Page 23 - 网络电信2021年12月刊下

公式给出：
C =B Log 2 (1+S/N)，
这里的 C（bit/s）代表系统容量，B(Hz) 代表信道带宽，S/N
为信号功率与噪声功率之比。S 和 N 单位为瓦。
该公式也可改写为：
其中 C/B 为频谱效率 SE（Spectral efficiency）, 它表示
了单位带宽的系统容量，单位为：(bits/s/Hz)。
式中，B为带宽，光纤的带宽取决于光放大器能够提供的带
宽，而C+L波段一共约95nm；S为入纤功率，受限于光纤的非线
性；N为噪声功率，决定于放大器的噪声系数、光纤损耗、跨段
长度和跨段数。
频谱效率的两种情况：
(一)线性情况 (Linear Regime)
(二)非线性情况 (Nonlinear Regime)
需考虑：波长色散,自相位调制, 互相位调制,四波混频,
偏振模色散。
(a)非线性香农极限（Nonlinear Shanon Limit）
在理想的线性介质中传输信息, 增加信号功率可无限提高
频谱效率,即可无限提高传输容量。联立(18)和(19)式,即可得
图13中黑色曲线所示的线性香农极限曲线。
但光纤是非线性介质,非线性损害随着传输长度和功率密度
的增加而增加,因此,在光纤中,在低功率时,频谱效率随着信号
强度增加而增加 (与线性极限同步）,会到达一最大值,然后会
因非线性效应的损害, 频谱效率在高信号功率时下降。此最大
值随着传输距离的增加而下降(如图13所示),因传输距离愈长,
传输功率也愈大,非线性损害也愈甚。由图可见,通信系统容量
受制于非线性香农极限的严重程度。
图 13 非线性容量极限（Nonlinear capacity limit）
(b)光纤的非线性折射率
光纤的折射率由下式所示:
式中n 0 , n 2 分别为线性和非线性折射率,由(20)式可见,光纤
的非线性效应正比于P/A eff ,功率愈大,有效面积愈小,非线性损
害愈大。
（17） (c)光纤的非线性效应Nonlinear Optical Effects
光纤的非线性效应分两类：
（1）非线性散射:
受激拉曼散射 (Stimulated Raman Scattering)
受激布里渊散射 (Stimulated Brillouin Scattering)
(18) （2）非线性折射率:
四波混频FWM(Four Wave Mixing)
自相位调制SPM(Self Phase Modulation)
互相位调制CPM(Cross Phase Modulation)
(19) 在相干传输技术的基础上,采用高阶调制格式, 光纤的传输
容量己经逼近信道的香农极限,如果进一步增加频谱效率(信息
速率/带宽)意味着更高的信噪比要求,直接导致400G系统的技术
实现难度大大增加和成本快速上升。
由于系统的带宽受限于EDFA，光纤通信目前只能获得有
限的带宽，故可以通过提高频谱效率的方式来增加信道容量。
增加带宽B内的利用率可从两个方向来展开。一是采用DWDM、
高阶调制格式、奈奎斯特（Nyquist）整形、超级信道（super
channel）、超奈奎斯特传输（FTN）、前向纠错（FEC）、概率
整形等技术来逼近香农极限，但频谱效率的增加将对信噪比的
要求有所提升，从而减少了传输的距离。二是充分利用相位、
偏振态的信息承载能力来进行传输，这也就是第二代相干光通
信系统。偏振复用（PDM）已普遍采用，用两个正交的偏振态
来分别承载信息以使信道容量翻倍。第二代相干光通信系统采
用光混频器进行內差（Intra-dyne）检测，并采用偏振分集接
收，即在接收端将信号光与本振光分解为偏振态互为正交的两
束光，在这两个偏振方向上分别拍频，这样可以实现偏振不敏
感接收。另外，需要指出的是，此时接收端的频率跟踪、载波
相位恢复、均衡、同步、偏振跟踪和解复用均可以通过数字信
号处理（DSP）技术来完成，这极大简化了接收机的硬件设计，
并提升了信号恢复能力。
6. 探求新的传输途径增加光纤系统的通信容量
随着各种新兴技术如物联网、大数据、虚拟现实(VR)、人
工智能（AI）、5G移动通信等技术的不断涌现，对信息交流与
传递提出了更高的需求。据思科公司（Cisco）2019年发布的研
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究数据显示，全球年度IP流量将由2017年的1.5ZB（1 ZB=10 B）
增长为2022年的4.8ZB，复合年增长率为26%。面对高流量的增
长趋势，光纤通信作为通信网中最骨干的部分，承受着巨大的
升级压力，高速、大容量的光纤通信系统及网络将是光纤通信
技术的主流发展方向。
现有的光纤传输资源正在被快速消耗, 光传输技术的变革
必须满足上层网络业务不断发展的需求。
近年来，单模光纤的传输系统容量已达到100Tb/s,传输容
量距离乘积已超过100Pb/s.km，由于受到非线性噪声、光纤传
输损伤及放大器带宽的限制，单模光纤已接近香农定理所限定
的物理极限，难以继续支撑持续增长的容量要求。香农极限制
(20) 约了单一传输通道的频谱效率, 虽然可以通过扩展波段,从C波
段(1530nm-1565nm)扩展L波段(1565nm-1625nm),来增加通信容
量, 但频谱效率仍受香农极限限制。所以，必须寻找新的技术
途径来突破香农极限的制约。如所周知，系统容量（C）取决
网络电信 二零二一年十二月 23