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由于FTTH（光纖到戶）的普及、智能手機日益增長的使用、第5代移動通信系統的高速發展促使光通信網絡的進一步升級。 當前國內100G DWDM系統波長資源即將耗盡，400G迫在眉睫，人們期待著頻譜效率更高的DWDM系統。 ◮圖1 當前國內骨干網示意圖（張成良《光網絡&光器件新技術發展與應用》） 近年來數字相干光傳輸系統被廣泛關注，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，象征著公司在該領域的領先地位。當前400G以太網傳輸的標準化正在進行中——這為每通道超過100G的光傳輸技術提供了商業開發潛力。 用于數字相干光傳輸的數字信號處理技術發展趨勢主要如圖2所示。 ◮圖2 （來自國外網站） 相干光模塊使用相干檢測技術提高了接收靈敏度和頻譜效率，另外使用DSP（數字信號處理）的技術實現了由長距離光纖傳輸過程中累積的波長失真的補償。改進現有的100G傳輸技術有兩種可能的方向：增強性能和降低功耗。 高性能數字信號處理器(DSP)增加了傳輸容量和距離，但是卻在傳輸設備中消耗了大量功率——為了開發超過100G的相干光傳輸系統，除卻高質量的激光器、光電探測器等，還需要實現高的頻譜利用率以及低功耗、高性能的數字信號處理功能。 數字相干光傳輸調制技術數字相干光傳輸技術的原理如圖3所示。傳統光傳輸系統中最常用的調制方法是OOK, 其中所用光信號中的0/1由開關狀態（強度調制）表示，并且光強度的變化需要用光電探測器來探測。 當OOK以100Gbit/s的速率應用于傳輸的時候，在光纖傳輸過程中的各種波形失真導致了信號傳輸質量下降十分顯著，結果就是傳輸距離僅限于幾公里。 ◮圖3 （來自國外網站） 當前應用于100Gbit/s相干的主要調制方案是雙極化正交相移鍵控(DP-QPSK)。DP-QPSK調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相干系統還使用相干檢測技術實現高靈敏度，本地振蕩器與接收的光信號產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，信號經過諸如均衡等前端處理，進入光混頻器與本地振蕩器產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的容量——達到200G或者400G, 則必須要使用更高的多級調制光信號，例如雙極化16級正交幅度調制(DP-16QAM)等。 ◮圖5 不過需要注意的是，越是高級的調制技術對系統的要求越高，圖5體現了不同調制級數對傳輸距離的影響。 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——實現此目標的有效方式是增加光學幅度或者相位中調制級別的數量。 但是正如上面所提及的，越是高級的調制技術對系統要求越高。如果增加了調制級數，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效應會大大增加，這又減少了可能的傳輸距離。 因此如果我們要設計超過100G的相干光傳輸系統，我們需要結合非線性補償、自適應調制/解調以及高編碼增益FEC（前向糾錯）等多種技術。 ◮圖6 相干光模塊中的關鍵部分（來自Ciena OFC報告） 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重要，因為它使得發射機處的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。 目前商用系統最新標準中的頻率間隔是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用器和解復用器，由此帶來的相鄰信道的干擾，對系統性能有很大影響。 ◮圖7 （來自《知否知否，什么是相干光通信》） 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, 該調制方式的實現簡單），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，導致串擾的出現。 圖7右邊部分的說明 右邊部分給出了使用多種不同技術的組合如何提高頻譜效率的想法。舉例來說，與NRZ-OOK調制格式相比，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據，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用PDM可以在同一個波長傳遞兩個并行偏振通道，相當于提升兩倍頻譜效率。 通過QPSK高階調制和PDM偏振復用技術，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的數據。 當前100G相干系統的建議頻率間隔為50GHz, 相對于100G間隔WDM系統，頻譜效率可提升100%。 DSP如何處理信號？在數字相干光傳輸系統中，DSP執行調制/解調和波形失真補償，所使用的數字相干光發射器/接收器功能配置如圖所示，在圖8中我們以200G相干傳輸系統為例。 ◮圖8 （來自國外網站） 在發送器中 成幀器將局域網(LAN)輸入的兩個100Gbit/s以太網(100GbE)信號轉換為兩個光傳輸網絡(OTN)幀格式（OTU4信號）并將其輸出到DSP。 DSP執行軟判決糾錯，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頻信號，隨后應用用于縮小光信號頻譜的數字濾波并進行D/A轉換。 最后信號被轉換成200Gbit/s DP-16QAM信號并發送至光傳輸系統(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，并將光轉換成如發射器中的四通道模擬信號。 DSP將模擬信號轉換為數字信號，并補償光纖中色散和非線性效應引起的波形失真。隨后執行自適應均衡實現偏振復用信號的解復用，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OSNR和色散參數，從而使信道選擇最佳補償方法，快速執行信號恢復操作。整個功能控制元件可控制DSP內不同功能塊的協調操作。解幀器將兩個OTU4信號轉換為兩個100GbE信號，并將其輸出到LAN。 小結相干光通信系統已成為當前線路側100G系統的主要解決方案，在DCI等領域的需求驅動下，400G ZR產品即將推向市場。 本文摘錄了相關論文，僅代表個人觀點，如有不當之處，歡迎指正。原文來自易飛揚通信https://www.gigalight.com/cn/bbs/article/over-100g-coherent-technology.html 部分內容引用自： • 《知否知否，什么是相干光通信？（上）》 • Yoshiaki Kisaka, Masahito Tomizawa, Yutaka Miyamoto, “Digital Signal Processor(DSP)for Beyond 100G Optical Transport” |
