《電子技術(shù)應(yīng)用》
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100G光模塊的技術(shù)與應(yīng)用
OFweek光通訊網(wǎng)
摘要: 本文主要闡述了利用DP-QPSK調(diào)制和相干檢測(cè)技術(shù)實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離傳輸?shù)?00GDP-QPSK光模塊和100G客戶端模塊的CFP光模塊的技術(shù)和應(yīng)用。
關(guān)鍵詞: 相干接收 ADC DSP 10G 40G TDM ODU
Abstract:
Key words :

0  引言

  隨著40Gb/s密集波分光傳輸系統(tǒng)在運(yùn)營(yíng)商核心光網(wǎng)絡(luò)的廣泛應(yīng)用,,相應(yīng)的100Gb/s產(chǎn)品在未來兩年內(nèi)將有可能來臨,,基于標(biāo)準(zhǔn)化的密集波分光通信模塊也贏得了光通信業(yè)界的高度興趣和市場(chǎng)的廣泛接受。因此發(fā)展100G技術(shù)在所難免,,本文主要研究了100G線路端模塊的傳輸技術(shù),,應(yīng)用DP-QPSK(雙極化四相相移鍵控)調(diào)制和相干接收技術(shù)。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(tǒng)面臨著的問題

  100G系統(tǒng)與10G系統(tǒng)和40G系統(tǒng)相比,100G系統(tǒng)面臨著以下一些問題需要對(duì)其解決:

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

  CD容限:相同條件下,, 100G系統(tǒng)色散容限為10G系統(tǒng)的1/100,100G系統(tǒng)色散容限為40G系統(tǒng)的16/100,,必須要采用色散補(bǔ)償技術(shù),,對(duì)每波長(zhǎng)的色散補(bǔ)償,可以在電域上或者光域上補(bǔ)償來實(shí)現(xiàn),。

  PMD容限:相同條件下,100G系統(tǒng)的PMD容限為10G系統(tǒng)的1/10,,100G系統(tǒng)的PMD容限為40G系統(tǒng)的4/10,,可以采用相干接收加上數(shù)字信號(hào)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(yīng):100G比10G/40G的非線性效應(yīng)更為復(fù)雜。

2  100G線路端模塊技術(shù)

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

  100G DP-QPSK發(fā)射機(jī)原理[1]圖如圖1所示,,發(fā)射機(jī)由兩個(gè)平行的50G QPSK調(diào)制器組成,,實(shí)現(xiàn)把兩個(gè)50G信號(hào)分別調(diào)制到兩個(gè)偏振正交的光載波上,然后再通過偏振復(fù)用器把X軸和Y軸光信號(hào)按正交極化(偏振)復(fù)用合并在一起通過光纖發(fā)送出去,。

  這樣每個(gè)正交偏振光載波上的信號(hào)實(shí)際為25G baud QPSK信號(hào),,因此100G DP-QPSK信號(hào)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(dòng)補(bǔ)償色散和PMD,。

  由于相干檢測(cè)結(jié)合DP-QPSK的調(diào)制格式可以比傳統(tǒng)的直接檢測(cè)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(diào)制加上相干接收已經(jīng)成為業(yè)界公認(rèn)的100G DWDM長(zhǎng)途傳輸系統(tǒng)的主流技術(shù)方案[4],。

  相干接收的DP-QPSK傳輸系統(tǒng)是通過電域完成偏振分離,、相位補(bǔ)償和均衡等工作,實(shí)現(xiàn)一體化處理[5],。

  100G DP-QPSK 相干接收技術(shù)是在電域上實(shí)現(xiàn)的,,其核心功能部件是一個(gè)高速模數(shù)轉(zhuǎn)換電路(ADC)和一個(gè)高速數(shù)字信號(hào)處理(DSP)電路。光信號(hào)通過光電轉(zhuǎn)換單元變成模擬電信號(hào),,模擬電信號(hào)通過ADC轉(zhuǎn)換為數(shù)字電信號(hào),,數(shù)字電信號(hào)通過DSP芯片數(shù)字均衡[6]的方式完成相干接收并可消除相位畸變,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)色散,、PMD和部分非線性效應(yīng)的補(bǔ)償,。
 

  圖1  DP-QPSK發(fā)射端框圖

  100G DP-QPSK的相干檢測(cè)[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(hào)通過一個(gè)PBS (Polarization Beam Splitter) ――極化束分離器分解成兩個(gè)正交信號(hào),,每個(gè)正交信號(hào)都與一個(gè)本地光源LO混頻,該本地光源的載波頻率控制精度為數(shù)百KHz[8],。

  混頻后得到4個(gè)極化和相位正交的光信號(hào),,分別用PIN檢測(cè),經(jīng)電放大和濾波后由 A/D電路轉(zhuǎn)化為4路數(shù)字電信號(hào),。一個(gè)相干接收器能夠保持成功解碼QPSK信號(hào)所需的信號(hào)特性,。在完成高速、高分辨率的模數(shù)轉(zhuǎn)化后,,接收器使用基于CMOS的數(shù)字信號(hào)處理芯片(DSP)來區(qū)分和跟蹤這些信號(hào),。數(shù)字電信號(hào)通過DSP芯片數(shù)字均衡的方式實(shí)現(xiàn):定時(shí)恢復(fù),、信號(hào)恢復(fù)、極化和PMD跟蹤,,以及色散補(bǔ)償[9],。其間實(shí)現(xiàn)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(shù)難點(diǎn)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(dá)到信號(hào)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(tǒng)的實(shí)際信號(hào)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(dá)到60G左右;即使采用標(biāo)準(zhǔn)7%編碼冗余的FEC算法,,雙倍采樣ADC的采樣速率也需達(dá)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(yè)務(wù)都是基于IP的,幾乎所有的IP分組從源發(fā)送到宿的全過程都是封裝在以太網(wǎng)幀中,;時(shí)分復(fù)用在以太網(wǎng)中透?jìng)?TDM over Ethernet)的技術(shù)已經(jīng)成熟,,傳統(tǒng)語音的兼容已經(jīng)不是問題;以太網(wǎng)封裝比同步光網(wǎng)絡(luò)/同步數(shù)字體系(SONET/SDH)封裝更簡(jiǎn)單而且成本更低,。這些決定以太網(wǎng)接口速率升級(jí)到100 Gbit/s的需求是客觀和迫切的,,在100Gbit/s以太網(wǎng)上可以實(shí)現(xiàn)“網(wǎng)絡(luò)通信加速、應(yīng)用效能提升”的網(wǎng)絡(luò)通信境界,,能夠快速存取儲(chǔ)存于數(shù)據(jù)中心的種種應(yīng)用,,執(zhí)行頻寬管理、快取,、壓縮,、路徑最佳化及協(xié)議加速等功能。

  IEEE802.3ba標(biāo)準(zhǔn)工作組已經(jīng)完成了40Gb和100Gb以太網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)化工作,。在銅纜介質(zhì)上傳輸7米,,在單模光纖介質(zhì)傳輸高達(dá)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(jì)算機(jī)系統(tǒng)的主機(jī)接收端采用光模塊將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào),,然后,,將其驅(qū)動(dòng)至光纖信道。

  同樣的,,主機(jī)發(fā)送端采用光模塊將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào),,然后,,將其驅(qū)動(dòng)至銅纜電信道。將10×10GE或者4×25GE接口的100GE業(yè)務(wù)經(jīng)ODU2/ODU3適配到OTU2/OTU3,,在10G/40G光網(wǎng)絡(luò)中通過多個(gè)波長(zhǎng)進(jìn)行傳輸,。

  可以不需對(duì)現(xiàn)存的10G/40G DWDM光網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)與改動(dòng),傳輸碼型仍然為光雙二進(jìn)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(xiàn)有的成熟光電器件,,并且整個(gè)系統(tǒng)的性能指標(biāo)和10G/40G系統(tǒng)一致。這一方案可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)平滑升級(jí),,滿足運(yùn)營(yíng)商的成本期望,。


 
  圖3 100G CFP 模塊功能框圖

4  結(jié)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(xiàn)有的密集波分復(fù)用系統(tǒng)提高光譜效率。100G DP-QPSK可以涵蓋運(yùn)營(yíng)商在絕大多數(shù)的城域,、區(qū)域,、長(zhǎng)途和超長(zhǎng)途網(wǎng)絡(luò)中的傳輸需求與應(yīng)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(shù)和網(wǎng)絡(luò)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(jiǎn)介:

  胡毅,,男,,1973年11月生,高級(jí)工程師,,中國(guó)通信學(xué)會(huì)會(huì)員,,國(guó)家“863”項(xiàng)目負(fù)責(zé)人,現(xiàn)任武漢電信器件有限公司模塊開發(fā)部經(jīng)理,主導(dǎo)40G/100G光收發(fā)模塊產(chǎn)品開發(fā),。成功主導(dǎo)開發(fā)的項(xiàng)目有:國(guó)家“863”項(xiàng)目《10Gb/s光電收發(fā)模塊》,,屬于國(guó)內(nèi)首創(chuàng),具有國(guó)際先進(jìn)水平,,形成系列化產(chǎn)品和大批量商用,,同時(shí)獲得湖北省科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)、中國(guó)通信學(xué)會(huì)二等獎(jiǎng)以及2007年全國(guó)“五一”勞動(dòng)獎(jiǎng)?wù)碌?。?guó)家“十五”攻關(guān)重點(diǎn)項(xiàng)目《40Gb/s 光發(fā)射/接收模塊》項(xiàng)目,,具有國(guó)際先進(jìn)水平;產(chǎn)品實(shí)用化項(xiàng)目獲得武漢市創(chuàng)新人才開發(fā)資金重大創(chuàng)新專項(xiàng)(團(tuán)隊(duì))專項(xiàng)資助。曾獲得國(guó)家實(shí)用新型專利四項(xiàng),,參與制訂國(guó)家通信行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)兩項(xiàng),。

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