超越100G速率的相干光通信系统的解决方案

由于FTTH(光纤到户)的普及、智能手机日益增长的使用、第5代移动通信系统的高速发展促使光通信网络的进一步升级。

当前国内100G DWDM系统波长资源即将耗尽，400G迫在眉睫，人们期待着频谱效率更高的DWDM系统。

超越100G速率的相干光通信系统的解决方案

图1 当前国内骨干网示意图(张成良《光网络&光器件新技术发展与应用》)

近年来数字相干光传输系统被广泛关注，易飞扬(Gigalight)于去年深圳光博会上首次展出了100G CFP DCO相干光模块，象征着公司在该领域的领先地位。当前400G以太网传输的标准化正在进行中——这为每通道超过100G的光传输技术提供了商业开发潜力。

用于数字相干光传输的数字信号处理技术发展趋势主要如图2所示。

图2

相干光模块使用相干检测技术提高了接收灵敏度和频谱效率，另外使用DSP(数字信号处理)的技术实现了由长距离光纤传输过程中累积的波长失真的补偿。改进现有的100G传输技术有两种可能的方向：增强性能和降低功耗。

高性能数字信号处理器(DSP)增加了传输容量和距离，但是却在传输设备中消耗了大量功率——为了开发超过100G的相干光传输系统，除却高质量的激光器、光电探测器等，还需要实现高的频谱利用率以及低功耗、高性能的数字信号处理功能。

数字相干光传输调制技术

数字相干光传输技术的原理如图3所示。传统光传输系统中最常用的调制方法是OOK, 其中所用光信号中的0/1由开关状态(强度调制)表示，并且光强度的变化需要用光电探测器来探测。

当OOK以100Gbit/s的速率应用于传输的时候，在光纤传输过程中的各种波形失真导致了信号传输质量下降十分显著，结果就是传输距离仅限于几公里。

图3

当前应用于100Gbit/s相干的主要调制方案是双极化正交相移键控(DP-QPSK)。DP-QPSK调制具有四个不同相位的光信号，并且还使用X偏振波和Y偏振波来承载不同的信号。

另外100G相干系统还使用相干检测技术实现高灵敏度，本地振荡器与接收的光信号产生拍频用来检测接收的光信号强度和相位信息。

DP-QPSK的频谱使用率是OOK的四倍，信号经过诸如均衡等前端处理，进入光混频器与本地振荡器产生的光信号进行相干混合。

并借助DSP在接收器处与相干探测结合用来补偿由于色散引起的波形失真、偏振模色散(PMD)等，从而在不使用诸如色散补偿光纤的情况下使得超过1000km的传输成为可能。

图4

如果要进一步增加光传输系统的容量——达到200G或者400G, 则必须要使用更高的多级调制光信号，例如双极化16级正交幅度调制(DP-16QAM)等。

图5

不过需要注意的是，越是高级的调制技术对系统的要求越高，图5体现了不同调制级数对传输距离的影响。

如何提升频谱利用率?

为了增加每根光纤的传输容量，有必要提升频谱利用率——实现此目标的有效方式是增加光学幅度或者相位中调制级别的数量。

但是正如上面所提及的，越是高级的调制技术对系统要求越高。如果增加了调制级数，光信噪比OSNR容限需要增加;增加传输功率以提高OSNR的话，那么由光纤的非线性光学效应会大大增加，这又减少了可能的传输距离。

因此如果我们要设计超过100G的相干光传输系统，我们需要结合非线性补偿、自适应调制/解调以及高编码增益FEC(前向纠错)等多种技术。

图6 相干光模块中的关键部分

提高频谱利用率的一种有效方法是减少WDM中相邻信道之间的频率间隔——这要求缩小光信号的频谱，奈奎斯特滤波对此至关重要，因为它使得发射机处的DSP通过减少光信号频谱的方式最大限度地提升了频谱效率。

目前商用系统最新标准中的频率间隔是50GHz, 若要减小到25GHz/12.5GHz, 就需要传输信号通过带宽更窄的光复用器和解复用器，由此带来的相邻信道的干扰，对系统性能有很大影响。

超越100G速率的相干光通信系统的解决方案

图7

图7左边部分的说明

由图7的左边部分可以看到随着信号速率的提高，光信号的频谱也在变宽。

当符号率提升至40 GBaud甚至100 GBaud时, OOK(把一个幅度取为0, 另一个幅度为非0, 就是OOK, On-Off Keying, 该调制方式的实现简单)，信号占用的带宽变得大于50-GHz ITU信道的带宽。从图中可以看出，频谱加宽的信道开始与它们的相邻信道重叠，导致串扰的出现。

图7右边部分的说明

右边部分给出了使用多种不同技术的组合如何提高频谱效率的想法。举例来说，与NRZ-OOK调制格式相比，使用QPSK可以将符号利用率提升两倍。这样我们就使用一半的符号率传输同样速率的数据，占用的光谱带宽也减少了一半。
然后通过上面我们说过的偏振复用PDM可以在同一个波长传递两个并行偏振通道，相当于提升两倍频谱效率。

通过QPSK高阶调制和PDM偏振复用技术，我们将单波长通道的光信号频谱占用减小到了原来的四分之一。最后再利用脉冲整形滤波器进一步缩小占用频谱之后，可以在50GHz带宽的信道中传输112Gbps的数据。

当前100G相干系统的建议频率间隔为50GHz, 相对于100G间隔WDM系统，频谱效率可提升100%。

DSP如何处理信号?

在数字相干光传输系统中，DSP执行调制/解调和波形失真补偿，所使用的数字相干光发射器/接收器功能配置如图所示，在图8中我们以200G相干传输系统为例。

图8

在发送器中

成帧器将局域网(LAN)输入的两个100Gbit/s以太网(100GbE)信号转换为两个光传输网络(OTN)帧格式(OTU4信号)并将其输出到DSP。

DSP执行软判决纠错，然后将信号映射到四个通道(两个正交相位(相位I(同相)和Q(正交))和两个正交极化波(X和Y))，随后添加用于帧同步组与信道估计的导频信号，随后应用用于缩小光信号频谱的数字滤波并进行D/A转换。
最后信号被转换成200Gbit/s DP-16QAM信号并发送至光传输系统(OTN)。

在接收器中

光接收器元件将接收的信号光与本地振荡光混合以便进行相干检测操作，并将光转换成如发射器中的四通道模拟信号。

DSP将模拟信号转换为数字信号，并补偿光纤中色散和非线性效应引起的波形失真。随后执行自适应均衡实现偏振复用信号的解复用，并补偿由于诸如PMD等因素引起的波形失真。

传输路径估计组件快速估计带内OSNR和色散参数，从而使信道选择最佳补偿方法，快速执行信号恢复操作。整个功能控制元件可控制DSP内不同功能块的协调操作。解帧器将两个OTU4信号转换为两个100GbE信号，并将其输出到LAN。

小结

相干光通信系统已成为当前线路侧100G系统的主要解决方案，在DCI等领域的需求驱动下，400G ZR产品即将推向市场。