400G+光传输系统：波特率，调制和频谱技术

Waxberrylee

如今，随着5G、云计算和AI所带来的流量快速增长以及运营商降低运维成本的压力，而在当前激光器等技术下，光纤的可用频谱资源的也基本耗尽。因此，光传输系统如何提高系统容量的需求就显得越来越迫切。
从底层技术来看，提升带宽的主要手段，还是离不开最基础的通信原理。包括：

• 改进芯片和提升算法能力；
• 采用更先进的调制技术；
• 使用更大的频谱带宽；
• 研发新型光纤，提高单根光纤中的纤芯数，或引入材料学技术，降低光纤传输过程中的损耗（本文不过多阐述）。
  
  

在给定的频谱宽度下，提高信号波特率是提高系统容量的经典方法。与电信号相比，光纤的容量可以看作是无限的，因此在100G波分复用（WDM）技术应用之前，光纤通信中的频谱效率一直没有得到重视。
通过芯片的改进和算法的优化，信号波特率可以有效提高，从而达到提升单光纤系统的传输速率和容量。随着芯片处理技术从16nm提高到7nm和5nm，光学器件和光电转换器件的波特率也从30+Gbaud提高到64+Gbaud、90+Gbaud和120+Gbaud。波特率因使用不同光电/电光转换器和FEC算法的不同制造商而异。电芯片又主要包括2类：交换芯片和成帧芯片，在7nm技术下，交换芯片可以达到20T，成帧芯片可以达到2.4T。
通过芯片能力的提升，波特率也在有效的提高，相应的单通道传输速率从100G提高到400G ▶ 800G ▶ 1.2T ▶ 1.6T。另外，在400G+的传输中，其性能对系统的损伤变得更加敏感。因此，光算法在如何对光器件的损伤进行补偿中显得格外重要。这里涉及到抑制上面提到的高波特率器件带来的非线性，带宽补偿，IQ时延和串拢补偿等问题。另外在硬件封装上，采用光电合封技术可以消除关键阻抗不连续点，也可以提升带宽。
再说调制，要在窄带中保持必要的信道带宽需要更复杂的调制格式，但高调制并不是百利无一害，比如说高调制不仅会增加设备的复杂性，也会降低了信号噪声容限（更高的OSNR容限要求）。如下图，高调制导致星座图中各符号彼此之间越靠近→它们对噪声越敏感→传输距离越短。

在相同的30G+波特率下，16QAM的光信噪比（OSNR）比QPSK高出约5dB。随着星座中星座点个数的增加，16QAM的OSNR将呈指数增长。因此，16QAM或更高阶QAM的传输距离将被进一步限制。以400G为例：

800G采用PM-16QAM，间隔137.5 GHz，其频谱效率为5.82 bit/s/Hz；800G采用PM-64QAM，间隔在100/112.5 GHz情况下，频谱效率分别可以达到8.0 bit/s/Hz和7.11 bit/s/Hz。

因此，为了在有限的带宽约束范围内，我们还可以使用几何整形、概率整形、混合调制等技术，在有限的带宽条件下，获得更好的传输特性。

在频谱资源这一块，为了满足传送网尽可能多的波数需求，特别是因为高波特率带来的宽间隔，频谱的扩展显得格外重要。比如说，我们按照PM-16QAM，75GHz的间隔。如何采用采用C波段，频谱资源是4THz。C波段只能传输53波，其实意义也不大。扩展为CE波段后，频谱资源增加20%，为4.8THz。如果采用C++波段，是6THz。如果采用C+L波段，是8/12 THz，相比C波段提升到2~3倍的频谱资源。

• 400G线路传输方案