0  引言

　　隨著40Gb/s密集波分光傳輸系統在運營商核心光網絡的廣泛應用，相應的100Gb/s產品在未來兩年內將有可能來臨，基于標準化的密集波分光通信模塊也贏得了光通信業界的高度興趣和市場的廣泛接受。因此發展100G技術在所難免，本文主要研究了100G線路端模塊的傳輸技術，應用DP-QPSK（雙極化四相相移鍵控）調制和相干接收技術。100G客戶端模塊為CFP（外形封裝可插拔）模塊，是一種可以支持熱插拔的模塊。

1  100G系統面臨著的問題

　　100G系統與10G系統和40G系統相比，100G系統面臨著以下一些問題需要對其解決：

　　信道間隔：50GHz間隔DWDM系統已成為主流，100G必須要支持50GHz波長間隔，因此系統必須采用高頻譜效率的碼型，可以采用DP-QPSK，8QAM（正交幅度調制），16QAM，64QAM等調制方式。

　　CD容限：相同條件下， 100G系統色散容限為10G系統的1/100，100G系統色散容限為40G系統的16/100，必須要采用色散補償技術，對每波長的色散補償，可以在電域上或者光域上補償來實現。

　　PMD容限：相同條件下，100G系統的PMD容限為10G系統的1/10，100G系統的PMD容限為40G系統的4/10，可以采用相干接收加上數字信號處理[4]。

　　OSNR（光信噪比）：相同碼型下，100G要求比10G增加高10dB，100G要求比40G增加高4dB，需要采用低OSNR容限的碼型，高編碼增益的FEC算法。

　　非線性效應：100G比10G/40G的非線性效應更為復雜。

2  100G線路端模塊技術

　　100Gbit/s DP-QPSK(Dual Polarization Quadrature Phase Shift Keying)――雙極化四相相移鍵控光傳輸技術，解決100Gbit/s DP-QPSK傳輸技術的調制方案是采用25G baud QPSK編碼方式。該解決方案是在每一波長采用兩個QPSK信號來傳遞100Gbit/s業務，這兩個QPSK信號分別調制光載波兩個正交極化（偏振）中的一個。由于QPSK和正交極化復用分別將頻譜利用率提高一倍，與Duobinary或DPSK等調制方式相比，DP-QPSK只需1/4頻譜帶寬。

　　100G DP-QPSK發射機原理[1]圖如圖1所示，發射機由兩個平行的50G QPSK調制器組成，實現把兩個50G信號分別調制到兩個偏振正交的光載波上，然后再通過偏振復用器把X軸和Y軸光信號按正交極化（偏振）復用合并在一起通過光纖發送出去。

　　這樣每個正交偏振光載波上的信號實際為25G baud QPSK信號，因此100G DP-QPSK信號帶寬只有25G，可以利用25G光電子器件，理論上具有25G的性能。采用相干接收和后繼的DSP處理，可以自動補償色散和PMD。

　　由于相干檢測結合DP-QPSK的調制格式可以比傳統的直接檢測獲得更好的高光譜效率[2,3]，相干接收在理論上可以比差分接收提高3dB的OSNR靈敏度(改善幅度大約1.5～2dB)，DP-QPSK調制加上相干接收已經成為業界公認的100G DWDM長途傳輸系統的主流技術方案[4]。

　　相干接收的DP-QPSK傳輸系統是通過電域完成偏振分離、相位補償和均衡等工作，實現一體化處理[5]。

　　100G DP-QPSK 相干接收技術是在電域上實現的，其核心功能部件是一個高速模數轉換電路(ADC)和一個高速數字信號處理(DSP)電路。光信號通過光電轉換單元變成模擬電信號，模擬電信號通過ADC轉換為數字電信號，數字電信號通過DSP芯片數字均衡[6]的方式完成相干接收并可消除相位畸變，從而實現對色散、PMD和部分非線性效應的補償。
 

　　圖1  DP-QPSK發射端框圖

　　100G DP-QPSK的相干檢測[7]如圖2所示。該解決方案所使用的接收器是相干接收器，接受信號通過一個PBS (Polarization Beam Splitter) ――極化束分離器分解成兩個正交信號，每個正交信號都與一個本地光源LO混頻，該本地光源的載波頻率控制精度為數百KHz[8]。

　　混頻后得到4個極化和相位正交的光信號，分別用PIN檢測，經電放大和濾波后由 A/D電路轉化為4路數字電信號。一個相干接收器能夠保持成功解碼QPSK信號所需的信號特性。在完成高速、高分辨率的模數轉化后，接收器使用基于CMOS的數字信號處理芯片(DSP)來區分和跟蹤這些信號。數字電信號通過DSP芯片數字均衡的方式實現：定時恢復、信號恢復、極化和PMD跟蹤，以及色散補償[9]。其間實現的3dB帶寬大約為6GHz，從而消除了帶外噪聲。

 
　　圖2 相干接收功能框圖

　　ADC的功能是通用的，主要技術難點是采樣速率，如果要完整保留相位信息，ADC的采樣速率至少達到信號波特率的兩倍[10](Double Sampling)。采用20%編碼冗余的FEC算法，則100G DWDM系統的實際信號速率將超過120G，波特率大約為30G，則雙倍采樣的ADC采樣速率需達到60G左右；即使采用標準7%編碼冗余的FEC算法，雙倍采樣ADC的采樣速率也需達到54G以上。

3  100G CFP客戶端模塊

　　帶寬需求的主要因素包含：不斷增加的業務都是基于IP的，幾乎所有的IP分組從源發送到宿的全過程都是封裝在以太網幀中；時分復用在以太網中透傳(TDM over Ethernet)的技術已經成熟，傳統語音的兼容已經不是問題；以太網封裝比同步光網絡/同步數字體系(SONET/SDH)封裝更簡單而且成本更低。這些決定以太網接口速率升級到100 Gbit/s的需求是客觀和迫切的，在100Gbit/s以太網上可以實現“網絡通信加速、應用效能提升”的網絡通信境界，能夠快速存取儲存于數據中心的種種應用，執行頻寬管理、快取、壓縮、路徑最佳化及協議加速等功能。

　　IEEE802.3ba標準工作組已經完成了40Gb和100Gb以太網的標準化工作。在銅纜介質上傳輸7米，在單模光纖介質傳輸高達40公里，建議所有的接口都采用了并行比特流。圖3為100G CFP 模塊功能框圖。通信和計算機系統的主機接收端采用光模塊將電信號轉換為光信號，然后，將其驅動至光纖信道。

　　同樣的，主機發送端采用光模塊將光信號轉換為電信號，然后，將其驅動至銅纜電信道。將10×10GE或者4×25GE接口的100GE業務經ODU2/ODU3適配到OTU2/OTU3，在10G/40G光網絡中通過多個波長進行傳輸。

　　可以不需對現存的10G/40G DWDM光網絡進行重新設計與改動，傳輸碼型仍然為光雙二進制編碼(ODB)/差分歸零碼(DRZ)/歸零碼－差分正交相移鍵控(RZ-DQPSK)。這種模式可以采用10G/40G現有的成熟光電器件，并且整個系統的性能指標和10G/40G系統一致。這一方案可實現網絡平滑升級，滿足運營商的成本期望。

 
　　圖3 100G CFP 模塊功能框圖

4  結束語

　　100G DP-QPSK具有很高的譜效率以及很大的色散和PMD容限，支持50GHz通道間隔，可以更好地提高線路利用率，最大限度地為現有的密集波分復用系統提高光譜效率。100G DP-QPSK可以涵蓋運營商在絕大多數的城域、區域、長途和超長途網絡中的傳輸需求與應用。

       本文作者：胡 毅1,2, 楊家龍1,2, 鄒 暉1,2（1. 光纖通信技術和網絡國家重點實驗室，湖北 武漢 430074 ；2. 武漢電信器件有限公司，湖北 武漢 430074）

作者簡介：

　　胡毅，男，1973年11月生，高級工程師，中國通信學會會員，國家“863”項目負責人,現任武漢電信器件有限公司模塊開發部經理，主導40G/100G光收發模塊產品開發。成功主導開發的項目有：國家“863”項目《10Gb/s光電收發模塊》，屬于國內首創，具有國際先進水平，形成系列化產品和大批量商用，同時獲得湖北省科技進步二等獎、中國通信學會二等獎以及2007年全國“五一”勞動獎章等。國家“十五”攻關重點項目《40Gb/s 光發射/接收模塊》項目，具有國際先進水平;產品實用化項目獲得武漢市創新人才開發資金重大創新專項（團隊）專項資助。曾獲得國家實用新型專利四項，參與制訂國家通信行業標準兩項。

參考文獻：

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[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.