1 引言

超高超大容量和超長(zhǎng)傳輸距離是光纖骨干傳輸網(wǎng)的發(fā)展方向[1-3]。移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、4K視頻、VR/AR以及物聯(lián)網(wǎng)等業(yè)務(wù)快速發(fā)展，我國(guó)在2016年4G用戶就已經(jīng)超過5.5億戶，家庭寬帶用戶超過2.5億戶，5G網(wǎng)絡(luò)也即將商用，為此運(yùn)營(yíng)商必須加快建設(shè)光傳輸以滿足日益增加的帶寬需求。目前，100G光傳輸技術(shù)在2015年已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了大規(guī)模的商用，但是，100G光傳輸網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)已經(jīng)難以滿足信息技術(shù)在延遲、帶寬、速度等方面日益增長(zhǎng)的需求。為了推動(dòng)400G光傳輸技術(shù)快速發(fā)展，ITU-T、IEEE和OIF等國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)組織都在積極推動(dòng)400Gb/s的標(biāo)準(zhǔn)化工作，已經(jīng)正式發(fā)布了G.709《OTN接口標(biāo)準(zhǔn)（5.0版）》、RS-FEC短距離FlexO-SR標(biāo)準(zhǔn)（G.7091）以及長(zhǎng)距離FlexO-LR標(biāo)準(zhǔn)（G.709.3）等標(biāo)準(zhǔn)[4,5]。國(guó)內(nèi)CCSA傳送網(wǎng)和接入網(wǎng)技術(shù)工作委員會(huì)發(fā)布了《N×400G WDM系統(tǒng)技術(shù)要求》行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[6]。400G光傳輸方案主要有四載波PM-QPSK、雙載波PM-16QAM、單載波PM-64QAM等，其中雙載波PM-16QAM方案是業(yè)界主流實(shí)現(xiàn)方式。

進(jìn)入400G領(lǐng)域，相干光通信系統(tǒng)對(duì)色散、損耗等因素具有更高的要求，為了研究色度色散和偏振模色散對(duì)光信號(hào)的影響，本文利用Lumerical INTERCONNECT仿真軟件，構(gòu)建基于PM-16 QAM相干光通信仿真系統(tǒng)，采用DD-MZM器件構(gòu)建PM-16 QAM發(fā)射端，基于PM-16 QAM雙載波400 G光相干傳輸仿真系統(tǒng)，對(duì)傳輸鏈路中存在的色散和偏振模色散對(duì)傳輸信號(hào)的影響進(jìn)行模擬分析。

2 基于PM-16QAM 400G相干光通信仿真系統(tǒng)

在相干光通信系統(tǒng)中，通過發(fā)射端將傳輸信號(hào)調(diào)制到載波上，在通過傳輸鏈路傳輸?shù)浇邮斩硕诉M(jìn)行解調(diào)從而獲得輸入信號(hào)。PM-16QAM屬于高階碼型調(diào)制格式，可以將4bit信號(hào)映射到一個(gè)符號(hào)上，產(chǎn)生16個(gè)符號(hào)具有3中不同的振幅和13中不同的相位，波特率僅是符號(hào)速率的1/4，是QPSK調(diào)制的1/2，在實(shí)現(xiàn)較高頻譜效率的同時(shí)，降低了對(duì)電子器件的工藝水平和速率的要求。有文獻(xiàn)研究表明，在相同的信噪比條件下，16 QAM調(diào)制信號(hào)的誤碼率比QPSK和8 QAM的誤碼率更低，并且在誤碼率為10-3級(jí)別的條件下，16QAM的光信噪比為15.2 dB，而QPSK和8 QAM的光信噪比只有6.4 dB和11.8 dB[7]。本文利用Lumerical INTERCONNECT仿真軟件構(gòu)建基于PM-16 QAM 400 G相干光通信仿真系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 1400G PM-16QAM相干光傳輸仿真系統(tǒng)框圖

在該仿真系統(tǒng)中，選用具有高電光效率、低損耗、啁啾可調(diào)以及驅(qū)動(dòng)電壓低等優(yōu)勢(shì)是的雙驅(qū)馬赫曾德爾調(diào)制器（Dual-Drive Mach-Zehnder，DD-MZM）進(jìn)行光信號(hào)調(diào)制，用于產(chǎn)生PM-16QAM調(diào)制信號(hào)。對(duì)于DD-MZM調(diào)制而言，其輸入和輸出光信號(hào)間的關(guān)系可以描述為：

其中Vπ為半波電壓，與信號(hào)本身和調(diào)制器相關(guān)，V1和V2分別為分別加載在DD-MZM調(diào)制器兩個(gè)支路上的電壓。DD-MZM作為一種非線性調(diào)制器，為了盡可能減少信號(hào)失真和誤碼率，提高調(diào)制質(zhì)量，盡量把調(diào)節(jié)信號(hào)峰值和偏置電壓置于線性度較高的區(qū)域。

3 傳輸鏈路仿真分析

在高速相干光通信系統(tǒng)中，以光纖作為信號(hào)傳輸媒介，在信號(hào)傳輸過程中會(huì)存在許多的損傷，如色散和非線性效應(yīng)等，這些損耗會(huì)使得光信號(hào)發(fā)生劣化和畸變，降低通信質(zhì)量和系統(tǒng)可靠性。隨著摻鉺放大器（EDFA）的使用，光信號(hào)損耗的問題基本得到了解決。因此，本文主要基于400G相干光通信仿真系統(tǒng)，研究分析隨著傳輸速率的提升，色散和偏振模色散對(duì)信號(hào)質(zhì)量的影響，為提出相關(guān)補(bǔ)償算法提供理論指導(dǎo)。

在實(shí)際過程應(yīng)用中，通常采用色散系數(shù)D描述光纖中存在的色散效應(yīng)，其定義為單位波長(zhǎng)間隔內(nèi)各頻率信號(hào)經(jīng)過單位長(zhǎng)度光纖所產(chǎn)生的色散，單位為ps/nm/km， 其數(shù)學(xué)描述為[8,9]：

其中β和λ分別為光信號(hào)的相位常數(shù)和波長(zhǎng)；c為光信號(hào)傳輸速度。色度色散主要包括材料色散和波導(dǎo)色散：

其中，Dm為材料色散系數(shù)，Dω為波導(dǎo)色散系數(shù)，光纖的材料色散與光纖群速度以及波長(zhǎng)間的關(guān)系為：

在高速光通信系統(tǒng)中，色散效應(yīng)與光信號(hào)頻率和相位常數(shù)以及光纖材料等因素直接相關(guān)。在仿真系統(tǒng)中主要參數(shù)設(shè)置如下：在該仿真系統(tǒng)中使用的主要參數(shù)如下：激光頻率為193.1 THz，功率為10 dBm，線寬為0，光放大器增益為20 dB，OSNR為18 dB，樣本數(shù)為65 530，比特速率為200 Gbit/s，采用的光纖系列為G.654E?；?00G相干光傳輸仿真系統(tǒng)，對(duì)在不同傳輸速率下，色散對(duì)PM-16QAM調(diào)制信號(hào)的影響進(jìn)行了分析，如圖2所示。對(duì)圖2分析可知，在相同傳輸距離條件下，隨著光信號(hào)速率的增加，光信號(hào)的色度色散效應(yīng)越來越大，信號(hào)質(zhì)量劣化越嚴(yán)重，調(diào)制信號(hào)的星座圖也越來越模糊。由此可見，在400G相干光傳輸系統(tǒng)中對(duì)于色度色散補(bǔ)償方案具有更高的要求。

圖2 不同傳輸速率下的PM-16QAM星座圖

隨著相干光通信系統(tǒng)傳輸速率的提升，信號(hào)的偏振模色散效應(yīng)更為突出，為了能夠更加明確偏振色散對(duì)光信號(hào)質(zhì)量的影響，本文對(duì)PM-16QAM 400G相干光傳輸系統(tǒng)中偏振模色散效應(yīng)進(jìn)行研究分析。偏振模色散是由于光纖存在雙折射效應(yīng)導(dǎo)致不同模式傳播速度不一致造成脈沖展寬一種現(xiàn)象[10,11]。在實(shí)踐中，通常采用兩個(gè)模式間的差分時(shí)延描述偏振模色散。偏振模色散定義為單位長(zhǎng)度光纖的傳輸時(shí)延，若假設(shè)光纖入射信號(hào)X、Y偏振態(tài)電場(chǎng)分別為Einx，Einy經(jīng)過在傳輸L出纖光場(chǎng)為Eoutx、Eouty則有：

其中T為光纖中偏振態(tài)頻率響應(yīng)為：

其中θ和Δτ分別為整段光纖等效的旋轉(zhuǎn)角和延時(shí)差，由此可見，偏振模色散是與時(shí)間相關(guān)的。

圖3 不同速率下偏振模色散對(duì)PM-16QAM信號(hào)的影響

基于PM-16QAM 400G相干光通信仿真系統(tǒng)，相關(guān)參數(shù)設(shè)置如下：OSNR為18 dB，L=30 km，D=10 ps/nm/km；在不同傳輸速率條件下，研究分析了偏振模色散對(duì)PM-16QAM信號(hào)星座圖的影響，仿真結(jié)果如圖2所示。對(duì)圖3分析可知，偏振模色散所引起的差分群時(shí)延會(huì)導(dǎo)致信號(hào)星座圖發(fā)生旋轉(zhuǎn)，而旋轉(zhuǎn)的程度隨著信號(hào)傳輸速度的增加而增加，因此，對(duì)于400G相干光通信系統(tǒng)，對(duì)于偏振模色散是非常敏感的，要求所使用的光纖要求具有更加優(yōu)異的性能，另一方面，對(duì)偏振模色散補(bǔ)償算法提出更高的要求。

3 結(jié)束語

本文利用Lumerical INTERCONNECT仿真軟件建立PM-16QAM雙載波400G相干光傳輸仿真系統(tǒng)，研究分析了在不同傳輸速率和相同傳輸距離下，色度色散和偏振模色散對(duì)調(diào)制信號(hào)的影響，為電域色散補(bǔ)償算法提供驗(yàn)證平臺(tái)和計(jì)算基礎(chǔ)。在下一步工作中，基于該仿真系統(tǒng)，并利用Lumerical INTERCONNECT與MATLAB間的接口，采用INTERCONNECT與MATLAB聯(lián)合仿真，對(duì)電域色散補(bǔ)償算法進(jìn)行仿真分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

4 致謝

本論文研究?jī)?nèi)容由國(guó)家自然基金項(xiàng)目（NO.61764002）和廣西自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目（NO.2017GXNSFAA198282）資助。