采用復(fù)數(shù)光調(diào)制技術(shù)提高光纖數(shù)據(jù)傳輸速率

圖3提出如何結(jié)合運(yùn)用這些不同技術(shù)來(lái)增進(jìn)光譜效率的構(gòu)想。最下方是簡(jiǎn)易的OOK，如果改用正交相移鍵控(QPSK)，則可將OOK符碼率的傳輸速率提高一倍，因?yàn)镼PSK可編碼二位符號(hào)。藉由使用極化復(fù)用(PDM)技術(shù)，傳輸速率還可再提高一倍。QPSK加PDM可讓使用者在相同時(shí)鐘速率下，獲得2×2=4倍的數(shù)據(jù)傳輸速率。最后，利用脈沖整形濾波器進(jìn)一步縮小占用帶寬后，用戶可以100Gb/s的速率，透過(guò)50GHz信道傳輸數(shù)據(jù)。

圖3　藉由結(jié)合使用不同的調(diào)制技術(shù)，光譜效率可迅速倍增。

強(qiáng)化帶寬/信噪比效能 光譜傳輸加速升級(jí)

上面的方法看起來(lái)好像萬(wàn)無(wú)一失，只要不再遇到其他問(wèn)題就好了。但是，事情當(dāng)然不會(huì)這么簡(jiǎn)單。

早在1940年代，美國(guó)數(shù)學(xué)家和電子工程師，同時(shí)也是信息論之父Claude Shannon發(fā)現(xiàn)，傳輸信道最大的無(wú)誤差數(shù)據(jù)傳輸速度，取決于噪聲和帶寬。他把此速率稱為“信道容量”，即眾所周知的“Shannon極限值”。

Shannon–Hartley定理：

信道容量：

Shannon–Hartley定理

其中，B是帶寬(Hz)、S是平均接收信號(hào)功率(W)，而N是平均噪聲功率(W)。藉由增加帶寬，或是將信噪比(SNR=S/N)優(yōu)化，用戶可增加信道容量;事實(shí)上，Shannon–Hartley定理僅提供理論上的最大值，卻未指出那一種信號(hào)傳輸法可讓用戶最接近此極限值。

實(shí)作時(shí)，SNR是最根本的限制因素。因此，從現(xiàn)在到未來(lái)，業(yè)界都須持?jǐn)喔倪M(jìn)這個(gè)問(wèn)題，以達(dá)成Shannon極限值。當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸速率超過(guò)100Gb/s，就需更出色的SNR性能，以便在給定帶寬下進(jìn)行長(zhǎng)距離傳輸。

Ellis、Zhao和Cotter利用這些范例參數(shù)，來(lái)仿真相關(guān)傳輸和檢測(cè)類型的信息光譜密度C/B(圖4)。進(jìn)行非線性傳輸時(shí)，信息光譜密度不會(huì)隨著發(fā)射功率光譜密度而無(wú)限增加。由于光纖本身具有功率放大器的飽和效應(yīng)和非線性效應(yīng)，因此其信息光譜密度有最高上限。不過(guò)如果是進(jìn)行純線性傳輸，就不會(huì)遇到這種問(wèn)題。

圖4　圖中使用A. Ellis、J. Zhao和D. Cotter論文《接近非線性Shannon極限值》JLT 28(4), 423-433中提出的每極化預(yù)期信息頻光譜密度限制的范例。

在圖4中，使用者可清楚看出，就信息光譜密度而言，OOK的直接檢測(cè)法(僅萃取振幅信息)，完全無(wú)法與復(fù)數(shù)調(diào)制信號(hào)之相干檢測(cè)法相抗衡。毫無(wú)疑問(wèn)的，不同類型的復(fù)數(shù)調(diào)制法，對(duì)于光傳輸方案開(kāi)發(fā)人員能夠多接近Shannon光譜效率極限，有關(guān)鍵性影響。