相干傳輸：應(yīng)對(duì)帶寬需求的關(guān)鍵技術(shù)

 隨著物聯(lián)網(wǎng)、AR/VR、5G 等全新應(yīng)用場(chǎng)景的不斷演進(jìn)和落地，目前全球數(shù)據(jù)量增長(zhǎng)迅速。據(jù)思科最新報(bào)告顯示，目前全球數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)量增速為 27%CAGR，預(yù)計(jì)到 2020 年將達(dá)到 15.3ZB。數(shù)據(jù)量的激增給網(wǎng)絡(luò)傳輸帶來(lái)了更高的要求，目前 100Gb/s 的技術(shù)已經(jīng)成熟并且實(shí)現(xiàn)規(guī)模商用部署，而這還是不夠的。技術(shù)廠商正在向更高傳輸速率標(biāo)準(zhǔn)邁進(jìn)。

圖 全球數(shù)據(jù)中心數(shù)據(jù)增長(zhǎng)(來(lái)源:思科)

持續(xù)增長(zhǎng)的帶寬需求與業(yè)界應(yīng)對(duì)

目前 400Gb/s 的網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)已經(jīng)逐漸從幕后的技術(shù)研究走向了商用前臺(tái)，尤其是最近幾年發(fā)展更為迅速。從 400Gb /s 標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)展來(lái)看，國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)化組織——中國(guó)通信標(biāo)準(zhǔn)化

協(xié)會(huì)(CCSA)、國(guó)際電信聯(lián)盟(ITU-T)、國(guó)際電氣電子工程師學(xué)會(huì)(IEEE)、光互聯(lián)論壇(OIF)等均得了明顯進(jìn)展。現(xiàn)階段從全球范圍內(nèi)來(lái)看，100G 以太網(wǎng)速率已經(jīng)在數(shù)據(jù)中心有大量的應(yīng)用，400G 速率作為下一代速率在產(chǎn)業(yè)內(nèi)已經(jīng)開始廣泛的研究，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)組織的研究和討論也在推進(jìn)中。400Gb /s 技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)最新進(jìn)展進(jìn)一步推動(dòng)了 400Gb /s技術(shù)步入商用化的進(jìn)程，如何合理部署 400Gb /s 成為業(yè)界關(guān)注的焦點(diǎn)。由于物理極限,在 100Gb/s 以及更高速度的系統(tǒng)中,相干傳輸技術(shù)逐漸成為利用現(xiàn)有設(shè)備來(lái)克服技術(shù)極限的關(guān)鍵.相干傳輸技術(shù)可用于 100G 和 400G 應(yīng)用，因?yàn)樗沟梅?wù)提供商能夠通過現(xiàn)有的光纖發(fā)送更多的數(shù)據(jù)，減少為帶寬擴(kuò)展而進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)升級(jí)的成本和復(fù)雜性。當(dāng)前用于相干光的定時(shí)解決方案在成本和尺寸方面還未達(dá)到最優(yōu)化，需要 VCSO、時(shí)鐘發(fā)生器和分立器件的多樣化組合。

圖 帶寬的增長(zhǎng)與對(duì)應(yīng)的支撐技術(shù)

眾所周知，隨著傳輸距離和數(shù)據(jù)容量的加大，在光傳輸過程中的損耗也就越大，數(shù)據(jù)中心互聯(lián)需要克服遠(yuǎn)距離上的信息傳輸問題，于是相干技術(shù)就成為了實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)中心互聯(lián)中相當(dāng)重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。據(jù)與 Microsemi 合作的 ClariPhy 亞太區(qū)高級(jí)總監(jiān)Andrew 介紹：“相干技術(shù)是業(yè)界一致公認(rèn)的 100G 及以上傳輸?shù)氖走x，也是單光纖(L+C 波段)從 10Tbps 升級(jí)到 70Tbps 的唯一選擇。將相干技術(shù)用于數(shù)據(jù)中心互聯(lián)能夠極大地降低每比特光傳輸中損耗，從而提高數(shù)據(jù)傳輸效率。”不僅如此，相干技術(shù)也可以在 100G 和超 100G 上實(shí)現(xiàn)最低總體擁有成本，棄用傳統(tǒng)昂貴的色散補(bǔ)償模塊(DCM)，使用基于 CMOS 的 DSP 芯片對(duì)光纖噪聲損耗進(jìn)行數(shù)字補(bǔ)償。利用相干技術(shù)能夠靈活地調(diào)整光纖長(zhǎng)度，同時(shí)也能夠保障數(shù)據(jù)傳輸量可擴(kuò)展到每波長(zhǎng) 400G，即用更大的容量來(lái)降低每比特成本。

圖 當(dāng)前光通信的主要標(biāo)準(zhǔn)及其參數(shù)

相干傳輸 簡(jiǎn)介(coherent transmission)

在相干光通信中主要利用了相干調(diào)制和外差檢測(cè)技術(shù)。所謂相干調(diào)制，就是利用要傳輸?shù)男盘?hào)來(lái)改變光載波的頻率、相位和振幅(而不象強(qiáng)度檢測(cè)那樣只是改變光的強(qiáng)度)，這就需要光信號(hào)有確定的頻率和相位(而不象自然光那樣沒有確定的頻率和相位)，即應(yīng)是相干光。

圖 電磁波的極化

激光就是一種相干光。所謂外差檢測(cè)，就是利用一束本機(jī)振蕩產(chǎn)生的激光與輸入的信號(hào)光在光混頻器中進(jìn)行混頻，得到與信號(hào)光的頻率、位相和振幅按相同規(guī)律變化的中頻信號(hào)。數(shù)字相干接收技術(shù)使得光傳輸系統(tǒng)具有足夠的色散容限和偏振模容限，無(wú)需考慮線路傳輸上的色度色散和偏振模色散的影響，這給網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和運(yùn)維帶來(lái)一系列好處，主要包括：

1. 簡(jiǎn)化了傳輸線路上的光學(xué)色散補(bǔ)償和偏振解復(fù)用設(shè)計(jì)，線路設(shè)計(jì)更簡(jiǎn)單;

2. 消除了低 PMD 光纖的依賴，適用于各種規(guī)格的傳輸光纖，方便光纖線路速率升級(jí);

3. 消除了傳輸線路 DCF 光纖非線性效應(yīng)的影響，減少了線路放大器的數(shù)量和ASE 噪聲的影響，降低了線路成本，提升了系統(tǒng)長(zhǎng)距傳輸能力;

4. 減小了線路傳輸時(shí)延，按照 1km 光纖 5us 的時(shí)延計(jì)算，消除 DCF 光纖所帶來(lái)的時(shí)延減少非?？捎^，這對(duì)時(shí)延敏感的應(yīng)用環(huán)境意義重大;

5. 保護(hù)恢復(fù)時(shí)間小于 50ms，(不同于 40G 系統(tǒng))100G 數(shù)字信號(hào)處理自適應(yīng)色散補(bǔ)償算法收斂迅速，完全滿足電信級(jí)恢復(fù)時(shí)延要求。

基于數(shù)字相干接收 PM-QPSK 調(diào)制的 100G 光傳輸技術(shù)在長(zhǎng)距離光傳輸技術(shù)史上具有里程碑意義，這不僅僅體現(xiàn)在 100G 光傳輸性能的巨大提升和建網(wǎng)運(yùn)維的顯著優(yōu)勢(shì)上，更是由于其為后續(xù)超 100G 傳輸技術(shù)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。超 100G 光傳輸將繼承 100G 光傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想，采用偏振復(fù)用、多級(jí)調(diào)制提高頻譜效率，采用 OFDM 技術(shù)規(guī)避目前光電子器件帶寬和開關(guān)速度的限制，采用數(shù)字相干接收提高接收機(jī)靈敏度和信道均衡能力。然而，超 100G 光傳輸由于非線性效應(yīng)的限制，傳輸距離和頻譜效率之間的矛盾非常顯著，選擇更高級(jí)別的 QAM 調(diào)制提高頻譜效率和傳輸速率，其傳輸距離可能遠(yuǎn)低于目前 100G 系統(tǒng)。這決定了 100G速率在長(zhǎng)距離光傳輸應(yīng)用上會(huì)占據(jù)一個(gè)比較長(zhǎng)的時(shí)間窗口，其大規(guī)模在網(wǎng)應(yīng)用時(shí)間保守估計(jì)在 10 年以上。[!--empirenews.page--]

圖 相干發(fā)射機(jī)原理圖

圖 相干接收器原理圖

傳統(tǒng)光調(diào)制

傳統(tǒng)光調(diào)制采用功率調(diào)制技術(shù)，來(lái)自信息源的電信號(hào)按規(guī)定的時(shí)間間隔抽樣，由一些分立的抽樣信號(hào)代替了連續(xù)信號(hào)。這些抽樣信號(hào)被轉(zhuǎn)譯為二元數(shù)字：數(shù)字 1 表示 1 個(gè)光脈沖，數(shù)字 0 表示沒有脈沖。為了易于傳輸，可以用不同形式的脈沖表示 1 和 0，這稱為脈沖代碼。這些脈沖在光纖中傳輸后到達(dá)輸出端被接收，通過放大后重新生成與原來(lái)信號(hào)一樣的脈沖。這種調(diào)制方式的優(yōu)點(diǎn)是微弱信號(hào)再生與探測(cè)的可能性。它可以通過改變光源的注入電流來(lái)調(diào)制光源的輸出功率 。

相干光調(diào)制

相干光調(diào)制，通過較低頻率的電磁場(chǎng)來(lái)調(diào)制光場(chǎng)的振幅(AM)、相位(PM)和頻率(FM)，這種調(diào)制技術(shù)需要的條件有以下幾條：

1) 光源的振幅、頻率和相位是穩(wěn)定的，無(wú)波動(dòng)的;

2) 通常利用電光效應(yīng)進(jìn)行外調(diào)制;

3) 接收器需采用外差檢測(cè)系統(tǒng)。

當(dāng)相干調(diào)制光信號(hào)傳輸?shù)竭_(dá)接收端時(shí)，首先與─本振光信號(hào)進(jìn)行相干耦合，然后由平衡接收機(jī)進(jìn)行探測(cè)。根據(jù)本振光頻率與信號(hào)光頻率不等或相等，可分為外差檢測(cè)和零差檢測(cè)。前者光信號(hào)經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后獲得旳是中頻信號(hào)，還需二次解調(diào)才能被轉(zhuǎn)換成基帶信號(hào)。后者光信號(hào)經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后被直接轉(zhuǎn)換成基帶信號(hào)，不用二次解調(diào)，但它要求本振光頻率與信號(hào)光頻率嚴(yán)格匹配，并且要求本振光與信號(hào)光旳相位鎖定。

圖 相干通信常用的調(diào)制方式與其參數(shù)

相干通信的關(guān)鍵器件: 線性調(diào)制器

近年來(lái), 業(yè)界在光器件方面取得了很大的進(jìn)步，其中激光器的輸出功率，線寬，穩(wěn)定性和噪聲，以及光電探測(cè)器的帶寬，功率容量和共模抑制比都得到了很大的改善，微波電子器件的性能也大幅提高。這些進(jìn)步使得相干光通信系統(tǒng)商用化變?yōu)榭赡?。在發(fā)送端，采用外調(diào)制方式將信號(hào)調(diào)制到光載波上進(jìn)行傳輸。當(dāng)信號(hào)光傳輸?shù)竭_(dá)接收端時(shí)，首先與一本振光信號(hào)進(jìn)行相干耦合，然后由平衡接收機(jī)進(jìn)行探測(cè)。相干光通信根據(jù)本振光頻率與信號(hào)光頻率不等或相等，可分為外差檢測(cè)和零差檢測(cè)。前者光信號(hào)經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后獲得的是中頻信號(hào)，還需二次解調(diào)才能被轉(zhuǎn)換成基帶信號(hào)。后者光信號(hào)經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后被直接轉(zhuǎn)換成基帶信號(hào)，不用二次解調(diào)，但它要求本振光頻率與信號(hào)光頻率嚴(yán)格匹配，并且要求本振光與信號(hào)光的相位鎖定。

圖 一個(gè)完整的相干傳輸收發(fā)系統(tǒng)

業(yè)界領(lǐng)先的光通信器件廠商 MACOM 最近推出了能在單個(gè)波長(zhǎng)上達(dá)到 600Gbit 傳輸帶寬的線性驅(qū)動(dòng)器: “MAOM-00641X 系列器件。此器件能在使用 64GHz 的頻率上使用64QAM 的調(diào)制方式，且能輸出差分與單端信號(hào)。“

圖 器件框圖

展望

隨著短距離通信的帶寬進(jìn)一步增長(zhǎng),相干傳輸技術(shù)應(yīng)用將更加普遍。對(duì)于超長(zhǎng)波長(zhǎng)(2～10μm)光纖通信來(lái)說，相干光通信最具吸引力。因?yàn)樵诔L(zhǎng)波段，由瑞利散射決定的光纖固有損耗將進(jìn)一步大幅度降低(瑞利散射損耗與 1/λ^4 成正比)，故從理論上講，在超長(zhǎng)波段可實(shí)現(xiàn)光纖跨洋無(wú)中繼通信。而在超長(zhǎng)波段，直接探測(cè)接收機(jī)的性能很差，于是相干探測(cè)方式自然而然地成為唯一的選擇了。

超長(zhǎng)波長(zhǎng)光纖通信系統(tǒng)是以超長(zhǎng)波長(zhǎng)光纖作為傳輸介質(zhì)，利用相干光通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)超長(zhǎng)距離通信。在該系統(tǒng)中超長(zhǎng)波長(zhǎng)光纖是至關(guān)重要的。它是一種更為理想的傳輸媒介，其主要特性是損耗特低，只有石英材料的千萬(wàn)分之一。因此，超長(zhǎng)波長(zhǎng)光纖可以實(shí)現(xiàn)數(shù)萬(wàn)公里傳輸，而不要中繼站。它可以大幅度降低通信成本，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，對(duì)海底通信和沙漠地區(qū)更具有特別重要的意義。

研究的超長(zhǎng)波長(zhǎng)光纖主要是氟化物玻璃光纖，其理論損耗值非常低，如 Ba-F2-Gd-ZrF4-ALF3 光纖在 3μm 左右的理論最低損耗為 10-3dB/km，GaF2-BaF2-YF2-ALF3 光纖的透明范圍為 27μm，在 3μm 左右的最低理論損耗為 10-2dB/km。

從光纖的色散特性來(lái)看，氟化玻璃材料光纖也可以實(shí)現(xiàn)零色散。例如，由鎬、鋁和鑭組成的氟化物光纖，在 1.7μm 可實(shí)現(xiàn)零色散，在 4μm 波長(zhǎng)的色散也很小，只有 45ps/nmkm。而且，氟化物玻璃光纖在較寬的波長(zhǎng)范內(nèi)，比石英光纖的色散要低。這樣，可在大范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)波份復(fù)用。

隨著光纖通信技術(shù)的發(fā)展，利用超長(zhǎng)波長(zhǎng)光纖實(shí)現(xiàn)超長(zhǎng)距離通信是今后光纖通信發(fā)展的重要方向之一。在不久的將來(lái)，傳統(tǒng)光通信系統(tǒng)過于簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)必定無(wú)法滿足高速增長(zhǎng)的帶寬需求，而相干光通信技術(shù)作為一個(gè)研究相對(duì)成熟，潛在優(yōu)勢(shì)明顯的選擇，必定會(huì)受到學(xué)術(shù)界和企業(yè)越來(lái)越多的關(guān)注。