超高速光通信的新技術及應用

呂建新(烽火通信科技股份有限公司，湖北 武漢 430073)

0 前言

3G、高清視頻、高速寬帶上網和云計算等業務需求推動了網絡IP流量的快速增長，人們對通信帶寬的需求不斷增長，提高傳輸速率是提高傳輸帶寬的一項重要技術。目前通信網大規模應用的最高單通道商用傳輸速率是40 Gbit/s，100 Gbit/s光傳輸也即將投入商用，400 Gbit/s和1 Tbit/s超高速光傳輸也正在如火如荼地建設中。國際上不斷有新的傳輸記錄產生，目前的傳輸試驗已經達到了單光源32 Tbit/s光傳輸的傳輸記錄。本文對40、100 Gbit/s及以上速率的超高速光傳輸將會應用的新技術進行了介紹，同時介紹了烽火通信在超高速光通信方面的一些研究進展，最后對新技術的應用、發展作了展望。

1 40GE/100GE以太網技術

云計算、大容量路由器之間的互聯等大帶寬的應用，推動了高速以太網技術的發展，40GE/100GE是當前最大帶寬、最高速率的以太網接口，40GE已經在路由器中規模應用，帶100GE接口的路由器也已經開始商用。

2010年6月IEEE正式發布了40GE/100GE以太網標準IEEE 802.3ba。標準中已經明確了40G/100G以太網仍然使用802.3 MAC標準的以太網幀格式，保留了802.3標準的最小和最大幀長度，只支持全雙工工作。

在物理層實現方面，由于40GE/100GE速率高，40GE/100GE的PMA子層和PMD子層與10GE相比有較大變化，其復雜度和規模要大得多。與10GE相比，40GE/100GE的MAC與PHY的接口由原來的XGMII接口演變成 XLGMI接口(40GE) 和 CGMII(100GE)，XLGMII/CGMII接口容量由 10 Gbit/s提高到40和100 Gbit/s，數據通道位寬由32 bit增加到64 bit，同時PHY的層次結構上多了FEC功能子層。

40GE/100GE的PMA層采用并行多通道處理方式，采用MLD的架構。該架構在對MAC數據流進行PCS層64B/66B編碼后，按照66B塊進行分發。40GE分發到4路虛通道上，100GE分發到20路虛通道上。針對不同的物理通道數量，再對虛通道進行比特復用。例如，20路虛通道通過2∶1比特復用器復用成10路物理通道，通過5∶1比特復用器復用成4路物理通道。

多通道并行處理方式在降低了高速數據處理難度的同時，也帶來了多通道數據的對齊問題。對100GE來說，20路虛通道并行數據在經過不同的波長和線路傳輸后的延時不盡相同，在接收端必須進行延時校正，數據對齊才能實現信號的重新裝配和還原。IEEE 802.3ba規范中定義了一套多路延時校正機制:發送側把經過加擾后的數據分配到20個VL的時候，為每路PCS VL每隔16 383個66比特塊周期(即216 μs發送一次同步對齊字節，約占0.006%帶寬)，加上一個具有標示該路ID號和對齊功能的對齊控制塊。接收側移去該對齊控制塊，并根據該對齊控制塊，識別每路VL，實現20個VL的對齊，恢復數據的原來順序。對齊碼塊不占用額外的帶寬空間，采用刪除IPG空間的方法獲得。

在子層接口方面，40GE/100GE PMA與PMD子層之間接口為XLAUI/CAUI，即與40GE/100GE MAC/PCS層與光模塊之間互聯接口為XLAUI/CAUI，該接口為4×10 Gbit/s(對 40GE)和 10×10 Gbit/s(對 100GE)，可允許約25 cm的PCB連接距離(包含1個接頭)。

40GE/100GE PMD采用并行接口，40GE主要有4×10 Gbit/s，100GE 主要有 10×10 Gbit/s和 4×25 Gbit/s 2種并行接口，傳輸媒質有銅線、多模光纖、單模光纖等。IEEE 802.3ba規范的40GE和100GE接口主要有表1所示的幾種，從表1可以看出，40GE主要定位于10 km以下的短距離互聯，100GE定位于更長距離的應用。

100G以太網的實現，受到電路規模大和標準發布時間不長等因素影響，目前還沒有商用芯片推出，不過有些廠家的交換芯片和包處理(PP)芯片中已經規劃了40GE/100GE接口，相信不久這些芯片會規模商用。

表1 IEEE 802.3ba規范的40GE和100GE接口

烽火通信在國家863課題“100GE光以太網關鍵技術研究與系統傳輸試驗平臺”研制的支持下，對100G以太網關鍵技術及實現進行了深入研究，取得了較大進展，圓滿完成了課題任務目標:自主設計開發出了100G以太網成幀處理芯片，研制成功了100GE光以太網設備樣機，實現了符合IEEE 802.3ba標準的100GE以太網接口和功能，并與基于分組的包傳送(PTN)設備一起進行了100GE業務組網試驗。

2 新型調制技術

2.1 各種調制技術的主要性能

為了達到商用要求，必須克服光傳輸線路損傷的影響。目前有多種手段可用，如超強FEC技術、RAMAN放大技術、色散管理技術、新型調制編碼技術等，其中采用新型調制碼型是100 Gbit/s及以上速率超高速光傳輸最關鍵的技術手段。

調制編碼技術有很多種，有基于強度調制的NRZ、DRZ、ODB和PSBT，基于相位調制的DPSK和DQPSK，以及結合偏振復用的調制技術DP-QPSK等。表2是各種編碼技術的主要性能比較。

在這些性能指標中，OSNR是光信噪比，越大表示性能越好；能否支持50 GHz表示系統能傳送的最大波數量，在不使用擴展C波段的前提下，支持50 GHz表示系統最大可支持80波傳送；CD容限是色散容限，PMD容限是偏振模色散容限，容限越大，表示不需要補償的傳送距離越遠。

由表2的分析可見，沒有一種技術能做到各方面都好，每種技術都有自己最合適的應用場景。根據不同的場景選用合適的技術是當前階段的最優選擇。

在低速光傳輸系統中，光信號通常采用的是幅度調制，調制碼型一般是非歸零碼(NRZ)和歸零碼(RZ)，該技術實現方式較為簡單，成本低。40G及以上速率的光傳輸中，必須采用新型調制技術，如相位調制和正交幅度調制(QAM)以及基于以上2種調制的多電平調制技術等。

表2 各種編碼技術的主要性能比較

2.2 相位調制

相位調制是以相位變化來表征被調制數值信號“0”和“1”的差異，又稱移相鍵控(PSK)。 主要有二相位相移鍵控(BPSK)、QPSK和16相位相移鍵控(16PSK)等，BPSK以0和π的相位變化來表征數值信號“0”和“1”的差異，QPSK 以 4 個相位(如 0、+π/2、-π/2 和 π)來表征數值信號“00”、“01”、“10”、“11”，一個符號可以攜帶2 bit的信息，可以將頻譜效率翻倍。相位調制在保持常數強度包絡的同時，能夠有效抑制非線性損傷對信號的影響。

根據參考相位的不同，光相位調制可分為2類。

第一類調制技術參考之前的信號相位，一般是前一個符號。此類調制方法的名稱前通常帶有一個“D”，表示“差分”，例如DPSK和DQPSK。

第二類調制技術在接收端使用精確調諧到源激光器頻率的本地激光器作為參考源。此類技術一般稱為相干調制，因為它和早期的相干檢測系統非常相似。

2.3 正交幅度調制

正交幅度調制(QAM)是一種在2個正交載波上進行幅度調制的調制方式。這2個載波通常是相位差為90°的正弦波，因此被稱作正交載波。在QAM中，數據信號由相互正交的2個載波的幅度變化表示。

在幅度調制過程中采用多電平調制幅度，QAM信號集可以用星座圖表示，星座圖上每一個星座點對應發射信號集中的一個信號。設正交幅度調制的發射信號集大小為N，稱之為N-QAM。常見的QAM形式有16-QAM、64-QAM、256-QAM等。星座點數越多，每個符號能傳輸的信息量就越大。但是，如果在星座圖的平均能量保持不變的情況下增加星座點，會使星座點之間的距離變小，進而導致誤碼率上升。因此高階星座圖的可靠性比低階要差。

與其他調制技術相比，QAM編碼具有能充分利用帶寬、抗噪聲能力強等優點。當對數據傳輸速率的要求高過8-PSK能提供的上限時，一般采用QAM的調制方式。因為QAM的星座點比PSK的星座點更分散，星座點之間的距離因此更大，所以能提供更好的傳輸性能。

但是QAM星座點的幅度不是完全相同的，所以它的解調器需要能同時正確檢測相位和幅度，不像PSK解調只需要檢測相位，這增加了QAM解調器的復雜性。

2.4 多電平調制技術

在過去的10年里，通過DWDM系統同時傳送多個信道，以及每信道符號速率的增加，光通信網絡的傳輸容量得以提升。為了更有效地提升光信號的頻譜效率，必須利用每個符號的更多特征來傳遞信息，這就是多電平調制技術。多電平的N-QAM和多相位的PSK調制(如QPSK、16PSK等)都屬于多電平調制技術。

(D)PSK調制碼型雖然能夠在抗非線性和色散容限方面較傳統的幅度調制有較大的改善，但是該調制技術只使用2個相位，每個符號攜帶1 bit信息，信號比特率和傳輸速率是相等的，并不能提高光信號的頻譜效率。(D)QPSK調制信號有4個相位，每符號承載2 bit信息，能夠在僅增加少量帶寬代價的情況下將比特率翻倍。

多進制調制比二進制調制具有更窄的信號頻譜，而信號的色散損傷與譜寬的平方成正比，因此多進制調制的DQPSK能大幅度提高DPSK對色散、PMD以及非線性的公差。

DPSK和DQPSK調制碼型由于具有較好的OSNR要求和抗非線性能力，在40及100 Gbit/s以上高速光傳輸中已經開始得到應用，目前已經有商用化的調制/解調制器模塊。QAM解調器比較復雜，目前仍處在100 Gbit/s以上超高速光傳輸的實驗研究階段，如采用16-QAM或64-QAM進行400 Gbit/s和1 Tbit/s光傳輸，取得了較好的效果，是未來最可能采用的一種調制格式。

3 新型的復用技術

為了在提高傳輸容量的同時，降低線路上符號的傳輸速率，充分發揮光纖的傳輸效率，在超高速系統中，采用以下2種新型復用技術來提高光信號的頻譜效率，提升線路的傳輸容量。

3.1 偏振復用

偏振復用技術是利用相互正交的2個偏振態來傳遞不同的信息，提高系統頻譜使用率，降低單信道的信號速率，每個偏振信道的調制方式可以是前述調制碼型的任意一種。

偏振復用系統對偏振敏感，受PMD變化影響也較大。偏振復用可以和前述的多電平調制技術結合使用，如果將偏振復用與DQPSK相結合，將獲得更高的頻譜效率，一個符號承載4比特信息。當前100G光傳輸比較認可的PM-(D)QPSK調制碼型，112 Gbit/s的比特速率在采用PM-(D)QPSK編碼調制后，波特率可以降至28 Gbit/s。

目前，國際標準化組織OIF已經建議偏振復用+正交相位調制(PM-QPSK)或偏振復用+差分正交相位調制(PM-DQPSK)作為100 Gbit/s的主流調制技術。基于PM-DQPSK的100 Gbit/s光模塊也已有少數廠家開發出，并開始試商用。多數設備廠商已經決定采用PM-(D)QPSK作為其主要調制復用技術。

3.2 光正交頻分復用(OFDM)

正交頻分復用(OFDM)是一種具有高頻譜效率的調制方式，已廣泛應用于各類有線和無線通信領域，成為無線通信中的主導調制格式并形成了許多無線通信領域內的重要標準，如802.11a/g、Wi-Fi、HiperLAN2、802.16、WiMAX等。近年來，OFDM成功應用于光通信領域，可有效對抗光纖中的色散和偏振模色散等并展現了靈活高效的頻譜利用和調制，成為100 Gbit/s及以上高速光傳輸極具潛力的關鍵技術。

正交頻分復用主要思想是:將信道分成若干正交子信道，將高速數據信號轉換成并行的低速子數據流，調制到在每個子信道上進行傳輸。正交信號可以通過在接收端采用相關技術來分開，這樣可以減少子信道之間的相互干擾。

OFDM的優勢為:子頻帶割分增強對器件和模塊選擇的靈活性；導頻副載波便于信道和相位估計；極高的頻譜效率和極好的可擴展性；簡化了CD、PMD均衡。

根據檢測接收實現方法的不同OFDM可分為相干檢測(CO-OFDM)和直接檢測(DDO-OFDM)2種方式。CO-OFDM采用光正交相位調制器作為電光轉換前端，采用相干檢測作為光電轉換前端，兼具相干檢測和正交頻分復用的優點，具有優異的頻譜效率、接收機靈敏度和偏振模色散容忍度，但其實現復雜度較DDO-OFDM高。

OFDM技術目前主要用在400 Gbit/s和1 Tbit/s的高速光傳輸試驗的研究中，也是超高速光傳輸中未來最可能采用的一種實現技術。

4 相干接收技術

在光信號的接收方面，采用新型接收技術也能夠克服線路損傷的影響。低速光傳輸常用的檢測方式為強度檢測，即檢測信號的幅度，該方式結構簡單，成本低，但是丟失了信號相位信息，接收機本身無法對傳輸線路上的非線性損傷進行有效補償，只能依賴線路上的光學器件進行補償。在高速光傳輸系統中，隨著速率的提升，接收機色散容限進一步降低，直接檢測系統需要部署更為精確的色散補償器才能滿足系統的色散容限要求，將導致系統成本增加，可靠性降低。在超高速系統中，光纖的PMD效應成為主要的障礙，信號偏振變化的統計特性導致PMD的光學補償方式實用非常困難。

另一方面，為了提高光纖的傳輸容量和傳輸效率，在有限的頻段資源(如50 GHz)內傳輸盡可能多的信息容量，超高速傳輸系統中已經開始使用高階調制和偏振復用技術。對采用高階調制和偏振復用的信號，采用光學方法難以實現傳輸損傷的線路補償，而且接收機采用傳統的直接檢測方式將無法有效地檢測信號。

因此，在超高速傳輸系統中，人們已經開始普遍認識到相干檢測的重要性，相干檢測是解決傳輸損傷的一項關鍵技術。

相干檢測技術的基本原理為，接收端將收到的光信號與一本振光信號進行相干耦合后，采用平衡接收機進行探測。相干接收機在對接收信號進行相位檢測，將光信號轉換為電信號后，直接經過數字信號處理，采用數字信號處理器(DSP)對信號的電子偏振解復用，并結合使用電子色散補償來抑制偏振模式色散的影響。在超高速相干光接收機中，最主要核心器件是高速模數轉換(ADC)器件和高速DSP芯片，采用算法實現電域均衡和色散補償。

相干光檢測技術，除了檢測光信號的幅度，還能檢測光信號的相位和偏振態。在相干光系統中，光信號的相位信息可用來高效地補償光傳輸所引起的信號在電域內的劣化，光傳輸引起的失真也可以很好地通過電均衡器來補償，進而實現更遠的傳輸距離。

相干光接收技術具有如下優點。

a)可以充分利用光的相位、偏振等信息，實現多電平檢測，可以大幅度提高現有光纖鏈路的傳輸容量。

b)在電域就能有效地對色度色散和偏振模色散進行補償，可以省去復雜的光域補償。

c)相同誤碼指標下，相干光接收機具有更高的靈敏度，所需的光信噪比也更低，這將提高系統的傳輸距離，減少中繼點數目。如果采用PSK技術，這個效果會更加明顯。

d)能升級WDM網絡，一種接收機就能應對不同的調制方式。

相干探測相比直接探測復雜得多，但該方法卻特別適合具有偏振復用的DQPSK解調應用，因為可以有效利用相干探測高光學增益以及能夠對相位探測的特性及調制格式做高靈敏的探測解調。因此偏振復用＋DQPSK＋相干檢測是40、100 Gbit/s及以上速率超高速系統最佳組合方案。目前很多廠商已經推出或正在推出40G、100G QPSK相干檢測光收發模塊。

將相干光接收技術與先進的調制方式以及電信號處理技術相結合，可以大大提高現有光傳輸鏈路的容量和傳輸距離，提高頻譜效率，降低建設成本以及運維成本；同時，相干接收技術可以使用電均衡技術來準確補償光傳輸造成的劣化，網絡設計也因此可以變得更為靈活。

烽火通信100 Gbit/s系統采用相干檢測的偏振復用PM-QPSK技術，可以將100 Gbit/s對OSNR要求降低到13 dB以下，并結合采用數字信號處理技術均衡線路傳輸損傷，提升色散容忍能力達40 000 ps／nm，DGD容限超過100 ps，全面緩解了色散和PMD對高速傳輸的限制。

5 光子集成(PIC)技術

如前文所述，在40/100 Gbit/s及以上速率的超高速系統中，必須采用多相位調制(如DQPSK)、多電平正交幅度調制(M-QAM)等技術，提高光信號傳輸的頻譜效率，降低信號傳輸的符號率，降低光信號傳輸的非線性、色散、光信噪比等方面的影響，來實現長距離傳輸。以上技術的發展和應用與PIC技術是分不開的。

PIC技術是將多個分立的光器件集成在一塊基片上，從而減小了器件體積和應用復雜度。對低成本、低功耗和小尺寸的需求是推動PIC技術發展一個重要因素。傳統的光通信器件和子系統由分離的器件組成:單獨的激光器、調制器和控制單元，或是獨立的濾波器和波導，這些器件都是分別生產的，然后通過某種方式組裝起來，需要大量人工操作，成本高且體積大。

多電平接收機中，多比特符號的檢測器不再僅是簡單地檢測信號電平，而是對接收到的信號進行更加復雜的分析。因此，多電平調制的調制器和解調器都比傳統的光解調器復雜得多，實現成本也高得多，必須采用PIC技術，降低體積、生產成本，利于實現規模化生產。

相干光接收技術的應用也依賴于PIC技術的發展，為了充分發揮相干光接收技術的潛能，實現該技術的商業化應用，必須采用一定的集成技術，在相干光接收機內集成本振激光器、鎖相環、光耦合器、平衡光檢波器以及用于控制激光器偏置電路等的電信號處理器等，以達到縮小器件的體積，降低成本。

在相干光接收機中，相位解調器是無源系統，其基本原理是把相位和偏振編碼信息轉換為普通光檢測器可以檢測的強度信息，它是由耦合器和分光器組成的干涉裝置，光路信息被精確地設定，也多是由集成光子器件實現的。

對于100 Gbit/s相干系統以及性能更高的40 Gbit/s差分系統，信號失真度和其他性能的高要求也需要采用將解調器和檢測器集成在一起的方案，基于硅集成技術的平面集成光電路為應對這些挑戰打下了基礎。

平面光波導技術(PLC)是近幾年發展起來的PIC技術。平面集成光器件的實現方式是在平面基底上制出光波導，一般是由硅基底上玻璃波導組成，所用技術和制造工藝與DWDM系統中使用的陣列波導光柵(AWG)相同。平面光集成技術是半導體工業中大規模、低成本的生產制造技術，因此非常適用于制作相干系統中的解調器。

混合集成技術已能夠將光電二極管或激光器等半導體器件直接安裝在集成光基底上。該技術目前正應用到把光電二極管直接安裝在相干混頻器和DQPSK解調器基底上。基于硅波導的無源PIC是以最低成本大規模制作復雜解調器的理想方案。

PIC技術正越來越多地被運用在光器件的設計制作上，光器件以PIC的封裝方式已成為現實并開始得到應用。PIC光器件的封裝可以做到TO、SFF、SFP等封裝形式所不能做的高密度集成封裝，且其小尺寸、低功耗、低成本等特點更易于被客戶接受，在實際部署中也更加便捷和降低成本。PIC光器件可以在一定的空間內集成更多的通道，提高光器件接口的容量和密度(目前已有可集成500 Gbit/s傳輸容量的PIC)。

不同器件的集成，不同功能的集成將是光器件技術的發展主流。PIC是光器件必然的演進方向，光器件發展將更加集成化。

6 結束語

超高速光通信有很多關鍵技術，除前述介紹的新技術外，還有電子色散補償技術、超級FEC技術等。這些新技術的出現，為超高速光通信又打開了另外一扇門。在400 Gbit/s和1 Tbit/s光傳輸中，可以結合多電平調制、偏振復用、OFDM和相干接收這幾方面的技術，使光信號傳輸的符號率仍然保持在60 Gbit/s以下，能夠抗更多的非線性影響，容忍更大的傳輸色散，實現更遠的傳輸距離。同時這幾方面技術的應用，還必須依賴于PIC技術的發展，只有做到更大的集成度、更小的體積，更低的成本，才能實現商業化應用。

40GE/100GE采用了MLD的并行處理方式，PMA層與PMD層之間采用4×10 Gbit/s(40GE)或10×10 Gbit/s的XLAUI/CAUI接口，以及在PMA層采用多通道延時校正機制等，該架構為更高速率的以太網(如400G或1T)的開發奠定了基礎。400G或1T以太網將會繼續采用該體系架構，只不過通道數會更多，接口位寬和速率更高(如400G以太網PMA層與PMD層之間可能會采用16×25 Gbit/s接口)。

烽火通信在超高速光傳輸方面進行了深入研究，取得了重大進展和突破，成功實現了1 Tbit/s相干光正交頻分復用1 040 km的普通單模光纖無誤碼傳輸。該成果從現有的電子和光電器件水平出發，提出多波長同源低相位噪聲光子載波信號產生的模型，利用頻率循環搬移的多頻帶復用方式實現了1 Tbit/s的超高速傳輸速率。該成果還采用了基于正交頻分復用的調制方式和數字相干接收技術，通過16-QAM的高階調制和高冗余度的低密度奇偶校驗(LDPC)碼相結合的方法。

本文介紹的新技術仍在不斷發展中，在超高速光通信系統中，這些新技術的應用，不僅僅取決于該技術對傳輸性能的影響，還依賴于相關器件技術的發展。隨著大規模集成電路技術、PIC技術、高速DSP、ADC等技術的逐步成熟，器件的復雜性和成本將大幅度降低，這些新技術將會得到廣泛應用。

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