400 Gbit/s 286 km超长站距无中继传输系统研究

黄丽艳，刘 洋，徐 健，龙 函，孙淑娟，喻杰奎，王文忠，罗 清

(武汉光迅科技股份有限公司，武汉 430205)

0 引 言

电力长距离通信系统主要采用架空光缆的方式进行传输，其存在电力线路路由走向偏僻、地理环境复杂和维护力量有限等问题，光中继站建设维护困难[1-2]，因此超长站距无中继传输是其最优的选择[3-4]。随着智能电网时代的来临，电力通信的业务量将急剧上升，目前10 Gbit/s的传输速率已渐渐不能满足业务的需求，100 Gbit/s(以下简称100 G)及超100 G将逐渐成为主要的传输速率。超100 G传输速率，最有可能是400 Gbit/s(以下简称400 G)传输速率将成为主流传输速率，然而400 G的传输速率高、调制复杂，传输距离将受到一定限制，目前400 G单跨长距传输还无报道。本文将对400 G在高阶调制下的单跨长距传输进行研究。

1 400 G的调制码型

目前400 G高速传输系统都是软件定义的光收发机，可实现多种速率多种调制格式的配置(可支持100、200、300和400 G等多种传输速率)，可根据传输距离要求选择合适的调制码型和波特率。同样比特率下，调制码型越复杂，波特率越低；光纤中所能传输的波道数越多，光纤中传输的信息量就越大。但调制码型越复杂，其抗噪声能力越差，导致其传输距离越短。表1所示为400 G调制格式与波特率的关系。本文主要研究在普通G.652光纤中400 G的单波长单跨最远传输距离(无遥泵配置下)。

表1 不同调制格式下400 G对应的波特率及接收OSNR的要求

图1所示为软件定义光收发机的原理图。发射端包括现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array, FPGA)1或专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)1芯片，实现客户侧信号到线路侧信号的转换及前向纠错(Foeward Error Correction, FEC)编码、数模转换器(Digital-to-Analog Converter, DAC)、射频放大器、调制器、偏置点控制器和窄线宽激光器。接收端包括集成相干光接收机、模数转换器(Analog-to-Digital Converter, ADC)、FPGA2(或ASIC2芯片)。FPGA2(或ASIC2)主要是实现相干信号的解调及FEC的解码。软件定义光收发机的原理图与双偏振-正交相移键控(Dual Polarization-Quadrature Phase Shift Keying, DP-QPSK)的原理图比较相似，区别是在FPGA1(或ASIC1)芯片后增加了DAC，以实现输出不同幅度的信号。

图1 软件定义光收发机的原理图

图2～3所示分别为400 G在不同正交幅度调制(Quadrature Amplitude Modulation, QAM)格式下的星座图。

图2 400 G DP-16QAM星座图

2 400 G不同码型下OSNR的要求

评估400 G各种码型理论上对OSNR的要求，可以采用最小欧几里德距离来计算。

采用归一化正交基来计算，在归一化正交基下，星座图上每个点与中心点的距离的平方就是该点所对应信号的能量。

图4 16QAM星座图

图5 64QAM星座图

则相比16QAM，在相同波特率的情况下64QAM的抗干扰度低10×lg(42/10)=6.23 dB。

由于400 G 16QAM和400 G 64QAM的波特率分别为69.435 099 43和46.290 066 29 GBaud/s，相同码型下由于波特率的不同，69.435 099 43 GBaud/s相比46.290 066 29 GBaud/s的OSNR要求高

10×lg(69.435 099 43/46.290 066 29)≈1.76 dB。

综合考虑码型和波特率的情况下，400 G16QAM与400 G 64QAM相比，接收侧OSNR的要求低4.47 dB。

3 400 G不同码型的背靠背OSNR、入纤功率与误码率的关系

测试400 G传输速率采用DP-16QAM与DP-64QAM 两种码型时的背靠背OSNR、入纤功率与误码率(Bit Error Ratio, BER)的关系，结果分别如图6～7所示。

图6 不同码型下400 G的BER与背靠背OSNR的关系图

由图6可知，在相同的BER情况下，DP-16QAM调制格式所需的OSNR要小于DP-64QAM。由图7可知，400 G DP-16QAM码型在有功率放大器(Booster Amplifier, BA)的情况下，当单波长入纤功率超过12 dBm时，BER随入纤功率的增加急剧上升；400 G DP-64QAM码型在有BA的情况下，当单波长入纤功率超过6 dBm时，BER随入纤功率的增加急剧上升。

图7 不同码型下400 G的BER与入纤光功率的关系

4 实验的内容与结果

在单跨长距离传输系统中，经常用到BA和拉曼放大器(Raman Fiber Amplifier, RFA)，并且两者经常配合应用。在发射端，发送信号先经过BA放大，之后再与前向拉曼放大器(Codirectional Raman Fiber Amplifier, CoRFA)一起送到光纤中进一步对信号进行放大，接收端信号先经RFA放大，放大后的信号再送到掺铒光纤前置放大器(Pre-Amplifier, PA)进一步放大。对于400 G相干传输系统而言，其色散的补偿都是通过相干算法进行的，因此系统中没有单独用于色散补偿的设备。

图8所示为400 G传输链路中有前、后向拉曼配置的测试图。400 G相干模块产生伪随机二进制序列(Pseudo-Random Binary Sequence, PRBS) 231-1的电信号，经过调制输出400 G已调光信号，输出波长为1 550.12 nm(密集型光波复用 C34波长)，首先进入BA进行信号的放大，之后进入CoRFA，CoRFA采用1 450 nm的泵浦波长，CoRFA的泵浦光与信号光一起进入光纤中进行传输，CoRFA泵浦光在光纤中产生拉曼效应，将能量部分转移到信号光上，使信号光在光纤中得到放大，之后信号光通过长距离传输到达接收端的RFA，RFA的泵浦光仍然是1 450 nm，并且泵浦光从RFA的接收端打到光纤中，在光纤中对信号光进行放大，放大后的光输入到PA中进一步放大，之后经过滤波(滤波器集成在PA中)送入到400 G相干模块接收端进行信号的解析。

图8 400 G传输链路中有前、后向拉曼配置的测试图

由于400 G的调制格式可以是DP-16QAM、DP-32QAM和DP-64QAM，本实验只验证DP-16QAM和DP-64QAM，因为DP-32QAM的调制格式比DP-16QAM复杂，比DP-64QAM简单，因此其传输距离应在两者之间。

单跨长距最主要的两个方面是发送侧入纤功率要高，接收侧在满足FEC纠错能力的情况下，OSNR要求要低。

表2所示为不同调制格式下400 G最远传输距离测试结果。由表2可知，400 G DP-16QAM在加入CoRFA的前提下，等效入纤光功率可以达到+15 dBm，相比只用BA的情况下，入纤光功率为+12 dBm，CoRFA提高了3 dBm的入纤光功率；相比于2.5 G直接调制格式下，CoRFA的等效入纤光功率为+24 dBm[5]，入纤光功率减少了9 dBm。400 G DP-64QAM在加入CoRFA的前提下，等效入纤光功率可以达到+9.0 dBm，相比只用BA的情况下，入纤光功率为+6 dBm，CoRFA提高了3 dBm的入纤光功率。综合两者来说，CoRFA可以比BA提高3 dBm的等效入纤光功率。

表2 不同调制格式下400 G最远传输距离测试结果(前、后向拉曼配置)

在加入CoRFA的情况下，400 G DP-16QAM与400G DP-64QAM相比，等效入纤光功率提高了6 dBm，说明64QAM比16QAM更易受到非线性的影响。

在接收端，400 G DP-16QAM的RFA接收功率为-37.90 dBm，OSNR为21.90 dB；400 G DP-64QAM的RFA接收功率为-32.41 dBm，OSNR为26.4 dB。说明由于调制复杂，其抗噪声能力差，400 G DP-16QAM与400 G DP-64QAM 相比，OSNR的要求低4.5 dB。测试结果与理论分析比较一致。

发送端和接收端结合起来，400 G DP-16QAM与400 G DP-64QAM相比，其链路衰耗可以多11.49 dB，传输距离增加63 km。

采用400 G DP-16QAM传输码型，信号光在普通的G.652光纤中可以传输286 km，对于单跨长距来说，大部分的应用场合是合适的。

5 结束语

本文通过对400 G高阶调制相干接收系统进行单跨长距传输，在前、后向拉曼配置的情况下，实现了400 G DP-16QAM调制信号286 km无中继传输。而电力系统的单跨无中继传输距离大部分在150～250 km之间，因此对于智能电网驱动下的高速率电力通信来说，400 G单跨无中继传输是比较好的选择。