，采用数字相干接收提高接收机灵敏度和信道均衡能力。

超100G光传输意在可用频带资源不变的情况下进一步提升单根光纤的传输容量，其关键在于提高频谱资源的利用率和频谱效率。对于光传输系统而言，光纤损耗窗口所导致的可用带宽限制和光传输通道光器件级联所引起的窄带滤波效应要求光传输的频谱效率最大化;光传输通道的非线性效应要求光传输功率的效率最大化。此外，光电器件水平对光传输符号基带带宽亦有限制。

针对上述超100G光传输挑战，业界从以下方面入手解决：①充分利用光信号可调制维度(幅度、相位、偏振态)来承载数据以提高频谱效率;②采用多载波和正交频分复用技术提高频谱利用率并降低符号传输的波特率以抑制色散的影响、减小对光、电器件带宽的要求;③采用数字相干接收技术提高接收机的灵敏度和信道均衡能力，采用更高增益的纠错编码提高系统的健壮性。④采用先进的光电集成技术减小体积，降低功耗，提高系统可靠性。

需要注意的是，尽管多维度多级调制可以有效提高频谱效率，减小对传输通道和光电器件带宽的要求，但多级调制会减小星座图上符号之间的最小间距，降低OSNR灵敏度以及传输损伤容忍能力。因此，选择更高级别的QAM调制可以提高超100G的频谱效率和传输速率，但由于强度噪声和相位噪声容忍能力减弱，其传输距离可能远低于目前100G系统。

光电器件集成技术是超100G光传输实现的基础。尽管多载波传输级数可以降低了系统对光、电器件的带宽要求，将器件功耗由平方增长降低为线性增长，但其带宽和功耗要求仍然惊人。光电器件集成工艺是影响超100G光传输设计方案可行性和系统性能的关键因素。

鉴于目前的客户业务需求和光电器件工艺水平，400Gbit/s光传输速率是最具可行性和性价比的解决方案。基于灵活栅格的双子载波偏振复用16级正交幅度调制(2SC-PM-16-QAM)的400G光传输是业界普遍看好的方案之一。该方案每一个传输通道占用75GHz带宽，其频谱效率可以达到5.3bit/s/Hz，较100Gbit/s光传输2bit/s/Hz的频谱效率可以有较大提高。由于采用了较为密集的16QAM调制，400G传输损伤容忍能力(传输距离)较100G光传输系统有所下降，预计会在城域及数据中心互联场合率先应用。