0　引言

近年来，由于光通信数字相干技术的不断发展，复杂的编码方式和高波特率器件的出现，单信道传输速率在几年内从200 Gbit/s快速增长到800 Gbit/s。据报道，国外实验已研制出单波1.55 Tbit/s速率模块^[1]。随着云互联大数据时代的到来，无论是民营的互联网、电力和运营商通信系统，还是军用通信系统，超大规模数据中心的部署都显得尤为必要^[2-3]，而随之带来的海量数据交换是这些通信系统将要面临的重大挑战，为解决庞大的数据交换给传统光通信网络带来的压力，用于数据中心互连(Data Center Interconnection，DCI)的弹性光网络(Elastic Optic Networks，EON)系统逐渐受到业界的广泛关注^[4-6]。与传统密集波分复用(Dense Wavelength Division Multiplexing，DWDM)系统相比，DCI通信EON系统主要采用更加简单的端到端传输连接，因此系统传输距离和频谱利用效率是权衡系统性能的两个重要因素^[7-9]，而传输距离和频谱利用率分别取决于系统单波最大入纤光功率和滤波带宽，系统支持的入纤光功率越大传输距离越远，滤波带宽越窄频谱利用率越高^[10-12]。

随着超60 GBaud调制速率技术的成熟和相关传输标准的提出，单载波400或600 Gbit/s传输将逐渐成为下一代通信网络主流的传输速率，当前人们对400 Gbit/s传输系统在DCI网络中应用的研究较为广泛，而对600 Gbit/s传输系统的详细研究报道较少。本文首先对单载波600 Gbit/s传输系统在DCI网络中最大单波入纤光功率进行了实验研究，以确保在不引起明显光纤非线性损失的情况下获得较大的冗余光信噪比(Optical Signal to Noise Ratio, OSNR)，保证系统传输最远；其次，利用EON系统对600 Gbit/s传输系统的频谱利用率进行了实验研究，通过改变滤波带宽，使得传输系统在性能无劣化的情况下，提高频谱利用率。

1　理论分析

OSNR是限制系统传输距离的重要因素，在没有非线性代价的情况下，传输系统末端OSNR越大，系统可支持的传输距离越长，根据OSNR的定义，传输系统末端OSNR可表示为

(1)

式中：P_out为系统输出信号光功率；P_ASE总为传输系统总自发辐射噪声(Amplified Spontaneous Emission，ASE)功率；P_in为系统入纤光功率；G_总为传输系统总增益。根据噪声指数的定义，系统总噪声指数F_sys可表示为

(2)

式中：SNR_in和SNR_out分别为经过系统前后信号的电信噪比；h为普朗克常量；ν为信号光频率；I_sp为噪声电流；e为电子电荷；B₀为光带宽。由于光传输系统中G_总≫1，因此1/G_总可忽略不计，将式(2)带入式(1)中，换算为dB单位，有

(3)

由于F_sys与传输光纤及光放大器相关，当传输系统确定时F_sys不会改变，因此OSNR_out主要取决于P_in的大小，在不产生非线性代价的情况下，P_in越大，对应OSNR_out越大，即系统获得的冗余OSNR越大，可支持的传输距离也会越远，因此对于不同速率的传输系统，寻找系统支持的最佳入纤光功率尤为重要。

2　实验系统

图1所示为实验室搭建的EON系统。EON系统由两个终端节点和多个中间节点组成，其中发送端终端节点包括信号发送端、波长选择开关(Wavelength Selective Switch, WSS)、掺铒光纤放大器(Erbium Doped Fiber Amplifier，EDFA)及耦合器(coupler)。发送端采用真实信号波(6波)和模拟填充波组成，在C波段上均匀分布，以模拟EON系统的满负载为条件。真实信号波由集成相干收发模块产生，可发送不同业务速率信号光，模拟填充波通过ASE和WSS产生，WSS主要用于对信号光滤波带宽进行选择，真实波和模拟填充波通过coupler合波，经过EDFA进行功率放大后进入到传输链路中。接收端终端节点包括信号接收端、WSS和EDFA，其中EDFA用于信号光的前置放大，WSS用于滤波及波长选择；中间节点主要由可重构型光分插复用器(Reconfigurable Optical Add-Drop Multiplexer，ROADM)组成，用于中继放大光信号以及对信号光带宽的选择滤波。EON系统通过收发端EDFA分别平衡发送侧和接收侧功率，系统传输链路采用ITU G. 652光纤，损耗系数为0.18 dB/km，其中每跨段传输距离为100 km，其功率损耗由ROADM补偿，在每个EDFA和ROADM之后，通过可变光衰减器(Variable Optical Attenuator，VOA)可调节光纤的每通道入纤功率。

图 1. 实验EON系统

Fig. 1. The experimental setup of EON system

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实验信号波单载波传输速率为600 Gbit/s，采用可调谐硅光子集成收发器通过WSS和coupler接入EON系统，其最高波特率为72 GBuad，调制格式可支持双偏振极化(Dual Polarisation, DP)64符号相位正交幅度调制(Quadrature Amplitude Modulation, QAM)和DP-64QAM/DP-32QAM混合传输，脉冲成形滚降系数为0.1。系统通过调节不同的调制格式及其占比来实现收发端信号谱宽的改变，通过调节WSS和ROADM滤波宽度来实现线路传输通道带宽的改变。

3　600 Gbit/s系统最佳入纤功率的研究

入纤光功率越高系统接收端OSNR性能越好，这使得系统能有更远的传输距离。但是，随着入纤光功率的增加，光纤非线性效应会增强，从而会对业务信号光产生影响，使得信号光品质因子Q值下降，最终导致系统OSNR劣化，传输距离缩短，因此为达到最远的传输距离，研究单载波600 Gbit/s速率下传输系统最佳的入纤光功率尤为重要。实验通过调节发送端EDFA后的VOA来改变每个跨段的入纤功率，研究48×600 Gbit/s EON传输系统在短波、中波和长波3个不同频段，不同入纤功率对系统OSNR和Q值的影响。结果如图2所示，其中48通道系统填充波数目为42个，传输跨段为4段，实验过程中模拟填充信道波的频谱密度与真实波相同，通过调整接收端EDFA后的VOA，使接收机的接收功率保持在最佳接收功率－4 dBm左右，从而保证系统性能不受接收机灵敏度的影响。

图 2. 600 Gbit/s 系统单波入纤光功率与系统性能的关系

Fig. 2. The relationship between incident optical power and system performance of 600 Gbit/s transmission system

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如图2(a)所示，当单波入纤功率从＋2 dBm增加到＋6 dBm时，系统末端OSNR线性增加，OSNR线性斜率为0.7 dB/dBm，这也符合传输系统OSNR理论计算结果。系统末端Q值随着单波入纤功率的增大，先增大后减小，当单波入纤功率增大到＋4 dBm时，Q值相应增大，这与末端OSNR增大趋势一致。但当入纤功率>＋4 dBm时，虽然末端OSNR有所提高，但Q值却降低，这意味着非线性效应在系统中占主导地位，降低了系统的整体性能，这在EON系统中是需要避免的。而对于频率在红色(ITU-T C14)、中间(ITU-T C35)和蓝色(ITU-T C54)波段的信道拐点是相同的，为进一步对比入纤光功率对不同通道性能的影响，实验监控48个通道在不同入纤光功率下纠前误码率的变化。如图2(b)所示，可以看到不同入纤光功率下不同通道的纠前误码率不同，并且变化趋势一致。在＋4 dBm入纤光功率时，所有通道的纠前误码率均为最低值，这说明对于600 Gbit/s速率EON系统，单波＋4 dBm是系统的最佳入纤功率，此时EON系统可以在不引起明显的光纤非线性代价的情况下传输最远距离。

4　600 Gbit/s系统频谱利用率的实验研究

当传输系统通道带宽相比于信号带宽足够宽时，信号光可以无滤波代价的进行传输，但由于通道带宽较宽，此时对应的频谱利用率较低，并且较宽的滤波带宽会使得相邻通道信号光产生串扰，从而影响信号质量。为提高传输系统的频谱利用率，需保证通道带宽越小越好，但较小的通道带宽会造成信号光的滤波代价，因此需要在滤波代价和相邻信道串扰之间做权衡，保证在传输系统频谱利用率最高的同时系统性能不会劣化。

由于信号带宽取决于波特率大小，实验所用单载波600 Gbit/s传输速率可调谐硅光子集成收发器波特率为71.9 GBaud，在单载波传输下，通过调整EON系统WSS滤波带宽，对不同滤波带宽下系统性能进行研究，如图3(蓝线)所示，当3 dB滤波带宽小于65 GHz时，系统处于中断状态，当3 dB带宽为70 GHz时，Q值>7.5 dB，并且随着滤波带宽的增加，Q值增大，系统性能变好，这表明EON系统单载波传输时，可以将600 Gbit/s的业务压缩到70 GHz的DWDM系统间隔中，以提高光谱利用效率。当相邻多载波同时传输时，考虑到左右信道对中间信道的串扰，对不同带宽下系统性能进行实验研究，结果如图3(红线)所示，当3 dB滤波带宽超过70 GHz时，Q值降低，说明相邻信道串扰会导致Q值代价，使得系统性能下降，为保证系统Q值代价<0.5 dB，3 dB滤波带宽应控制在77 GHz以内，此时EON系统频谱利用率最高，并且性能最优。

图 3. 滤波带宽与传输性能的关系

Fig. 3. The relation between the filter bandwidth and the transmission performance

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为进一步验证在最佳入纤光功率和最大通道带宽频谱利用率条件下，600 Gbit/s EON传输系统的稳定性，实验室采用77 GHz通道间隔600 Gbit/s传输系统进行长时间可靠性验证，系统单波入纤功率为＋4 dBm，系统容量为64×600 Gbit/s，带宽利用率为7.79 bit/s/Hz，传输跨损为6×20 dB，系统运行48 h，监控每一波道最大纠前误码率，如图4所示，可以看到每一个通道的纠前误码率均小于接收端纠前容限，说明系统在挂机时没有产生误码，在该入纤光功率和频谱利用率条件下600 Gbit/s传输系统可稳定运行。

图 4. 600 Gbit/s系统稳定性验证

Fig. 4. The verification of the 600 Gbit/s system stability

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5　结束语

本文对单载波600 Gbit/s传输速率在EON系统中的传输距离和频谱利用效率两个关键问题进行了实验研究。实验结果表明，对于600 Gbit/s传输系统，当单载波入纤功率为＋4 dBm时，系统性能最优传输距离最远。在系统单载波传输时，为提高频谱利用效率，EON系统的3 dB滤波带宽可压缩至70 GHz；在采用多波系统传输时，利用EON系统通道带宽可调技术，为保证传输性能，其最佳3 dB滤波带宽为77 GHz，并且实验数据通过了长期稳定性验证，系统运行24 h无误码。本实验对600 Gbit/s传输系统的工程建设具有非常有意义的参考作用。