100G 光模块关键技术

若华

1. 100G关键技术

　　和40Gb/s技术类似，除了支持现有通路间隔（如100GHz、50GHz）和尽量提高频谱利用率之外，100Gb/s的关键技术主要体现在调制编码与复用、色度色散容限、偏振模色散容限、OSNR容限、非线性效应容限、FEC等多个方面。

　　（1）调制编码与复用

　　从实现方式上来看，100Gb/s的调制格式和复用方式相对40Gb/s而言类型更为丰富，除了基于偏振复用结合多相位调制的调制方式，如偏振复用－（差分）四相相移键控（PDM-（D）QPSK）之外,还包括更多级相位和幅度调制的调制码型，如8 /16相相移键控（8PSK/16PSK），16/32/64级正交幅度调制(16QAM/32QAM/64QAM)等，以及基于低速子波复用的正交频分复用（OFDM）等。这些编码同时也可以和偏振复用技术结合，组合类型非常丰富。另外，从调制编码的解调来看，目前主要可采用两种方式，直接解调和相干解调，其中相干解调主要采用数字信号处理（DSP）技术来实现，这就显著降低了相干通信中对于激光器特性的要求。

　　综合目前系统性能要求、相应功能的实现复杂性和性价比等多种因素考虑，目前对于100Gb/s传输商用设备，业界一般选择的长距传输码型为采用相干接收的PDM-（D）QPSK。另外，由于模数转换器（DAC）和DSP芯片等处理技术涉及超高速电路处理技术，多个厂商于2011年后半年才普遍实现基于100Gb/s信号的实时相干接收处理（阿尔卡特-朗讯公司研发实时处理芯片产品提前实现了1~2年）。

　　（2）色度色散容限

　　100Gb/s技术的色度色散容限主要依赖于两种途径解决，一是采用多级调制降低波特率，从而等效提高色散容限；二是采用数字（电）域的信号处理进行色散均衡，而40Gb/s技术根据调制码型可以选择多种方式解决（也包含100Gb/s技术采用的方式），典型的如采用传统色散补偿结合可调色散的方式。传统逐段进行色散补偿的方式在100Gb/s基于DSP进行色散均衡的系统中并不需要，而且在线路中逐段引入色散补偿将对于系统性能造成一定的影响，如图 1所示。

　　(a)单通路                                （b）9个通路（50GHz间隔）

　　

　(c)图例

　　图 1  线路色散补偿对于100Gb/s PMD-QPSK系统性能影响

　　（3）偏振模色散容限

　　对于PMD容限，和CD容限提高的解决思路类似，100Gb/s技术主要采用多级调制、或者多级调制结合电域的信号处理进行PMD均衡，如采用PM-（D）QPSK直接检测，差分群时延（DGD）最大值(@1dB OSNR代价)可达到10ps左右，而采用相干检测时可达到75ps左右。对于采用其他调制格式的，如OFDM、16QAM、32QAM等，则支持的差分群时延值更高（由于波特率或子波速率很低）。考虑到实际光纤网络光纤链路的PMD特性（实际应用系统PMD值一般均小于小于75ps），100Gb/s信号采用PM-QPSK和相干接收技术以后，采用线路直接进行PMD补偿的必要性已不复存在。

　　（4）OSNR容限

　　OSNR容限是100Gb/s技术的另外一关键参数。对于相同的调制格式，100Gb/s相对于40Gb/s的OSNR容限要求要提升4dB左右，这对于系统实际研发而言挑战性很大。目前采用不同调制格式的OSNR容限差异较大，但相同的调制格式另外采用相干接收后可显著提升OSNR容限1～2dB以上。几种比较典型的码型OSNR容限与频谱效率之间的关系如图 2所示(包括相干接收的相位?余量比较)。另外，具体容限值由于不同文献可能采用不同的参考定义和具体物理实现，其相对值仅有参考意义。

　　

　　注：1P表示单个偏振态，2P表示偏振复用（双偏振态）。

　　图 2  100Gb/s 调制码型OSNR容限比较

　　（5）非线性效应容限

　　100Gb/s由于采用了多级的相位（幅度）结合偏振复用的调制方式，其非线性效应不但包括主要自相位调制（SPM）和交叉相位调制（XPM）等效应，同时也包括偏振态变化的非线性效应（光纤双折射效应引起）。另外，由于100Gb/s速率相对于40Gb/s而言，在采用相同调制格式时，比特率和波特率均上升2.5倍，其对于非线性效应的容忍特性与40Gb/s有所差异，如图 3所示。另外，对于不同相邻通路的速率的XPM效应，100Gb/s相对于40Gb/s而言非线性容限要高一些，如图 4所示。

　　(a)SPM效应                                     (b)XPM效应

　　图 3  100Gb/s PDM-QPSK系统的非线性效应

　　

　　图 4  100Gb/s与40Gb/s基于不同相邻通路的XPM效应比较

　　（6）FEC

　　FEC技术引入到高速传输系统后可显著增加系统传输距离，但编码增益与增加FEC开销后所带来的代价两者之间需要平衡，同时FEC技术还需要考虑到现有芯片实现技术的可行性和兼容性等因素。由于具体实现软硬件技术差异、市场竞争需要等多种因素，目前对于100Gb/s技术仅在域间接口规范采用基于ITU-T G.709的RS(255,239)编码，对于其他更复杂且编码增益更高的编码，目前不同国内外研发机构正在研究，ITU-T和OIF等标准组织也正在进一步地讨论规范化的可能性。

　　2 100G设备及应用现状

　　借鉴了40Gb/s技术多年的探索和研究经验，100Gb/s技术在实现路线选择上避免了百花齐放的格局，采用偏振复用、正交相移键控（QPSK）调制、基于数字信号处理（DSP）相干接收的技术方案业界基本统一，这就对于整体产业链的合理发展形成了有力的驱动。从最近100Gb/s传输设备的具体实现来看，目前主要传输设备均采用了类似的技术路线，但技术细节、设备功能、设备性能等方面存在一定差异性。目前100Gb/s设备及应用现状如下：

　　（1）FEC支持类型和实现存在差异，软判和硬判均在使用

　　随着信息传输波特率的提升，100Gb/s WDM系统的彩光接口一般都需要采用不同的FEC技术来提升系统传输性能。目前不同厂商的100Gb/s设备选择支持基于硬判决（HD）和软判决（SD）两种基本类型，而且具体HD或SD的冗余速率也不统一，典型如7%或20%的HD，15%或20%的SD等等。具体选择HD或SD与系统性能、集成度和功耗等密切相关，一般而言相同冗余速率的SD将比HD性能有所提升，但同时带来集成度降低和功耗提升的额外代价。

　　（2）和OTN结合已成业界共识，但目前交叉容量有限

　　虽然100Gb/s本身的技术焦点是长距传输，但随着OTN组网及应用的发展，支持100Gb/s长距传输的OTN设备应用需求明显，主要是为了在提升链路传输容量的同时支持大粒度业务的调度和生存性保障。目前100Gb/s WDM设备大都支持和OTN交叉技术结合，一般采用两种模式，即100Gb/s板卡直接作为OTN交叉的线路输出（OTN和WDM紧耦合），或者OTN交叉板卡的线路输出作为100Gb/s长距板卡的客户侧输入（OTN和WDM松耦合）。另外，受限于目前技术实现水平，实验室验证的最大交叉能力达到12.8Tb/s，相对于8T/s的100Gb/s传输容量而言，OTN调度容量有所偏小。

　　（3）智能控制功能已基本具备，主要基于OTN平台

　　随着未来云计算、物联网等业务应用驱动，光传送网络的智能控制功能变得更为重要。目前基于100Gb/s的OTN设备大都支持不同ODUk的智能控制功能。另外，业内也有在同一传输平台上同时提供L0~L2的多层交换和跨层控制功能的技术发展趋势。从业务的基本恢复功能来看，不同厂商设备的ODUk粒度业务恢复时间还存在一定差异，目前基本量级是数百ms量级。

　　（4）100Gb/s设备基本成熟，已启动初步（试）商用

　　经过国内三大运营商、中国教育网等开展的100Gb/s设备测试结果来看，100Gb/s设备整体上趋于基本成熟，100Gb/s设备的（试）商用化进程即将开启。从关键测试指标来看，100Gb/s WDM设备在实验室采用G.655/G.652最长可达到20×22dB(80km)甚至更长的传输距离（注：采用常规EDFA放大），相应的光信噪比（OSNR）代价和品质因子（QdB）代价均在要求的范围以内，而且稳定的温度循环结果等测试结果也进一步验证了100Gb/s设备关键芯片、模块以及设备整体的稳定性。另外，中国教育和科研计算机网（CERNET）于2012年年初启动了100Gb/s 光波分复用（WDM）系统的国内招标，中国移动更是在2012年11月份启动了较大规模的100Gb/s 光传送网（OTN）/WDM设备的招标,中国电信和中国联通近期正在筹备相应项目，100Gb/s技术的（试）商用进程即将开启。

　　（5）部分关键器件芯片依赖性强，产业链发展尚待进一步完善，

　　虽然国内100Gb/s 设备基本成熟，但其关键器件芯片部分依赖进口，典型如调制器、模数转换（ADC）、DSP处理芯片等。从2013 OFC全球大会的情况来看，提供100G相应器件芯片的厂商已越来越多，这为100Gb/s技术整体的产业健康发展奠定了良好的基础，也将进一步降低100Gb/s部署成本。但是，受限于商业芯片的技术现状，目前100Gb/s设备整体集成度较低，功耗偏大，更高集成度和更低功耗的新一代100Gb/s设备有待继续研发。

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