100G 超高速通信的起點(diǎn)

無(wú)線3G、高清視頻、高速寬帶上網(wǎng)和云計(jì)算等業(yè)務(wù)需求推動(dòng)了網(wǎng)絡(luò)IP流量的快速增長(zhǎng)，人們對(duì)通信帶寬的需求不斷增長(zhǎng)，提高傳輸速率是提高傳輸帶寬的一項(xiàng)重要技術(shù)。目前通信網(wǎng)大規(guī)模應(yīng)用的最高單通道商用傳輸速率是40G，100G光傳輸也即將投入商用，400G和1T超高速光傳輸也正在如火如荼的進(jìn)行中，國(guó)際上不斷有新的傳輸記錄產(chǎn)生，目前的傳輸試驗(yàn)已經(jīng)達(dá)到了單光源32T光傳輸的傳輸記錄。

　　40GE/100GE以太網(wǎng)技術(shù)

　　40GE/100GE以太網(wǎng)是當(dāng)前最大帶寬、最高速率的以太網(wǎng)接口，2010年6月國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)組織IEEE正式發(fā)布了40GE/100GE以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)IEEE802.3ba。標(biāo)準(zhǔn)中已經(jīng)明確了40G/100G以太網(wǎng)仍然使用802.3MAC標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)幀格式，保留了802.3標(biāo)準(zhǔn)的最小和最大幀長(zhǎng)度，只支持全雙工工作。

　　由于40GE/100GE速率高，40GE/100GE的PMA(物理媒質(zhì)附屬)子層和PMD(物理媒質(zhì)依賴)子層與10GE相比有較大變化，40GE/100GE的MAC與PHY的接口由原來(lái)的XGMII接口演變成XLGMI接口(40GE)和CGMII(100GE)，XLGMII/CGMII接口容量由10G提高到40G和100G，數(shù)據(jù)通道位寬由32bit增加到64bit，同時(shí)PHY(物理層)的層次結(jié)構(gòu)上多了FEC(前向糾錯(cuò))功能子層。

　　40GE/100GE的PMA層采用并行多通道處理方式，采用MLD(多通道分配)的架構(gòu)，如圖所示。

　　新型調(diào)制技術(shù)

　　高速率光傳輸受到了光纖色度色散、偏振模色散(PMD)以及非線性效應(yīng)的影響，傳輸距離受到嚴(yán)重限制。理論上，色散容限隨著傳輸速率的平方而減少，40G系統(tǒng)色散容限只有10G系統(tǒng)的1/16，100G系統(tǒng)色散容限只有10G系統(tǒng)的1/100。因此，為了實(shí)現(xiàn)40G/100G超高速光傳輸，必須降低系統(tǒng)對(duì)光信噪比(OSNR)以及色散容限的要求，克服非線性效應(yīng)的影響。

　　目前有多種手段可用，如超強(qiáng)FEC技術(shù)、RAMAN放大技術(shù)、色散管理技術(shù)、新型調(diào)制編碼技術(shù)等，其中采用新型調(diào)制碼型是100G及以上速率超高速光傳輸最關(guān)鍵的技術(shù)手段。

調(diào)制編碼技術(shù)有很多種，有基于強(qiáng)度調(diào)制的NRZ、DRZ、ODB和PSBT，基于相位調(diào)制的DPSK和DQPSK，以及結(jié)合偏振復(fù)用的調(diào)制技術(shù)DP-QPSK等。上表是各種編碼技術(shù)的主要性能比較。

　　分析可見，沒有一種技術(shù)能做到各方面都好，每種技術(shù)都有自己最合適的應(yīng)用場(chǎng)景。根據(jù)不同的場(chǎng)景選用合適的技術(shù)是當(dāng)前階段的最優(yōu)選擇。此外，在超高速系統(tǒng)中，還可以采用以下偏振復(fù)用、光正交頻分復(fù)用(OFDM)技術(shù)來(lái)提高光信號(hào)的頻譜效率，提升線路的傳輸容量。

　　相干接收技術(shù)

　　在光信號(hào)的接收方面，采用新型接收技術(shù)也能夠克服線路損傷的影響。在超高速系統(tǒng)中，人們已經(jīng)開始普遍認(rèn)識(shí)到相干檢測(cè)的重要性，相干檢測(cè)是解決傳輸損傷的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。

　　相干檢測(cè)技術(shù)基本的原理為，接收端將收到的光信號(hào)與一本振光信號(hào)進(jìn)行相干耦合后，采用平衡接收機(jī)進(jìn)行探測(cè)。相干接收機(jī)在對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行相位檢測(cè)，將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)后，直接經(jīng)過數(shù)字信號(hào)處理，采用DSP(數(shù)字信號(hào)處理器)對(duì)信號(hào)的電子偏振解復(fù)用，并結(jié)合使用電子色散補(bǔ)償來(lái)抑制偏振模式色散的影響。在超高速相干光接收機(jī)中，最主要核心器件是高速ADC(模數(shù)轉(zhuǎn)換)器件和高速DSP(數(shù)字信號(hào)處理器)芯片，采用算法實(shí)現(xiàn)電域均衡和色散補(bǔ)償。

　　相干光檢測(cè)技術(shù)，除了檢測(cè)光信號(hào)的幅度，還能檢測(cè)光信號(hào)的相位和偏振態(tài)。相干探測(cè)相比直接探測(cè)復(fù)雜得多，但該方法卻特別適合具有偏振復(fù)用的DQPSK解調(diào)應(yīng)用，因?yàn)榭梢杂行Ю孟喔商綔y(cè)高光學(xué)增益以及能夠?qū)ο辔惶綔y(cè)的特性，對(duì)該調(diào)制格式做高靈敏的探測(cè)解調(diào)。因此偏振復(fù)用+DQPSK+相干檢測(cè)是40G、100G及以上速率超高速系統(tǒng)最佳組合方案。目前很多廠商已經(jīng)推出或正在推出40G、100GQPSK相干檢測(cè)光收發(fā)模塊。

　　光子集成(PIC)技術(shù)

　　如前文所述，在40G/100G及以上速率的超高速系統(tǒng)中，必須采用多相位調(diào)制(如DQPSK)、多電平正交幅度調(diào)制(M-QAM)等技術(shù)，提高光信號(hào)傳輸?shù)念l譜效率，降低信號(hào)傳輸?shù)姆?hào)率，降低光信號(hào)傳輸?shù)姆蔷€性、色散、光信噪比等方面的影響，來(lái)實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離傳輸。以上技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，與光子集成技術(shù)是分不開的。

　　光子集成(PIC)技術(shù)是將多個(gè)分立的光器件集成在一塊基片上，從而減小體積和復(fù)雜度。對(duì)低成本、低功耗和小尺寸的需求是推動(dòng)光子集成技術(shù)發(fā)展的重要因素。傳統(tǒng)的光通信器件和子系統(tǒng)是由分離的器件組成：?jiǎn)为?dú)的激光器、調(diào)制器和控制單元，或是獨(dú)立的濾波器和波導(dǎo)，這些器件都是分別生產(chǎn)的，然后通過某種方式組裝起來(lái)，需要大量人工操作，成本高且體積大。

　　PIC正越來(lái)越多地被運(yùn)用在光器件的設(shè)計(jì)制作上，光器件以PIC的封裝方式已成為現(xiàn)實(shí)并開始得到應(yīng)用。

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

　　超高速光通信有很多關(guān)鍵技術(shù)，除前述介紹的新技術(shù)外，還有電子色散補(bǔ)償技術(shù)、超級(jí)FEC技術(shù)等。這些新技術(shù)的出現(xiàn)，為超高速光通信又打開了另外一扇門。在400G和1T光傳輸中，可以結(jié)合多電平調(diào)制、偏振復(fù)用、OFDM和相干接收這幾方面的技術(shù)，實(shí)現(xiàn)更遠(yuǎn)的傳輸距離。同時(shí)這幾方面技術(shù)的應(yīng)用，還必須依賴于光子集成技術(shù)的發(fā)展，只有做到更大的集成度、更小的體積，更低的成本，才能實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用。

　　烽火通信作為國(guó)家光通信的主力軍，在超高速光傳輸方面進(jìn)行了深入研究，取得了重大進(jìn)展和突破，成功實(shí)現(xiàn)了1T相干光正交頻分復(fù)用(CO-OFDM)1040km的普通單模光纖無(wú)誤碼傳輸。該成果技術(shù)從現(xiàn)有的電子和光電器件水平出發(fā)，提出多波長(zhǎng)同源低相位噪聲光子載波信號(hào)產(chǎn)生的模型，利用頻率循環(huán)搬移的多頻帶復(fù)用方式實(shí)現(xiàn)了1-T的超高速傳輸速率。該成果還采用了基于正交頻分復(fù)用的調(diào)制方式和數(shù)字相干接收技術(shù)，通過16QAM的高階調(diào)制和高冗余度的低密度奇偶校驗(yàn)(LDPC)碼相結(jié)合的方法。相比已報(bào)道近期國(guó)際上的最高記錄單波1-T600公里系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，該“信息高鐵”的速度和距離為目前世界上已見報(bào)道同類系統(tǒng)中為最高記錄。