100G 超高速通信的起點

無線3G、高清視頻、高速寬帶上網(wǎng)和云計算等業(yè)務需求推動了網(wǎng)絡IP流量的快速增長，人們對通信帶寬的需求不斷增長，提高傳輸速率是提高傳輸帶寬的一項重要技術。目前通信網(wǎng)大規(guī)模應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行中，國際上不斷有新的傳輸記錄產(chǎn)生，目前的傳輸試驗已經(jīng)達到了單光源32T光傳輸的傳輸記錄。

　　40GE/100GE以太網(wǎng)技術

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

　　由于40GE/100GE速率高，40GE/100GE的PMA(物理媒質附屬)子層和PMD(物理媒質依賴)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PHY(物理層)的層次結構上多了FEC(前向糾錯)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，如圖所示。

　　新型調制技術

　　高速率光傳輸受到了光纖色度色散、偏振模色散(PMD)以及非線性效應的影響，傳輸距離受到嚴重限制。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，為了實現(xiàn)40G/100G超高速光傳輸，必須降低系統(tǒng)對光信噪比(OSNR)以及色散容限的要求，克服非線性效應的影響。

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

調制編碼技術有很多種，有基于強度調制的NRZ、DRZ、ODB和PSBT，基于相位調制的DPSK和DQPSK，以及結合偏振復用的調制技術DP-QPSK等。上表是各種編碼技術的主要性能比較。

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

　　相干接收技術

　　在光信號的接收方面，采用新型接收技術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)開始普遍認識到相干檢測的重要性，相干檢測是解決傳輸損傷的一項關鍵技術。

　　相干檢測技術基本的原理為，接收端將收到的光信號與一本振光信號進行相干耦合后，采用平衡接收機進行探測。相干接收機在對接收信號進行相位檢測，將光信號轉換為電信號后，直接經(jīng)過數(shù)字信號處理，采用DSP(數(shù)字信號處理器)對信號的電子偏振解復用，并結合使用電子色散補償來抑制偏振模式色散的影響。在超高速相干光接收機中，最主要核心器件是高速ADC(模數(shù)轉換)器件和高速DSP(數(shù)字信號處理器)芯片，采用算法實現(xiàn)電域均衡和色散補償。

　　相干光檢測技術，除了檢測光信號的幅度，還能檢測光信號的相位和偏振態(tài)。相干探測相比直接探測復雜得多，但該方法卻特別適合具有偏振復用的DQPSK解調應用，因為可以有效利用相干探測高光學增益以及能夠對相位探測的特性，對該調制格式做高靈敏的探測解調。因此偏振復用+DQPSK+相干檢測是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相干檢測光收發(fā)模塊。

　　光子集成(PIC)技術

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

　　光子集成(PIC)技術是將多個分立的光器件集成在一塊基片上，從而減小體積和復雜度。對低成本、低功耗和小尺寸的需求是推動光子集成技術發(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：單獨的激光器、調制器和控制單元，或是獨立的濾波器和波導，這些器件都是分別生產(chǎn)的，然后通過某種方式組裝起來，需要大量人工操作，成本高且體積大。

　　PIC正越來越多地被運用在光器件的設計制作上，光器件以PIC的封裝方式已成為現(xiàn)實并開始得到應用。

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

　　超高速光通信有很多關鍵技術，除前述介紹的新技術外，還有電子色散補償技術、超級FEC技術等。這些新技術的出現(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，可以結合多電平調制、偏振復用、OFDM和相干接收這幾方面的技術，實現(xiàn)更遠的傳輸距離。同時這幾方面技術的應用，還必須依賴于光子集成技術的發(fā)展，只有做到更大的集成度、更小的體積，更低的成本，才能實現(xiàn)商業(yè)化應用。

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