100G的三大關(guān)鍵要素

| 朱健

PDM-QPSK調(diào)制和相干檢測技術(shù)的100G傳輸系統(tǒng)，可以支持1500km的傳輸距離，同時(shí)在同一平臺(tái)上，100G和40G、10G信號(hào)可以鄰道部署，同時(shí)傳送，無需設(shè)置保護(hù)波帶。

為應(yīng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)帶寬增長要求，有效降低每比特每公里的承載成本和功耗，超高速率WDM傳輸技術(shù)成為業(yè)界的關(guān)注重點(diǎn)。從1995年DWDM系統(tǒng)首次商用以來，短短15年時(shí)間內(nèi)，單個(gè)WDM系統(tǒng)的容量就從20G迅速地發(fā)展到3.2T，平均每年增長40%。然而面對(duì)年50%以上的業(yè)務(wù)量增速，研制和商業(yè)化更高速率的傳輸技術(shù)已不可避免。今天技術(shù)創(chuàng)新已使80波100G WDM系統(tǒng)的商業(yè)應(yīng)用成為現(xiàn)實(shí), 意味著單一系統(tǒng)可在0.1秒內(nèi)傳輸2個(gè)小時(shí)無任何壓縮的1080P高清視頻，即每秒可傳送20部家用高清網(wǎng)絡(luò)電影。

怎樣才能將今天的40Gbit/s傳輸速率, 0.8bit/s/Hz的頻譜效率提高到人們所希望的100Gbit/s傳輸速率和2bit/s/Hz的頻譜效率，并且克服光纖對(duì)于長距離傳輸100G高速信號(hào)帶來的挑戰(zhàn)呢？選擇合適的信號(hào)調(diào)制方式和高性能的接收技術(shù)是關(guān)鍵。

100G調(diào)制首選PDM-QPSK

要將100G的信息流通過50GHz間隔的信道傳輸，必須將頻譜利用率從40G傳輸?shù)?.8bit/Hz提高到2bit/Hz。要實(shí)現(xiàn)這個(gè)跨越，選擇合適的調(diào)制格式是關(guān)鍵。

簡單地沿用10G和40G的幅度調(diào)制和兩相位(BPSK)和四相位(QPSK)調(diào)制格式，在100G速率下已無法實(shí)現(xiàn)在50GHz信道中的有效傳送。因?yàn)榧幢闶褂肣PSK其波特率也在50G，有效帶寬將超出50GHz，將它放在50GHz信道內(nèi)，信號(hào)功率將損耗太大。必須考慮更高效率的調(diào)制方式。

為了維持合適的傳輸波特率，100G傳輸每信元符號(hào)需要攜帶更多的比特信息(如4比特/符號(hào))，如圖1所示可以通過二條途徑實(shí)現(xiàn)。

其一，采用多相位調(diào)制和相位結(jié)合幅度調(diào)制的格式, 如8PSK和16QAM，但隨著這種調(diào)制復(fù)雜度的增加，信元之間的最小歐氏距離減小，能容忍的相位和幅度噪聲也隨之減小，造成抗非線性容忍性變差，因此無法滿足長距離的傳輸需要，而且系統(tǒng)設(shè)計(jì)和制作相對(duì)復(fù)雜。

其二，利用光的正交偏振模的物理特性，采用偏振模復(fù)用的辦法，將信息流分別調(diào)制在同一頻率兩個(gè)互相獨(dú)立的偏振態(tài)上，實(shí)現(xiàn)將波特率減半。

基于以上的考慮，阿爾卡特朗訊最先選擇了PDM-QPSK作為100G的調(diào)制格式，既采用相對(duì)成熟的QPSK技術(shù)，又通過偏振復(fù)用將波特率減半至25~28G，實(shí)現(xiàn)2bit/Hz的幾無損傷的傳輸。PDMQPSK作為100G傳輸?shù)膬?yōu)選調(diào)制格式，得到了業(yè)界的廣泛認(rèn)可，目前已被OIF列為標(biāo)準(zhǔn)。

相干光接收技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

常用的光接收機(jī)采用差分接收方式，將前后碼元的相位差轉(zhuǎn)化為幅度信號(hào)，通過光電轉(zhuǎn)換再將對(duì)應(yīng)光功率轉(zhuǎn)為幅度調(diào)制的電信號(hào)。在這個(gè)解調(diào)過程無法對(duì)經(jīng)過長距離傳輸而引入的色度色散和偏振色散進(jìn)行補(bǔ)償，補(bǔ)償必須于解調(diào)前在光域內(nèi)完成。

采用光學(xué)色散補(bǔ)償DCM通常必須分段實(shí)施，為了對(duì)每個(gè)波長做到精確補(bǔ)償，還需要使用可調(diào)諧的DCM，設(shè)計(jì)復(fù)雜、實(shí)施困難；光學(xué)偏振色散補(bǔ)償必須針對(duì)每一個(gè)信道波長實(shí)施，代價(jià)大。這些都會(huì)造成對(duì)光域上大范圍實(shí)施靈活路由、保護(hù)和恢復(fù)帶來極大的不便，從而阻礙大容量睿智彈性光網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)。掃除這一障礙的一個(gè)可行的辦法是引入相干光接收，配以高速的采樣、模數(shù)轉(zhuǎn)換和數(shù)字信號(hào)處理。

與普通差分光接收不同，相干檢測(圖2)使用一個(gè)高穩(wěn)定度的本地振蕩激光器經(jīng)過偏振分束與偏振分束后經(jīng)過傳輸?shù)妮斎牍庑盘?hào)光進(jìn)行混頻，90度混頻器輸出一個(gè)偏振態(tài)的兩路信號(hào)（I、Q），分別對(duì)應(yīng)該偏振態(tài)光場的實(shí)部和虛部，經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換后，再由ADC采樣獲得對(duì)應(yīng)的數(shù)字電信號(hào)。兩個(gè)偏振態(tài)共四路信號(hào)。這四路電信號(hào)完整地保留了光信號(hào)的偏振態(tài)、幅度和相位信息，而不像普通的檢測那樣只保留光功率信息，因此為在電域補(bǔ)償光域所引入的色度和偏振色散創(chuàng)造了條件。

高速數(shù)字信號(hào)處理的作用

經(jīng)過相干檢測后得到的四路電信號(hào)完整重構(gòu)了兩個(gè)偏振態(tài)上光信號(hào)電磁場的實(shí)部和虛部，或者說光場的幅度和相位，使得在電域上采用先進(jìn)的高速數(shù)字信號(hào)處理對(duì)光信號(hào)在傳輸過程中引入的損傷進(jìn)行補(bǔ)償成為了可能。

由于光頻的微小差別造成在光纖中傳輸速率不同而引發(fā)的色度色散，其頻譜函數(shù)是確定可知的?，F(xiàn)在可以通過設(shè)計(jì)一個(gè)與色度色散頻譜函數(shù)相反的數(shù)字有限脈沖響應(yīng)(FIR)濾波器，讓在光纖中傳播速度快的頻譜在通過FIR數(shù)字濾波器時(shí)相應(yīng)地多一點(diǎn)延遲；而讓傳播速度慢的頻譜相應(yīng)地少一點(diǎn)延遲。這樣通過FIR數(shù)字濾波器后，所有信號(hào)的頻譜在進(jìn)行最終判決前在時(shí)間上又重新拉平，也就是說色度色散得到了有效的補(bǔ)償。

采用PDM-QPSK相干檢測的100G傳輸系統(tǒng)可以大幅度消除光纖帶來的傳輸損傷，其PMD的容忍度可高達(dá)30ps，色度色散的容忍度可達(dá)幾萬ps/nm。實(shí)驗(yàn)研究表明，PDM-QPSK調(diào)制和相干檢測技術(shù)的100G傳輸系統(tǒng)，可以支持1500km的傳輸距離，同時(shí)在同一平臺(tái)上，100G和40G、10G信號(hào)可以鄰道部署，同時(shí)傳送，無需設(shè)置保護(hù)波帶，大大提高網(wǎng)絡(luò)頻譜的使用效率和配置靈活度，為構(gòu)建未來的彈性光網(wǎng)絡(luò)奠定了基礎(chǔ)。

憑借深厚的技術(shù)積累和持續(xù)的研發(fā)投入，阿爾卡特朗訊在100G的產(chǎn)品商用化方面走在了業(yè)界的前列。2010年6月阿爾卡特朗訊發(fā)布了其在100G光網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域持續(xù)創(chuàng)新的最新成果，公司創(chuàng)新性地采用新興下一代相干技術(shù)，推出了第一個(gè)可在單波長上承載單載波100G傳輸?shù)纳逃媒鉀Q方案。隨著這一商用解決方案的推出，阿爾卡特朗訊正引領(lǐng)市場走進(jìn)100G下一代相干技術(shù)商用部署的時(shí)代。