0  引言

　　隨著40Gb/s密集波分光傳輸系統(tǒng)在運營商核心光網(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,，必須要采用色散補償技術(shù)，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(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采用兩個QPSK信號來傳遞100Gbit/s業(yè)務(wù),，這兩個QPSK信號分別調(diào)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(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)射機原理[1]圖如圖1所示,，發(fā)射機由兩個平行的50G QPSK調(diào)制器組成,，實現(xiàn)把兩個50G信號分別調(diào)制到兩個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(jié)合DP-QPSK的調(diào)制格式可以比傳統(tǒng)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(diào)制加上相干接收已經(jīng)成為業(yè)界公認的100G DWDM長途傳輸系統(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、相位補償和均衡等工作,，實現(xiàn)一體化處理[5],。

　　100G DP-QPSK 相干接收技術(shù)是在電域上實現(xiàn)的，其核心功能部件是一個高速模數(shù)轉(zhuǎn)換電路(ADC)和一個高速數(shù)字信號處理(DSP)電路,。光信號通過光電轉(zhuǎn)換單元變成模擬電信號,，模擬電信號通過ADC轉(zhuǎn)換為數(shù)字電信號，數(shù)字電信號通過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,，從而實現(xiàn)對色散,、PMD和部分非線性效應(yīng)的補償。
 

　　圖1  DP-QPSK發(fā)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(shù)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(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,。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(shù)轉(zhuǎn)化后,，接收器使用基于CMOS的數(shù)字信號處理芯片(DSP)來區(qū)分和跟蹤這些信號,。數(shù)字電信號通過DSP芯片數(shù)字均衡的方式實現(xiàn)：定時恢復(fù)、信號恢復(fù),、極化和PMD跟蹤,，以及色散補償[9]。其間實現(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(tǒng)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(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,；時分復(fù)用在以太網(wǎng)中透傳(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)封裝更簡單而且成本更低,。這些決定以太網(wǎng)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(wǎng)上可以實現(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(tǒng)的主機接收端采用光模塊將電信號轉(zhuǎn)換為光信號，然后,，將其驅(qū)動至光纖信道,。

　　同樣的，主機發(fā)送端采用光模塊將光信號轉(zhuǎn)換為電信號,，然后,，將其驅(qū)動至銅纜電信道。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)中通過多個波長進行傳輸,。

　　可以不需對現(xiàn)存的10G/40G DWDM光網(wǎng)絡(luò)進行重新設(shè)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(xiàn)有的成熟光電器件,，并且整個系統(tǒng)的性能指標(biāo)和10G/40G系統(tǒng)一致。這一方案可實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)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(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可以涵蓋運營商在絕大多數(shù)的城域,、區(qū)域,、長途和超長途網(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(xué)會會員，國家“863”項目負責(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)的項目有：國家“863”項目《10Gb/s光電收發(fā)模塊》,，屬于國內(nèi)首創(chuàng)，具有國際先進水平,，形成系列化產(chǎn)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(xué)會二等獎以及2007年全國“五一”勞動獎?wù)碌?。國?ldquo;十五”攻關(guān)重點項目《40Gb/s 光發(fā)射/接收模塊》項目,，具有國際先進水平;產(chǎn)品實用化項目獲得武漢市創(chuàng)新人才開發(fā)資金重大創(chuàng)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(yè)標(biāo)準(zhǔn)兩項,。

參考文獻：

[1] Tsuyoshi Yoshida, Takashi Sugihara, Kazushige Sawada et al., Polar Coordinate Transformation based Dual Binary-Drive QPSK Modulation[C]. OFC 2010, paper OMK4.

[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.