基于PM-16QAM双载波400G光传输链路仿真分析*

1 引言

超高超大容量和超长传输距离是光纤骨干传输网的发展方向[1-3]。移动互联网、云计算、4K视频、VR/AR以及物联网等业务快速发展，我国在2016年4G用户就已经超过5.5亿户，家庭宽带用户超过2.5亿户，5G网络也即将商用，为此运营商必须加快建设光传输以满足日益增加的带宽需求。目前，100G光传输技术在2015年已经实现了大规模的商用，但是，100G光传输网络系统已经难以满足信息技术在延迟、带宽、速度等方面日益增长的需求。为了推动400G光传输技术快速发展，ITU-T、IEEE和OIF等国际标准组织都在积极推动400Gb/s的标准化工作，已经正式发布了G.709《OTN接口标准（5.0版）》、RS-FEC短距离FlexO-SR标准（G.7091）以及长距离FlexO-LR标准（G.709.3）等标准[4,5]。国内CCSA传送网和接入网技术工作委员会发布了《N×400G WDM系统技术要求》行业标准[6]。400G光传输方案主要有四载波PM-QPSK、双载波PM-16QAM、单载波PM-64QAM等，其中双载波PM-16QAM方案是业界主流实现方式。

进入400G领域，相干光通信系统对色散、损耗等因素具有更高的要求，为了研究色度色散和偏振模色散对光信号的影响，本文利用Lumerical INTERCONNECT仿真软件，构建基于PM-16 QAM相干光通信仿真系统，采用DD-MZM器件构建PM-16 QAM发射端，基于PM-16 QAM双载波400 G光相干传输仿真系统，对传输链路中存在的色散和偏振模色散对传输信号的影响进行模拟分析。

2 基于PM-16QAM 400G相干光通信仿真系统

在相干光通信系统中，通过发射端将传输信号调制到载波上，在通过传输链路传输到接收端端进行解调从而获得输入信号。PM-16QAM属于高阶码型调制格式，可以将4bit信号映射到一个符号上，产生16个符号具有3中不同的振幅和13中不同的相位，波特率仅是符号速率的1/4，是QPSK调制的1/2，在实现较高频谱效率的同时，降低了对电子器件的工艺水平和速率的要求。有文献研究表明，在相同的信噪比条件下，16 QAM调制信号的误码率比QPSK和8 QAM的误码率更低，并且在误码率为10-3级别的条件下，16QAM的光信噪比为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仿真软件构建基于PM-16 QAM 400 G相干光通信仿真系统如图1所示。

图1 1400G PM-16QAM相干光传输仿真系统框图

在该仿真系统中，选用具有高电光效率、低损耗、啁啾可调以及驱动电压低等优势是的双驱马赫曾德尔调制器（Dual-Drive Mach-Zehnder，DD-MZM）进行光信号调制，用于产生PM-16QAM调制信号。对于DD-MZM调制而言，其输入和输出光信号间的关系可以描述为：

其中Vπ为半波电压，与信号本身和调制器相关，V1和V2分别为分别加载在DD-MZM调制器两个支路上的电压。DD-MZM作为一种非线性调制器，为了尽可能减少信号失真和误码率，提高调制质量，尽量把调节信号峰值和偏置电压置于线性度较高的区域。

3 传输链路仿真分析

在高速相干光通信系统中，以光纤作为信号传输媒介，在信号传输过程中会存在许多的损伤，如色散和非线性效应等，这些损耗会使得光信号发生劣化和畸变，降低通信质量和系统可靠性。随着掺铒放大器（EDFA）的使用，光信号损耗的问题基本得到了解决。因此，本文主要基于400G相干光通信仿真系统，研究分析随着传输速率的提升，色散和偏振模色散对信号质量的影响，为提出相关补偿算法提供理论指导。

在实际过程应用中，通常采用色散系数D描述光纤中存在的色散效应，其定义为单位波长间隔内各频率信号经过单位长度光纤所产生的色散，单位为ps/nm/km， 其数学描述为[8,9]：

其中β和λ分别为光信号的相位常数和波长；c为光信号传输速度。色度色散主要包括材料色散和波导色散：

其中，Dm为材料色散系数，Dω为波导色散系数，光纤的材料色散与光纤群速度以及波长间的关系为：

在高速光通信系统中，色散效应与光信号频率和相位常数以及光纤材料等因素直接相关。在仿真系统中主要参数设置如下：在该仿真系统中使用的主要参数如下：激光频率为193.1 THz，功率为10 dBm，线宽为0，光放大器增益为20 dB，OSNR为18 dB，样本数为65 530，比特速率为200 Gbit/s，采用的光纤系列为G.654E。基于400G相干光传输仿真系统，对在不同传输速率下，色散对PM-16QAM调制信号的影响进行了分析，如图2所示。对图2分析可知，在相同传输距离条件下，随着光信号速率的增加，光信号的色度色散效应越来越大，信号质量劣化越严重，调制信号的星座图也越来越模糊。由此可见，在400G相干光传输系统中对于色度色散补偿方案具有更高的要求。

图2 不同传输速率下的PM-16QAM星座图

随着相干光通信系统传输速率的提升，信号的偏振模色散效应更为突出，为了能够更加明确偏振色散对光信号质量的影响，本文对PM-16QAM 400G相干光传输系统中偏振模色散效应进行研究分析。偏振模色散是由于光纤存在双折射效应导致不同模式传播速度不一致造成脉冲展宽一种现象[10,11]。在实践中，通常采用两个模式间的差分时延描述偏振模色散。偏振模色散定义为单位长度光纤的传输时延，若假设光纤入射信号X、Y偏振态电场分别为Einx，Einy经过在传输L出纤光场为Eoutx、Eouty则有：

其中T为光纤中偏振态频率响应为：

其中θ和Δτ分别为整段光纤等效的旋转角和延时差，由此可见，偏振模色散是与时间相关的。

图3 不同速率下偏振模色散对PM-16QAM信号的影响

基于PM-16QAM 400G相干光通信仿真系统，相关参数设置如下：OSNR为18 dB，L=30 km，D=10 ps/nm/km；在不同传输速率条件下，研究分析了偏振模色散对PM-16QAM信号星座图的影响，仿真结果如图2所示。对图3分析可知，偏振模色散所引起的差分群时延会导致信号星座图发生旋转，而旋转的程度随着信号传输速度的增加而增加，因此，对于400G相干光通信系统，对于偏振模色散是非常敏感的，要求所使用的光纤要求具有更加优异的性能，另一方面，对偏振模色散补偿算法提出更高的要求。

3 结束语

本文利用Lumerical INTERCONNECT仿真软件建立PM-16QAM双载波400G相干光传输仿真系统，研究分析了在不同传输速率和相同传输距离下，色度色散和偏振模色散对调制信号的影响，为电域色散补偿算法提供验证平台和计算基础。在下一步工作中，基于该仿真系统，并利用Lumerical INTERCONNECT与MATLAB间的接口，采用INTERCONNECT与MATLAB联合仿真，对电域色散补偿算法进行仿真分析和实验验证。

4 致谢

本论文研究内容由国家自然基金项目（NO.61764002）和广西自然科学基金面上项目（NO.2017GXNSFAA198282）资助。