导言，本文是2015年的一篇概述文章，介绍了光纤网络的挑战问题，并提出以SDM空分复用为未来光通信容量的解决方案。

原文链接：https://www.osa-opn.org/home/articles/volume_26/march_2015/features/scaling_optical_fiber_networks_challenges_and_solu/

光纤通信网络-挑战与解决方案

Optical Fiber Networks

          ——Challenges and solutions

Peter J.Winzer (peter.winzer@bell-labs.com) is with Bell Labs, Alcatel-Lucent, Holmdel, N.J., USA.

随着消费者和机器间网络流量需求的增长，同事也要保持光通信的成本效益，这给光通信技术带来了巨大的挑战。要满足这些要求，就需要新的光学技术。

事实上，我们今天打的每一个电话，发送的每一条短信，下载的每一部电影，使用的每一个基于互联网的应用程序和服务，都在某种程度上被转换成光子，通过一个巨大的光纤网络进行传输。

超过20亿公里的光纤已经投入使用，这是一串可以环绕地球超过5万次的玻璃纤维。现在有超过1亿人可以直接在家中享受光纤连接。光纤还连接了大多数的手机发射塔，在那里从数十亿手机用户接收到的无线电频率光子立即转换为红外光子，用高效的光纤回传网络如全光城域网，全光区域网，长途海底光网，跨越桥梁、城市和跨越国家进行传输。

在一系列意想不到的新兴应用和技术的推动下，网络流量在过去几十年里呈指数级增长。最近，可能最终限制所需网络带宽的不再只是人类消费信息的能力，而是由以数据为中心的应用程序、传感器网络和日益增长的物联网渗透而产生的目前占主导地位的机器之间的网络流量，其限制主要是基于这些服务能为社会提供的经济价值。同时对网络的历史数据和预测来看，不同服务提供商、不同地理区域和不同应用的流量差异很大，通常报告的流量年增长率在20%到90%之间，其中近60%是自20世纪90年代后期以来北美互联网流量的典型增长率。

正如已成为当今数字信息社会支柱的光纤通信技术，光纤通信技术的作用是确保有成本效益的网络流量增长，能够继续使能未来的通信服务。本文概述了光纤通信的规模，强调了网络可扩展性中的实际问题和基本问题，并指出了全球光纤通信领域目前正在探索的一些解决方案。

当代传输网

光传输网络(见上图)连接Internet Protocol (IP)包路由器，这些路由器将数据包从数据源传递到指定的接收端，最好是沿着最小跳传输路径。这些路由器通过光客户端接口连接，目前提供的连接速度高达100 Gbit/s，距离约为40公里。简洁、低成本的客户端接口可以直接将路由器连接到附近的其他路由器，或将路由器连接到光传输系统，进而建立到远程路由器的连接。

面向客户端，光传输系统终止一个或多个短程客户端接口信号，并将其转换为远程信号，随后在其线路接口上传输。这些信号可以在没有任何中间电子处理的情况下可在光纤中传输数千公里的，只通过光学放大器和光纤组件，这些组件可以被动态地重新组合，以增加和减少信号或将它们切换到网络的不同部分，通过可重构光分插复用器(见ROADM，第36页)。

与光客户端信号相比，光线路信号在设计时考虑了光谱叠加。现代波分复用(WDM)光传输系统在50 Ghz光频率网格上承载约100个光信号，每个光信号的传输速率高达200 Gbit/s，但光纤的总容量约为20 Tbit/s。

平行光学的需求

从历史上来看，商业线路接口速率是指光传输系统中单个波长的比特速率，此速率以每年20%左右的速度稳步增长，这个增长速度对于以语音为主的网络来说已足够。然而，20世纪90年代数据传输的兴起改变了这一局面。路由器容量的增长速度要快得多，约为40%到60%，路由器接口速率也是如此。这些速率与计算机接口速度的演变相结合，而计算机接口速度本身是由微处理器计算能力的演变所驱动的，最终植根于摩尔定律。

由于分组交换和光传输之间的这些比例差异，到2005年左右，光线路接口的能力开始限制路由器接口速率的增长(见上图)。100G以太网和100 Gbit/s光传输网络(OTN)将于2010年标准化，400G以太网预计将于2017年底标准化，突显了这一发展趋势。包-光缩放差异的另一个直接后果是减少了多个路由器接口汇聚到单个光通道的潜力，这对整个网络设计有影响，因为它不再强调核心网络中亚波长添加/丢弃能力的需要。

有趣的是，仅仅通过将调制速度从10 Gbit/s提高到40 Gbit/s再到100 Gbit/s，是不可能保持过去十年中每年20%的商业光接口速率增长的。相反，系统必须依赖于光的并行性，因此除了调制光脉冲的强度之外，还要利用其他物理尺度，光脉冲的主要技术使用的速率可达10 Gbit/s。

五种物理维度及其在光调制和多路复用中的应用(空间、时域、偏振、频域、正交)

如上图所示，光并行度的引入是通过独立调制复杂光场的实部和虚部，或者从工程角度讲，它的同相分量和正交分量，以及通过调制两个极化与单独的信号流(偏振分复用，或PDM)。大多数100gbit/s光线路接口以大约30gbit/s (25gbit/s，加上向前纠错开销)的更舒适的电子速度调制4个并行电信号。为了实现这一点，需要在接收端提取完整的光场信息，这就意味着系统必须从直接检测光脉冲强度转变为相干检测光场。

相干探测与光学超信道

尽管在20世纪80年代进行了大量的研究，但是随着掺铒光放大器的出现，光学相干检测在90年代初被放弃了。21世纪相干探测的复兴是由数字电子信号处理（DSP）的能力在技术上促成的，包括必要的数模转换器（DAC）和模数转换器（ADC）。

如今，CMOS技术可以提供高达90 GSamples/s的转换器速度，与包含约1亿个门的DSP引擎集成。DAC的使用，能够让发射机产生奈奎斯特形状和幅度/相位预失真光脉冲，而ADC允许将高速接收信号的全光场不失真地转换到数字电信号域以进行进一步的数字处理。在研究实验中，领先记录迅速接近每光波长1 Tbit/s，符号速率约为100 GBaud，携带更高水平的正交振幅调制(QAM)格式，比特速率目前可达864 Gbit/s。

为了进一步提高光接口速率的可伸缩性，必须利用更多物理维度的光学并行性。由于时间、正交和偏振维度已经被采用，光接口速率缩放依赖于频率维度来克服其可伸缩性瓶颈。这是通过将多个载波分组形成一个称为光超级信道的单一逻辑接口来实现的，通过密集的信号频率打包提高效率，通过共享或集成的转发器组件提高经济性。使用超通道技术，光接口速率达到每秒太（T）比特甚至更高是可行的。

光谱效率极限

为了最有效地利用嵌入式、昂贵的光纤基础设施，WDM系统试图将尽可能多的光信号打包到光纤中，或者更具体地说，打包到沿传输链路周期性放置的光放大器的有限带宽中。例如，掺铒光纤放大器通常覆盖1530nm到1565nm之间的C波段。

然而，可以在给定长度的光纤上传输的光谱信息密度（光谱效率）面临一些硬限制——与放大噪声和克尔非线性有关的基本限制，这些非线性会导致各种类型的信号失真，以及由于转发器和光放大器的技术缺陷以及光纤熔断器引起的灾难性损坏所造成的实际限制。

前一种基本极限称为非线性香农极限，如下图所示。传输距离的对数缩放相对于频谱效率的线性缩放，使得光纤的容量限制只适度依赖于传输距离。毫不奇怪，记录WDM实验的传输距离和频谱效率之间的权衡遵循一个与基本容量限制相似的斜率。有一系列可用的和已规划好的商业WDM产品(图中黄色椭圆)，其中许多被称为“flexponders”，提供动态调制格式适应性，允许系统以软件定义的方式实时交换传输范围的容量。2013年，领先的系统集成商开始提供WDM产品，而领先的服务提供商也开始部署WDM产品，一旦WDM信号被完全覆盖，将在大约1000公里的距离上支持接近20 Tbit/s的传输。假设年流量增长率为20%、30%或60%，到2021年、2018年或2016年，尖端服务提供商可能需要在相同距离上扩展超过75 Tbit/s的系统。

并行技术的下一个前沿领域:空间多路复用

当然，非线性的香农极限使得这样的系统根本不可能建立。然而，对这些系统的需求并不遥远，因此需要开发全新的技术来满足这些容量需求。这个难题被称为光网络中的“容量危机capacity crunch”。

非线性香农极限对光纤参数的巨大变化(如光纤损耗或非线性系数)相当不敏感。通过在部署的光纤的低损耗窗口上使用更多的光学放大频带，在频率维度上平行进行，可能只会增加大约五倍的容量。毫无疑问，使用更好的光纤和更宽的放大带将在不久的将来提供关键的权宜解决方案。然而，这些技术都不能为克服光网络容量危机提供可持续的途径。要在未来几十年扩大光网络的规模，光并行（optical parallelism）必须扩展到另一个物理维度——唯一尚未开发的维度是空间。这意味着空间复用，或者空间分割复用(SDM)，不仅是一个有吸引力的长期解决方案，而且是目前唯一可行的解决方案。

两个关键因素将推动未来光网络采用SDM:

集成。平行部署单个光传输系统(SDM的最简单形式)可以增加容量，但也能保持每比特的成本和能源消耗不变。因此，这种形式的SDM并没有提供指数级的成本和能源减少，而这在历史上一直被认为是光网络硬件的成本和能源减少，这在经济上使互联网成为可能，并伴随其相关的网络流量增长。因此，一体化是可持续经济的重要组成部分。例如，将转发器集成以形成空间超通道转发器，将光放大器集成到共享公共硬件和控制元件的光放大器阵列中，或将多个光开关元件集成到开关阵列中，以降低每个路径的成本处理多个空间路径。

集成的另一个方面是新的传输波导，如多芯或少模光纤。例如，如果使用新的SDM光纤相比单模光纤阵列，可以降低相关连接器、拼接或光纤到芯片连接的成本，那么这可能会在资本和运营支出方面节约成本。在过去的几年中，世界各地的研究实验室在设计新的光纤结构和相关的模耦合和核心耦合元素方面取得了巨大的进展，与其他领域，如多模天文学（天文光谱仪）和内窥镜，产生了迷人的跨学科协同效应。令人印象深刻的记录光传输结果通过这种光纤已经证明了在系统和网络级别。

通常在工程实践中，集成是以串扰为代价的。幸运的是，在强大的DSP引擎的帮助下，可以使用最初为蜂窝无线和数字用户线路(DSL)开发的多输入/多输出(MIMO)技术来处理串扰。事实上，目前市场上的偏振复用相干系统已经采用2×2 MIMO处理(由于沿着单模传输光纤发生固有的偏振旋转而需要)。由于DSP芯片通常成本低但功率高，而光电应答器组件通常成本高但功率低，SDM系统的成功开发将关键取决于在SDM应用中找到光电集成和DSP之间的最佳平衡。

平稳的升级路径。无论使用何种技术，确保现有光纤网络的升级路径畅通都是至关重要的。运营商不会接受从根本上要求部署新传输光纤的系统，除非这些新波导提供了革命性的优势，就像20世纪70年代末至80年代中期光纤开始取代同轴电缆和微波继电器时一样。当时，光纤电缆的传输量是同轴电缆的100倍，有可能将容量再扩大5个数量级；此外，它们的粗细比原来小10倍，重量比原来小100倍，而且中继器的间距也延长了10倍，所有这些都使它们更易于安装。在今天的条件下，要产生类似的效果，一个新的波导必须支持每秒数皮比特（数千T比特）的速度，而不需要在1000公里的范围内进行放大，并且能够扩展到每秒几百艾比特（数千皮比特）。

至少现在，这种波导显然属于想象阶段。因此，SDM系统必须最大限度地重用现有的光纤基础设施和可用的光学系统组件。SDM网络将不得不在混合的基础设施上运行，这些基础设施由并行部署的单模光纤组成，当在某些跨度上耗尽时，这些单模光纤可能会逐渐被新的波导技术所取代，而光通信研究正是在这种新的波导技术上进行的。

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Publish Date: 01 March 2015