100G光模块的技术与应用

0  引言

　　随着40Gb/s密集波分光传输系统在运营商核心光网络的广泛应用，相应的100Gb/s产品在未来两年内将有可能来临，基于标准化的密集波分光通信模块也赢得了光通信业界的高度兴趣和市场的广泛接受。因此发展100G技术在所难免，本文主要研究了100G线路端模块的传输技术，应用DP-QPSK（双极化四相相移键控）调制和相干接收技术。100G客户端模块为CFP（外形封装可插拔）模块，是一种可以支持热插拔的模块。

1  100G系统面临着的问题

　　100G系统与10G系统和40G系统相比，100G系统面临着以下一些问题需要对其解决：

　　信道间隔：50GHz间隔DWDM系统已成为主流，100G必须要支持50GHz波长间隔，因此系统必须采用高频谱效率的码型，可以采用DP-QPSK，8QAM（正交幅度调制），16QAM，64QAM等调制方式。

　　CD容限：相同条件下， 100G系统色散容限为10G系统的1/100，100G系统色散容限为40G系统的16/100，必须要采用色散补偿技术，对每波长的色散补偿，可以在电域上或者光域上补偿来实现。

　　PMD容限：相同条件下，100G系统的PMD容限为10G系统的1/10，100G系统的PMD容限为40G系统的4/10，可以采用相干接收加上数字信号处理[4]。

　　OSNR（光信噪比）：相同码型下，100G要求比10G增加高10dB，100G要求比40G增加高4dB，需要采用低OSNR容限的码型，高编码增益的FEC算法。

　　非线性效应：100G比10G/40G的非线性效应更为复杂。

2  100G线路端模块技术

　　100Gbit/s DP-QPSK(Dual Polarization Quadrature Phase Shift Keying)――双极化四相相移键控光传输技术，解决100Gbit/s DP-QPSK传输技术的调制方案是采用25G baud QPSK编码方式。该解决方案是在每一波长采用两个QPSK信号来传递100Gbit/s业务，这两个QPSK信号分别调制光载波两个正交极化（偏振）中的一个。由于QPSK和正交极化复用分别将频谱利用率提高一倍，与Duobinary或DPSK等调制方式相比，DP-QPSK只需1/4频谱带宽。

　　100G DP-QPSK发射机原理[1]图如图1所示，发射机由两个平行的50G QPSK调制器组成，实现把两个50G信号分别调制到两个偏振正交的光载波上，然后再通过偏振复用器把X轴和Y轴光信号按正交极化（偏振）复用合并在一起通过光纤发送出去。

　　这样每个正交偏振光载波上的信号实际为25G baud QPSK信号，因此100G DP-QPSK信号带宽只有25G，可以利用25G光电子器件，理论上具有25G的性能。采用相干接收和后继的DSP处理，可以自动补偿色散和PMD。

由于相干检测结合DP-QPSK的调制格式可以比传统的直接检测获得更好的高光谱效率[2,3]，相干接收在理论上可以比差分接收提高3dB的OSNR灵敏度(改善幅度大约1.5～2dB)，DP-QPSK调制加上相干接收已经成为业界公认的100G DWDM长途传输系统的主流技术方案[4]。

　　相干接收的DP-QPSK传输系统是通过电域完成偏振分离、相位补偿和均衡等工作，实现一体化处理[5]。

　　100G DP-QPSK 相干接收技术是在电域上实现的，其核心功能部件是一个高速模数转换电路(ADC)和一个高速数字信号处理(DSP)电路。光信号通过光电转换单元变成模拟电信号，模拟电信号通过ADC转换为数字电信号，数字电信号通过DSP芯片数字均衡[6]的方式完成相干接收并可消除相位畸变，从而实现对色散、PMD和部分非线性效应的补偿。
 

图1  DP-QPSK发射端框图

　　100G DP-QPSK的相干检测[7]如图2所示。该解决方案所使用的接收器是相干接收器，接受信号通过一个PBS (Polarization Beam Splitter) ――极化束分离器分解成两个正交信号，每个正交信号都与一个本地光源LO混频，该本地光源的载波频率控制精度为数百KHz[8]。

　　混频后得到4个极化和相位正交的光信号，分别用PIN检测，经电放大和滤波后由 A/D电路转化为4路数字电信号。一个相干接收器能够保持成功解码QPSK信号所需的信号特性。在完成高速、高分辨率的模数转化后，接收器使用基于CMOS的数字信号处理芯片(DSP)来区分和跟踪这些信号。数字电信号通过DSP芯片数字均衡的方式实现：定时恢复、信号恢复、极化和PMD跟踪，以及色散补偿[9]。其间实现的3dB带宽大约为6GHz，从而消除了带外噪声。

　图2 相干接收功能框图

　　ADC的功能是通用的，主要技术难点是采样速率，如果要完整保留相位信息，ADC的采样速率至少达到信号波特率的两倍[10](Double Sampling)。采用20%编码冗余的FEC算法，则100G DWDM系统的实际信号速率将超过120G，波特率大约为30G，则双倍采样的ADC采样速率需达到60G左右；即使采用标准7%编码冗余的FEC算法，双倍采样ADC的采样速率也需达到54G以上。

3  100G CFP客户端模块

　　带宽需求的主要因素包含：不断增加的业务都是基于IP的，几乎所有的IP分组从源发送到宿的全过程都是封装在以太网帧中；时分复用在以太网中透传(TDM over Ethernet)的技术已经成熟，传统语音的兼容已经不是问题；以太网封装比同步光网络/同步数字体系(SONET/SDH)封装更简单而且成本更低。这些决定以太网接口速率升级到100 Gbit/s的需求是客观和迫切的，在100Gbit/s以太网上可以实现“网络通信加速、应用效能提升”的网络通信境界，能够快速存取储存于数据中心的种种应用，执行频宽管理、快取、压缩、路径最佳化及协议加速等功能。

　　IEEE802.3ba标准工作组已经完成了40Gb和100Gb以太网的标准化工作。在铜缆介质上传输7米，在单模&&&%&&%&&&%&&%&1介质传输高达40公里，建议所有的接口都采用了并行比特流。图3为100G CFP 模块功能框图。通信和计算机系统的主机接收端采用&&&%&&%&&&%&&%&3将电信号转换为光信号，然后，将其驱动至光纤信道。

　　同样的，主机发送端采用光模块将光信号转换为电信号，然后，将其驱动至铜缆电信道。将10×10GE或者4×25GE接口的100GE业务经ODU2/ODU3适配到OTU2/OTU3，在10G/40G光网络中通过多个波长进行传输。

　　可以不需对现存的10G/40G DWDM光网络进行重新设计与改动，传输码型仍然为光双二进制编码(ODB)/差分归零码(DRZ)/归零码－差分正交相移键控(RZ-DQPSK)。这种模式可以采用10G/40G现有的成熟光电器件，并且整个系统的性能指标和10G/40G系统一致。这一方案可实现网络平滑升级，满足运营商的成本期望。

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　　图3 100G CFP 模块功能框图

4  结束语

　　100G DP-QPSK具有很高的谱效率以及很大的色散和PMD容限，支持50GHz通道间隔，可以更好地提高线路利用率，最大限度地为现有的密集波分复用系统提高光谱效率。100G DP-QPSK可以涵盖运营商在绝大多数的城域、区域、长途和超长途网络中的传输需求与应用。

作者简介：

　　胡毅，男，1973年11月生，高级工程师，中国通信学会会员，国家“863”项目负责人,现任武汉电信器件有限公司模块开发部经理，主导40G/100G光收发模块产品开发。成功主导开发的项目有：国家“863”项目《10Gb/s光电收发模块》，属于国内首创，具有国际先进水平，形成系列化产品和大批量商用，同时获得湖北省科技进步二等奖、中国通信学会二等奖以及2007年全国“五一”劳动奖章等。国家“十五”攻关重点项目《40Gb/s 光发射/接收模块》项目，具有国际先进水平;产品实用化项目获得武汉市创新人才开发资金重大创新专项（团队）专项资助。曾获得国家实用新型专利四项，参与制订国家通信行业标准两项。

参考文献：

[1] Tsuyoshi Yoshida, Takashi Sugihara, Kazushige Sawada et al., Polar Coordinate Transformation based Dual Binary-Drive QPSK Modulation[C]. OFC 2010, paper OMK4.

[2]E. Ip et al., Coherent detection in optical fiber systems[J]. Opt. Express 16, 753–791 (2008).

[3] Ly-Gagnon D.-S. , Tsukamoto, S. , Katoh, K et al., Coherent detection of optical quadrature phase-shift keying signals with carrier phase estimation [J]. Lightwave Technology. 24, 12–21 (2006).

[4] 100G Ultra Long Haul DWDM Framework Document[S]. OIF, Optical Internetworking Forum.

[5] I. Fatadin, S. J. Savory, D. Ives. Compensation of quadrature imbalance in an optical QPSK coherent receiver[J]. IEEE Photon. Technol. Lett., 2009, 20(20):1733~1735

[6] Xiang Zhou, Jianjun Yu, Dayou Qian et al., High-Spectral-Efficiency 114-Gb/s Transmission Using PolMux-RZ-8PSK Modulation Format and Single-Ended Digital Coherent Detection Technique[J] Lightwave Technology. 27, 146–152 (2009).

[7] Jeffrey Rahn, Gilad Goldfarb, Huan-Shang Tsaiet al., Low-Power, Polarization Tracked 45.6 GB/s per Wavelength PM-DQPSK Receiver in a 10-Channel Integrated Module[C]. OFC 2010, paper OThE2.

[8] Shaoliang Zhang, Lei Xu, Jianjun Yu et al., Experimental Demonstration of Decision-Aided Maximum Likelihood Phase Estimation in 8-Channel 42.8-Gbit/s DWDM Coherent PolMux-QPSK System[C]. OFC 2010, paper OMK1.

[9] Jean-Paul Faure, Bruno Lavigne, Christine Bresson et al., 40G and 100G deployment on 10G Infrastructure: market overview and trends, Coherent versus Conventional technology[C]. OFC 2010, paper OThE3.

[10] Fujitsu Microelectronics Europe GmbH, Maidenhead, Berkshire, United Kingdom, 56Gs/s ADC: Enabling 100GbE [C]. OFC 2010, paper OThT6.