超越100G速率的相干光通信系統(tǒng)的解決方案

由于FTTH(光纖到戶)的普及、智能手機日益增長的使用、第5代移動通信系統(tǒng)的高速發(fā)展促使光通信網(wǎng)絡(luò)的進一步升級。

當(dāng)前國內(nèi)100G DWDM系統(tǒng)波長資源即將耗盡，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》)

近年來數(shù)字相干光傳輸系統(tǒng)被廣泛關(guān)注，易飛揚(Gigalight)于去年深圳光博會上首次展出了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)字信號處理技術(shù)發(fā)展趨勢主要如圖2所示。

圖2?

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

高性能數(shù)字信號處理器(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、光電探測器等，還需要實現(xiàn)高的頻譜利用率以及低功耗、高性能的數(shù)字信號處理功能。

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, 其中所用光信號中的0/1由開關(guān)狀態(tài)(強度調(diào)制)表示，并且光強度的變化需要用光電探測器來探測。

當(dāng)OOK以100Gbit/s的速率應(yīng)用于傳輸?shù)臅r候，在光纖傳輸過程中的各種波形失真導(dǎo)致了信號傳輸質(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)制具有四個不同相位的光信號，并且還使用X偏振波和Y偏振波來承載不同的信號。

另外100G相干系統(tǒng)還使用相干檢測技術(shù)實現(xiàn)高靈敏度，本地振蕩器與接收的光信號產(chǎn)生拍頻用來檢測接收的光信號強度和相位信息。

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

并借助DSP在接收器處與相干探測結(jié)合用來補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調(diào)制光信號，例如雙極化16級正交幅度調(diào)制(DP-16QAM)等。

圖5

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

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)制級別的數(shù)量。

但是正如上面所提及的，越是高級的調(diào)制技術(shù)對系統(tǒng)要求越高。如果增加了調(diào)制級數(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)計超過100G的相干光傳輸系統(tǒng)，我們需要結(jié)合非線性補償、自適應(yīng)調(diào)制/解調(diào)以及高編碼增益FEC(前向糾錯)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——這要求縮小光信號的頻譜，奈奎斯特濾波對此至關(guān)重要，因為它使得發(fā)射機處的DSP通過減少光信號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, 就需要傳輸信號通過帶寬更窄的光復(fù)用器和解復(fù)用器，由此帶來的相鄰信道的干擾，對系統(tǒng)性能有很大影響。

圖7?

圖7左邊部分的說明

由圖7的左邊部分可以看到隨著信號速率的提高，光信號的頻譜也在變寬。

當(dāng)符號率提升至40 GBaud甚至100 GBaud時, OOK(把一個幅度取為0, 另一個幅度為非0, 就是OOK, On-Off Keying, 該調(diào)制方式的實現(xiàn)簡單)，信號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。舉例來說，與NRZ-OOK調(diào)制格式相比，使用QPSK可以將符號利用率提升兩倍。這樣我們就使用一半的符號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過的偏振復(fù)用PDM可以在同一個波長傳遞兩個并行偏振通道，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)，我們將單波長通道的光信號頻譜占用減小到了原來的四分之一。最后再利用脈沖整形濾波器進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, 相對于100G間隔WDM系統(tǒng)，頻譜效率可提升100%。

DSP如何處理信號?

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100Gbit/s以太網(wǎng)(100GbE)信號轉(zhuǎn)換為兩個光傳輸網(wǎng)絡(luò)(OTN)幀格式(OTU4信號)并將其輸出到DSP。

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

最后信號被轉(zhuǎn)換成200Gbit/s DP-16QAM信號并發(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光與本地振蕩光混合以便進行相干檢測操作，并將光轉(zhuǎn)換成如發(fā)射器中的四通道模擬信號。

DSP將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，并補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)均衡實現(xiàn)偏振復(fù)用信號的解復(fù)用，并補償由于諸如PMD等因素引起的波形失真。

傳輸路徑估計組件快速估計帶內(nèi)OSNR和色散參數(shù)，從而使信道選擇最佳補償方法，快速執(zhí)行信號恢復(fù)操作。整個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OTU4信號轉(zhuǎn)換為兩個100GbE信號，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)動下，400G ZR產(chǎn)品即將推向市場。