100G 超高速通信的起点

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无线3G、高清视频、高速宽带上网和云计算等业务需求推动了网络IP流量的快速增长,人们对通信带宽的需求不断增长,提高传输速率是提高传输带宽的一项重要技术。目前通信网大规模应用的最高单通道商用传输速率是40G,100G光传输也即将投入商用,400G和1T超高速光传输也正在如火如荼的进行中,国际上不断有新的传输记录产生,目前的传输试验已经达到了单光源32T光传输的传输记录。

  40GE/100GE以太网技术

  40GE/100GE以太网是当前最大带宽、最高速率的以太网接口,2010年6月国际标准组织IEEE正式发布了40GE/100GE以太网标准IEEE802.3ba。标准中已经明确了40G/100G以太网仍然使用802.3MAC标准的以太网帧格式,保留了802.3标准的最小和最大帧长度,只支持全双工工作。

  由于40GE/100GE速率高,40GE/100GE的PMA(物理媒质附属)子层和PMD(物理媒质依赖)子层与10GE相比有较大变化,40GE/100GE的MAC与PHY的接口由原来的XGMII接口演变成XLGMI接口(40GE)和CGMII(100GE),XLGMII/CGMII接口容量由10G提高到40G和100G,数据通道位宽由32bit增加到64bit,同时PHY(物理层)的层次结构上多了FEC(前向纠错)功能子层。

  40GE/100GE的PMA层采用并行多通道处理方式,采用MLD(多通道分配)的架构,如图所示。

  新型调制技术

  高速率光传输受到了光纤色度色散、偏振模色散(PMD)以及非线性效应的影响,传输距离受到严重限制。理论上,色散容限随着传输速率的平方而减少,40G系统色散容限只有10G系统的1/16,100G系统色散容限只有10G系统的1/100。因此,为了实现40G/100G超高速光传输,必须降低系统对光信噪比(OSNR)以及色散容限的要求,克服非线性效应的影响。

  目前有多种手段可用,如超强FEC技术、RAMAN放大技术、色散管理技术、新型调制编码技术等,其中采用新型调制码型是100G及以上速率超高速光传输最关键的技术手段。


调制编码技术有很多种,有基于强度调制的NRZ、DRZ、ODB和PSBT,基于相位调制的DPSK和DQPSK,以及结合偏振复用的调制技术DP-QPSK等。上表是各种编码技术的主要性能比较。

  分析可见,没有一种技术能做到各方面都好,每种技术都有自己最合适的应用场景。根据不同的场景选用合适的技术是当前阶段的最优选择。此外,在超高速系统中,还可以采用以下偏振复用、光正交频分复用(OFDM)技术来提高光信号的频谱效率,提升线路的传输容量。

  相干接收技术

  在光信号的接收方面,采用新型接收技术也能够克服线路损伤的影响。在超高速系统中,人们已经开始普遍认识到相干检测的重要性,相干检测是解决传输损伤的一项关键技术。

  相干检测技术基本的原理为,接收端将收到的光信号与一本振光信号进行相干耦合后,采用平衡接收机进行探测。相干接收机在对接收信号进行相位检测,将光信号转换为电信号后,直接经过数字信号处理,采用DSP(数字信号处理器)对信号的电子偏振解复用,并结合使用电子色散补偿来抑制偏振模式色散的影响。在超高速相干光接收机中,最主要核心器件是高速ADC(模数转换)器件和高速DSP(数字信号处理器)芯片,采用算法实现电域均衡和色散补偿。

  相干光检测技术,除了检测光信号的幅度,还能检测光信号的相位和偏振态。相干探测相比直接探测复杂得多,但该方法却特别适合具有偏振复用的DQPSK解调应用,因为可以有效利用相干探测高光学增益以及能够对相位探测的特性,对该调制格式做高灵敏的探测解调。因此偏振复用+DQPSK+相干检测是40G、100G及以上速率超高速系统最佳组合方案。目前很多厂商已经推出或正在推出40G、100GQPSK相干检测光收发模块。

  光子集成(PIC)技术

  如前文所述,在40G/100G及以上速率的超高速系统中,必须采用多相位调制(如DQPSK)、多电平正交幅度调制(M-QAM)等技术,提高光信号传输的频谱效率,降低信号传输的符号率,降低光信号传输的非线性、色散、光信噪比等方面的影响,来实现长距离传输。以上技术的发展和应用,与光子集成技术是分不开的。

  光子集成(PIC)技术是将多个分立的光器件集成在一块基片上,从而减小体积和复杂度。对低成本、低功耗和小尺寸的需求是推动光子集成技术发展的重要因素。传统的光通信器件和子系统是由分离的器件组成:单独的激光器、调制器和控制单元,或是独立的滤波器和波导,这些器件都是分别生产的,然后通过某种方式组装起来,需要大量人工操作,成本高且体积大。

  PIC正越来越多地被运用在光器件的设计制作上,光器件以PIC的封装方式已成为现实并开始得到应用。

  不同器件的集成,不同功能的集成将是光器件技术的发展主流。PIC是光器件必然的演进方向,光器件发展将更加集成化。

  超高速光通信有很多关键技术,除前述介绍的新技术外,还有电子色散补偿技术、超级FEC技术等。这些新技术的出现,为超高速光通信又打开了另外一扇门。在400G和1T光传输中,可以结合多电平调制、偏振复用、OFDM和相干接收这几方面的技术,实现更远的传输距离。同时这几方面技术的应用,还必须依赖于光子集成技术的发展,只有做到更大的集成度、更小的体积,更低的成本,才能实现商业化应用。

  烽火通信作为国家光通信的主力军,在超高速光传输方面进行了深入研究,取得了重大进展和突破,成功实现了1T相干光正交频分复用(CO-OFDM)1040km的普通单模光纤无误码传输。该成果技术从现有的电子和光电器件水平出发,提出多波长同源低相位噪声光子载波信号产生的模型,利用频率循环搬移的多频带复用方式实现了1-T的超高速传输速率。该成果还采用了基于正交频分复用的调制方式和数字相干接收技术,通过16QAM的高阶调制和高冗余度的低密度奇偶校验(LDPC)码相结合的方法。相比已报道近期国际上的最高记录单波1-T600公里系统实验,该“信息高铁”的速度和距离为目前世界上已见报道同类系统中为最高记录。

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