由于FTTH(光纖到戶)的普及、智能手機(jī)日益增長(zhǎng)的使用、第5代移動(dòng)通信系統(tǒng)的高速發(fā)展促使光通信網(wǎng)絡(luò)的進(jìn)一步升級(jí)。

當(dāng)前國(guó)內(nèi)100G DWDM系統(tǒng)波長(zhǎng)資源即將耗盡，400G迫在眉睫，人們期待著頻譜效率更高的DWDM系統(tǒng)。

圖1 當(dāng)前國(guó)內(nèi)骨干網(wǎng)示意圖(張成良《光網(wǎng)絡(luò)&光器件新技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用》)

近年來(lái)數(shù)字相干光傳輸系統(tǒng)被廣泛關(guān)注，易飛揚(yáng)(Gigalight)于去年深圳光博會(huì)上首次展出了100G CFP DCO相干光模塊，象征著公司在該領(lǐng)域的領(lǐng)先地位。當(dāng)前400G以太網(wǎng)傳輸?shù)臉?biāo)準(zhǔn)化正在進(jìn)行中——這為每通道超過100G的光傳輸技術(shù)提供了商業(yè)開發(fā)潛力。

用于數(shù)字相干光傳輸?shù)臄?shù)字信號(hào)處理技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)主要如圖2所示。

圖2?

相干光模塊使用相干檢測(cè)技術(shù)提高了接收靈敏度和頻譜效率，另外使用DSP(數(shù)字信號(hào)處理)的技術(shù)實(shí)現(xiàn)了由長(zhǎng)距離光纖傳輸過程中累積的波長(zhǎng)失真的補(bǔ)償。改進(jìn)現(xiàn)有的100G傳輸技術(shù)有兩種可能的方向：增強(qiáng)性能和降低功耗。

高性能數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)增加了傳輸容量和距離，但是卻在傳輸設(shè)備中消耗了大量功率——為了開發(fā)超過100G的相干光傳輸系統(tǒng)，除卻高質(zhì)量的激光器、光電探測(cè)器等，還需要實(shí)現(xiàn)高的頻譜利用率以及低功耗、高性能的數(shù)字信號(hào)處理功能。

數(shù)字相干光傳輸調(diào)制技術(shù)

數(shù)字相干光傳輸技術(shù)的原理如圖3所示。傳統(tǒng)光傳輸系統(tǒng)中最常用的調(diào)制方法是OOK, 其中所用光信號(hào)中的0/1由開關(guān)狀態(tài)(強(qiáng)度調(diào)制)表示，并且光強(qiáng)度的變化需要用光電探測(cè)器來(lái)探測(cè)。

當(dāng)OOK以100Gbit/s的速率應(yīng)用于傳輸?shù)臅r(shí)候，在光纖傳輸過程中的各種波形失真導(dǎo)致了信號(hào)傳輸質(zhì)量下降十分顯著，結(jié)果就是傳輸距離僅限于幾公里。

圖3

當(dāng)前應(yīng)用于100Gbit/s相干的主要調(diào)制方案是雙極化正交相移鍵控(DP-QPSK)。DP-QPSK調(diào)制具有四個(gè)不同相位的光信號(hào)，并且還使用X偏振波和Y偏振波來(lái)承載不同的信號(hào)。

另外100G相干系統(tǒng)還使用相干檢測(cè)技術(shù)實(shí)現(xiàn)高靈敏度，本地振蕩器與接收的光信號(hào)產(chǎn)生拍頻用來(lái)檢測(cè)接收的光信號(hào)強(qiáng)度和相位信息。

DP-QPSK的頻譜使用率是OOK的四倍，信號(hào)經(jīng)過諸如均衡等前端處理，進(jìn)入光混頻器與本地振蕩器產(chǎn)生的光信號(hào)進(jìn)行相干混合。

并借助DSP在接收器處與相干探測(cè)結(jié)合用來(lái)補(bǔ)償由于色散引起的波形失真、偏振模色散(PMD)等，從而在不使用諸如色散補(bǔ)償光纖的情況下使得超過1000km的傳輸成為可能。

圖4

如果要進(jìn)一步增加光傳輸系統(tǒng)的容量——達(dá)到200G或者400G, 則必須要使用更高的多級(jí)調(diào)制光信號(hào)，例如雙極化16級(jí)正交幅度調(diào)制(DP-16QAM)等。

圖5

不過需要注意的是，越是高級(jí)的調(diào)制技術(shù)對(duì)系統(tǒng)的要求越高，圖5體現(xiàn)了不同調(diào)制級(jí)數(shù)對(duì)傳輸距離的影響。

如何提升頻譜利用率?

為了增加每根光纖的傳輸容量，有必要提升頻譜利用率——實(shí)現(xiàn)此目標(biāo)的有效方式是增加光學(xué)幅度或者相位中調(diào)制級(jí)別的數(shù)量。

但是正如上面所提及的，越是高級(jí)的調(diào)制技術(shù)對(duì)系統(tǒng)要求越高。如果增加了調(diào)制級(jí)數(shù)，光信噪比OSNR容限需要增加;增加傳輸功率以提高OSNR的話，那么由光纖的非線性光學(xué)效應(yīng)會(huì)大大增加，這又減少了可能的傳輸距離。

因此如果我們要設(shè)計(jì)超過100G的相干光傳輸系統(tǒng)，我們需要結(jié)合非線性補(bǔ)償、自適應(yīng)調(diào)制/解調(diào)以及高編碼增益FEC(前向糾錯(cuò))等多種技術(shù)。

圖6 相干光模塊中的關(guān)鍵部分

提高頻譜利用率的一種有效方法是減少WDM中相鄰信道之間的頻率間隔——這要求縮小光信號(hào)的頻譜，奈奎斯特濾波對(duì)此至關(guān)重要，因?yàn)樗沟冒l(fā)射機(jī)處的DSP通過減少光信號(hào)頻譜的方式最大限度地提升了頻譜效率。

目前商用系統(tǒng)最新標(biāo)準(zhǔn)中的頻率間隔是50GHz, 若要減小到25GHz/12.5GHz, 就需要傳輸信號(hào)通過帶寬更窄的光復(fù)用器和解復(fù)用器，由此帶來(lái)的相鄰信道的干擾，對(duì)系統(tǒng)性能有很大影響。

圖7?

圖7左邊部分的說(shuō)明

由圖7的左邊部分可以看到隨著信號(hào)速率的提高，光信號(hào)的頻譜也在變寬。

當(dāng)符號(hào)率提升至40 GBaud甚至100 GBaud時(shí), OOK(把一個(gè)幅度取為0, 另一個(gè)幅度為非0, 就是OOK, On-Off Keying, 該調(diào)制方式的實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單)，信號(hào)占用的帶寬變得大于50-GHz ITU信道的帶寬。從圖中可以看出，頻譜加寬的信道開始與它們的相鄰信道重疊，導(dǎo)致串?dāng)_的出現(xiàn)。

圖7右邊部分的說(shuō)明

右邊部分給出了使用多種不同技術(shù)的組合如何提高頻譜效率的想法。舉例來(lái)說(shuō)，與NRZ-OOK調(diào)制格式相比，使用QPSK可以將符號(hào)利用率提升兩倍。這樣我們就使用一半的符號(hào)率傳輸同樣速率的數(shù)據(jù)，占用的光譜帶寬也減少了一半。

然后通過上面我們說(shuō)過的偏振復(fù)用PDM可以在同一個(gè)波長(zhǎng)傳遞兩個(gè)并行偏振通道，相當(dāng)于提升兩倍頻譜效率。

通過QPSK高階調(diào)制和PDM偏振復(fù)用技術(shù)，我們將單波長(zhǎng)通道的光信號(hào)頻譜占用減小到了原來(lái)的四分之一。最后再利用脈沖整形濾波器進(jìn)一步縮小占用頻譜之后，可以在50GHz帶寬的信道中傳輸112Gbps的數(shù)據(jù)。

當(dāng)前100G相干系統(tǒng)的建議頻率間隔為50GHz, 相對(duì)于100G間隔WDM系統(tǒng)，頻譜效率可提升100%。

DSP如何處理信號(hào)?

在數(shù)字相干光傳輸系統(tǒng)中，DSP執(zhí)行調(diào)制/解調(diào)和波形失真補(bǔ)償，所使用的數(shù)字相干光發(fā)射器/接收器功能配置如圖所示，在圖8中我們以200G相干傳輸系統(tǒng)為例。

圖8?

在發(fā)送器中

成幀器將局域網(wǎng)(LAN)輸入的兩個(gè)100Gbit/s以太網(wǎng)(100GbE)信號(hào)轉(zhuǎn)換為兩個(gè)光傳輸網(wǎng)絡(luò)(OTN)幀格式(OTU4信號(hào))并將其輸出到DSP。

DSP執(zhí)行軟判決糾錯(cuò)，然后將信號(hào)映射到四個(gè)通道(兩個(gè)正交相位(相位I(同相)和Q(正交))和兩個(gè)正交極化波(X和Y))，隨后添加用于幀同步組與信道估計(jì)的導(dǎo)頻信號(hào)，隨后應(yīng)用用于縮小光信號(hào)頻譜的數(shù)字濾波并進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換。

最后信號(hào)被轉(zhuǎn)換成200Gbit/s DP-16QAM信號(hào)并發(fā)送至光傳輸系統(tǒng)(OTN)。

在接收器中

光接收器元件將接收的信號(hào)光與本地振蕩光混合以便進(jìn)行相干檢測(cè)操作，并將光轉(zhuǎn)換成如發(fā)射器中的四通道模擬信號(hào)。

DSP將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，并補(bǔ)償光纖中色散和非線性效應(yīng)引起的波形失真。隨后執(zhí)行自適應(yīng)均衡實(shí)現(xiàn)偏振復(fù)用信號(hào)的解復(fù)用，并補(bǔ)償由于諸如PMD等因素引起的波形失真。

傳輸路徑估計(jì)組件快速估計(jì)帶內(nèi)OSNR和色散參數(shù)，從而使信道選擇最佳補(bǔ)償方法，快速執(zhí)行信號(hào)恢復(fù)操作。整個(gè)功能控制元件可控制DSP內(nèi)不同功能塊的協(xié)調(diào)操作。解幀器將兩個(gè)OTU4信號(hào)轉(zhuǎn)換為兩個(gè)100GbE信號(hào)，并將其輸出到LAN。

小結(jié)

相干光通信系統(tǒng)已成為當(dāng)前線路側(cè)100G系統(tǒng)的主要解決方案，在DCI等領(lǐng)域的需求驅(qū)動(dòng)下，400G ZR產(chǎn)品即將推向市場(chǎng)。