超高速光通信的新技术及应用

吕建新(烽火通信科技股份有限公司，湖北 武汉 430073)

0 前言

3G、高清视频、高速宽带上网和云计算等业务需求推动了网络IP流量的快速增长，人们对通信带宽的需求不断增长，提高传输速率是提高传输带宽的一项重要技术。目前通信网大规模应用的最高单通道商用传输速率是40 Gbit/s，100 Gbit/s光传输也即将投入商用，400 Gbit/s和1 Tbit/s超高速光传输也正在如火如荼地建设中。国际上不断有新的传输记录产生，目前的传输试验已经达到了单光源32 Tbit/s光传输的传输记录。本文对40、100 Gbit/s及以上速率的超高速光传输将会应用的新技术进行了介绍，同时介绍了烽火通信在超高速光通信方面的一些研究进展，最后对新技术的应用、发展作了展望。

1 40GE/100GE以太网技术

云计算、大容量路由器之间的互联等大带宽的应用，推动了高速以太网技术的发展，40GE/100GE是当前最大带宽、最高速率的以太网接口，40GE已经在路由器中规模应用，带100GE接口的路由器也已经开始商用。

2010年6月IEEE正式发布了40GE/100GE以太网标准IEEE 802.3ba。标准中已经明确了40G/100G以太网仍然使用802.3 MAC标准的以太网帧格式，保留了802.3标准的最小和最大帧长度，只支持全双工工作。

在物理层实现方面，由于40GE/100GE速率高，40GE/100GE的PMA子层和PMD子层与10GE相比有较大变化，其复杂度和规模要大得多。与10GE相比，40GE/100GE的MAC与PHY的接口由原来的XGMII接口演变成 XLGMI接口(40GE) 和 CGMII(100GE)，XLGMII/CGMII接口容量由 10 Gbit/s提高到40和100 Gbit/s，数据通道位宽由32 bit增加到64 bit，同时PHY的层次结构上多了FEC功能子层。

40GE/100GE的PMA层采用并行多通道处理方式，采用MLD的架构。该架构在对MAC数据流进行PCS层64B/66B编码后，按照66B块进行分发。40GE分发到4路虚通道上，100GE分发到20路虚通道上。针对不同的物理通道数量，再对虚通道进行比特复用。例如，20路虚通道通过2∶1比特复用器复用成10路物理通道，通过5∶1比特复用器复用成4路物理通道。

多通道并行处理方式在降低了高速数据处理难度的同时，也带来了多通道数据的对齐问题。对100GE来说，20路虚通道并行数据在经过不同的波长和线路传输后的延时不尽相同，在接收端必须进行延时校正，数据对齐才能实现信号的重新装配和还原。IEEE 802.3ba规范中定义了一套多路延时校正机制:发送侧把经过加扰后的数据分配到20个VL的时候，为每路PCS VL每隔16 383个66比特块周期(即216 μs发送一次同步对齐字节，约占0.006%带宽)，加上一个具有标示该路ID号和对齐功能的对齐控制块。接收侧移去该对齐控制块，并根据该对齐控制块，识别每路VL，实现20个VL的对齐，恢复数据的原来顺序。对齐码块不占用额外的带宽空间，采用删除IPG空间的方法获得。

在子层接口方面，40GE/100GE PMA与PMD子层之间接口为XLAUI/CAUI，即与40GE/100GE MAC/PCS层与光模块之间互联接口为XLAUI/CAUI，该接口为4×10 Gbit/s(对 40GE)和 10×10 Gbit/s(对 100GE)，可允许约25 cm的PCB连接距离(包含1个接头)。

40GE/100GE PMD采用并行接口，40GE主要有4×10 Gbit/s，100GE 主要有 10×10 Gbit/s和 4×25 Gbit/s 2种并行接口，传输媒质有铜线、多模光纤、单模光纤等。IEEE 802.3ba规范的40GE和100GE接口主要有表1所示的几种，从表1可以看出，40GE主要定位于10 km以下的短距离互联，100GE定位于更长距离的应用。

100G以太网的实现，受到电路规模大和标准发布时间不长等因素影响，目前还没有商用芯片推出，不过有些厂家的交换芯片和包处理(PP)芯片中已经规划了40GE/100GE接口，相信不久这些芯片会规模商用。

表1 IEEE 802.3ba规范的40GE和100GE接口

烽火通信在国家863课题“100GE光以太网关键技术研究与系统传输试验平台”研制的支持下，对100G以太网关键技术及实现进行了深入研究，取得了较大进展，圆满完成了课题任务目标:自主设计开发出了100G以太网成帧处理芯片，研制成功了100GE光以太网设备样机，实现了符合IEEE 802.3ba标准的100GE以太网接口和功能，并与基于分组的包传送(PTN)设备一起进行了100GE业务组网试验。

2 新型调制技术

2.1 各种调制技术的主要性能

为了达到商用要求，必须克服光传输线路损伤的影响。目前有多种手段可用，如超强FEC技术、RAMAN放大技术、色散管理技术、新型调制编码技术等，其中采用新型调制码型是100 Gbit/s及以上速率超高速光传输最关键的技术手段。

调制编码技术有很多种，有基于强度调制的NRZ、DRZ、ODB和PSBT，基于相位调制的DPSK和DQPSK，以及结合偏振复用的调制技术DP-QPSK等。表2是各种编码技术的主要性能比较。

在这些性能指标中，OSNR是光信噪比，越大表示性能越好；能否支持50 GHz表示系统能传送的最大波数量，在不使用扩展C波段的前提下，支持50 GHz表示系统最大可支持80波传送；CD容限是色散容限，PMD容限是偏振模色散容限，容限越大，表示不需要补偿的传送距离越远。

由表2的分析可见，没有一种技术能做到各方面都好，每种技术都有自己最合适的应用场景。根据不同的场景选用合适的技术是当前阶段的最优选择。

在低速光传输系统中，光信号通常采用的是幅度调制，调制码型一般是非归零码(NRZ)和归零码(RZ)，该技术实现方式较为简单，成本低。40G及以上速率的光传输中，必须采用新型调制技术，如相位调制和正交幅度调制(QAM)以及基于以上2种调制的多电平调制技术等。

表2 各种编码技术的主要性能比较

2.2 相位调制

相位调制是以相位变化来表征被调制数值信号“0”和“1”的差异，又称移相键控(PSK)。 主要有二相位相移键控(BPSK)、QPSK和16相位相移键控(16PSK)等，BPSK以0和π的相位变化来表征数值信号“0”和“1”的差异，QPSK 以 4 个相位(如 0、+π/2、-π/2 和 π)来表征数值信号“00”、“01”、“10”、“11”，一个符号可以携带2 bit的信息，可以将频谱效率翻倍。相位调制在保持常数强度包络的同时，能够有效抑制非线性损伤对信号的影响。

根据参考相位的不同，光相位调制可分为2类。

第一类调制技术参考之前的信号相位，一般是前一个符号。此类调制方法的名称前通常带有一个“D”，表示“差分”，例如DPSK和DQPSK。

第二类调制技术在接收端使用精确调谐到源激光器频率的本地激光器作为参考源。此类技术一般称为相干调制，因为它和早期的相干检测系统非常相似。

2.3 正交幅度调制

正交幅度调制(QAM)是一种在2个正交载波上进行幅度调制的调制方式。这2个载波通常是相位差为90°的正弦波，因此被称作正交载波。在QAM中，数据信号由相互正交的2个载波的幅度变化表示。

在幅度调制过程中采用多电平调制幅度，QAM信号集可以用星座图表示，星座图上每一个星座点对应发射信号集中的一个信号。设正交幅度调制的发射信号集大小为N，称之为N-QAM。常见的QAM形式有16-QAM、64-QAM、256-QAM等。星座点数越多，每个符号能传输的信息量就越大。但是，如果在星座图的平均能量保持不变的情况下增加星座点，会使星座点之间的距离变小，进而导致误码率上升。因此高阶星座图的可靠性比低阶要差。

与其他调制技术相比，QAM编码具有能充分利用带宽、抗噪声能力强等优点。当对数据传输速率的要求高过8-PSK能提供的上限时，一般采用QAM的调制方式。因为QAM的星座点比PSK的星座点更分散，星座点之间的距离因此更大，所以能提供更好的传输性能。

但是QAM星座点的幅度不是完全相同的，所以它的解调器需要能同时正确检测相位和幅度，不像PSK解调只需要检测相位，这增加了QAM解调器的复杂性。

2.4 多电平调制技术

在过去的10年里，通过DWDM系统同时传送多个信道，以及每信道符号速率的增加，光通信网络的传输容量得以提升。为了更有效地提升光信号的频谱效率，必须利用每个符号的更多特征来传递信息，这就是多电平调制技术。多电平的N-QAM和多相位的PSK调制(如QPSK、16PSK等)都属于多电平调制技术。

(D)PSK调制码型虽然能够在抗非线性和色散容限方面较传统的幅度调制有较大的改善，但是该调制技术只使用2个相位，每个符号携带1 bit信息，信号比特率和传输速率是相等的，并不能提高光信号的频谱效率。(D)QPSK调制信号有4个相位，每符号承载2 bit信息，能够在仅增加少量带宽代价的情况下将比特率翻倍。

多进制调制比二进制调制具有更窄的信号频谱，而信号的色散损伤与谱宽的平方成正比，因此多进制调制的DQPSK能大幅度提高DPSK对色散、PMD以及非线性的公差。

DPSK和DQPSK调制码型由于具有较好的OSNR要求和抗非线性能力，在40及100 Gbit/s以上高速光传输中已经开始得到应用，目前已经有商用化的调制/解调制器模块。QAM解调器比较复杂，目前仍处在100 Gbit/s以上超高速光传输的实验研究阶段，如采用16-QAM或64-QAM进行400 Gbit/s和1 Tbit/s光传输，取得了较好的效果，是未来最可能采用的一种调制格式。

3 新型的复用技术

为了在提高传输容量的同时，降低线路上符号的传输速率，充分发挥光纤的传输效率，在超高速系统中，采用以下2种新型复用技术来提高光信号的频谱效率，提升线路的传输容量。

3.1 偏振复用

偏振复用技术是利用相互正交的2个偏振态来传递不同的信息，提高系统频谱使用率，降低单信道的信号速率，每个偏振信道的调制方式可以是前述调制码型的任意一种。

偏振复用系统对偏振敏感，受PMD变化影响也较大。偏振复用可以和前述的多电平调制技术结合使用，如果将偏振复用与DQPSK相结合，将获得更高的频谱效率，一个符号承载4比特信息。当前100G光传输比较认可的PM-(D)QPSK调制码型，112 Gbit/s的比特速率在采用PM-(D)QPSK编码调制后，波特率可以降至28 Gbit/s。

目前，国际标准化组织OIF已经建议偏振复用+正交相位调制(PM-QPSK)或偏振复用+差分正交相位调制(PM-DQPSK)作为100 Gbit/s的主流调制技术。基于PM-DQPSK的100 Gbit/s光模块也已有少数厂家开发出，并开始试商用。多数设备厂商已经决定采用PM-(D)QPSK作为其主要调制复用技术。

3.2 光正交频分复用(OFDM)

正交频分复用(OFDM)是一种具有高频谱效率的调制方式，已广泛应用于各类有线和无线通信领域，成为无线通信中的主导调制格式并形成了许多无线通信领域内的重要标准，如802.11a/g、Wi-Fi、HiperLAN2、802.16、WiMAX等。近年来，OFDM成功应用于光通信领域，可有效对抗光纤中的色散和偏振模色散等并展现了灵活高效的频谱利用和调制，成为100 Gbit/s及以上高速光传输极具潜力的关键技术。

正交频分复用主要思想是:将信道分成若干正交子信道，将高速数据信号转换成并行的低速子数据流，调制到在每个子信道上进行传输。正交信号可以通过在接收端采用相关技术来分开，这样可以减少子信道之间的相互干扰。

OFDM的优势为:子频带割分增强对器件和模块选择的灵活性；导频副载波便于信道和相位估计；极高的频谱效率和极好的可扩展性；简化了CD、PMD均衡。

根据检测接收实现方法的不同OFDM可分为相干检测(CO-OFDM)和直接检测(DDO-OFDM)2种方式。CO-OFDM采用光正交相位调制器作为电光转换前端，采用相干检测作为光电转换前端，兼具相干检测和正交频分复用的优点，具有优异的频谱效率、接收机灵敏度和偏振模色散容忍度，但其实现复杂度较DDO-OFDM高。

OFDM技术目前主要用在400 Gbit/s和1 Tbit/s的高速光传输试验的研究中，也是超高速光传输中未来最可能采用的一种实现技术。

4 相干接收技术

在光信号的接收方面，采用新型接收技术也能够克服线路损伤的影响。低速光传输常用的检测方式为强度检测，即检测信号的幅度，该方式结构简单，成本低，但是丢失了信号相位信息，接收机本身无法对传输线路上的非线性损伤进行有效补偿，只能依赖线路上的光学器件进行补偿。在高速光传输系统中，随着速率的提升，接收机色散容限进一步降低，直接检测系统需要部署更为精确的色散补偿器才能满足系统的色散容限要求，将导致系统成本增加，可靠性降低。在超高速系统中，光纤的PMD效应成为主要的障碍，信号偏振变化的统计特性导致PMD的光学补偿方式实用非常困难。

另一方面，为了提高光纤的传输容量和传输效率，在有限的频段资源(如50 GHz)内传输尽可能多的信息容量，超高速传输系统中已经开始使用高阶调制和偏振复用技术。对采用高阶调制和偏振复用的信号，采用光学方法难以实现传输损伤的线路补偿，而且接收机采用传统的直接检测方式将无法有效地检测信号。

因此，在超高速传输系统中，人们已经开始普遍认识到相干检测的重要性，相干检测是解决传输损伤的一项关键技术。

相干检测技术的基本原理为，接收端将收到的光信号与一本振光信号进行相干耦合后，采用平衡接收机进行探测。相干接收机在对接收信号进行相位检测，将光信号转换为电信号后，直接经过数字信号处理，采用数字信号处理器(DSP)对信号的电子偏振解复用，并结合使用电子色散补偿来抑制偏振模式色散的影响。在超高速相干光接收机中，最主要核心器件是高速模数转换(ADC)器件和高速DSP芯片，采用算法实现电域均衡和色散补偿。

相干光检测技术，除了检测光信号的幅度，还能检测光信号的相位和偏振态。在相干光系统中，光信号的相位信息可用来高效地补偿光传输所引起的信号在电域内的劣化，光传输引起的失真也可以很好地通过电均衡器来补偿，进而实现更远的传输距离。

相干光接收技术具有如下优点。

a)可以充分利用光的相位、偏振等信息，实现多电平检测，可以大幅度提高现有光纤链路的传输容量。

b)在电域就能有效地对色度色散和偏振模色散进行补偿，可以省去复杂的光域补偿。

c)相同误码指标下，相干光接收机具有更高的灵敏度，所需的光信噪比也更低，这将提高系统的传输距离，减少中继点数目。如果采用PSK技术，这个效果会更加明显。

d)能升级WDM网络，一种接收机就能应对不同的调制方式。

相干探测相比直接探测复杂得多，但该方法却特别适合具有偏振复用的DQPSK解调应用，因为可以有效利用相干探测高光学增益以及能够对相位探测的特性及调制格式做高灵敏的探测解调。因此偏振复用＋DQPSK＋相干检测是40、100 Gbit/s及以上速率超高速系统最佳组合方案。目前很多厂商已经推出或正在推出40G、100G QPSK相干检测光收发模块。

将相干光接收技术与先进的调制方式以及电信号处理技术相结合，可以大大提高现有光传输链路的容量和传输距离，提高频谱效率，降低建设成本以及运维成本；同时，相干接收技术可以使用电均衡技术来准确补偿光传输造成的劣化，网络设计也因此可以变得更为灵活。

烽火通信100 Gbit/s系统采用相干检测的偏振复用PM-QPSK技术，可以将100 Gbit/s对OSNR要求降低到13 dB以下，并结合采用数字信号处理技术均衡线路传输损伤，提升色散容忍能力达40 000 ps／nm，DGD容限超过100 ps，全面缓解了色散和PMD对高速传输的限制。

5 光子集成(PIC)技术

如前文所述，在40/100 Gbit/s及以上速率的超高速系统中，必须采用多相位调制(如DQPSK)、多电平正交幅度调制(M-QAM)等技术，提高光信号传输的频谱效率，降低信号传输的符号率，降低光信号传输的非线性、色散、光信噪比等方面的影响，来实现长距离传输。以上技术的发展和应用与PIC技术是分不开的。

PIC技术是将多个分立的光器件集成在一块基片上，从而减小了器件体积和应用复杂度。对低成本、低功耗和小尺寸的需求是推动PIC技术发展一个重要因素。传统的光通信器件和子系统由分离的器件组成:单独的激光器、调制器和控制单元，或是独立的滤波器和波导，这些器件都是分别生产的，然后通过某种方式组装起来，需要大量人工操作，成本高且体积大。

多电平接收机中，多比特符号的检测器不再仅是简单地检测信号电平，而是对接收到的信号进行更加复杂的分析。因此，多电平调制的调制器和解调器都比传统的光解调器复杂得多，实现成本也高得多，必须采用PIC技术，降低体积、生产成本，利于实现规模化生产。

相干光接收技术的应用也依赖于PIC技术的发展，为了充分发挥相干光接收技术的潜能，实现该技术的商业化应用，必须采用一定的集成技术，在相干光接收机内集成本振激光器、锁相环、光耦合器、平衡光检波器以及用于控制激光器偏置电路等的电信号处理器等，以达到缩小器件的体积，降低成本。

在相干光接收机中，相位解调器是无源系统，其基本原理是把相位和偏振编码信息转换为普通光检测器可以检测的强度信息，它是由耦合器和分光器组成的干涉装置，光路信息被精确地设定，也多是由集成光子器件实现的。

对于100 Gbit/s相干系统以及性能更高的40 Gbit/s差分系统，信号失真度和其他性能的高要求也需要采用将解调器和检测器集成在一起的方案，基于硅集成技术的平面集成光电路为应对这些挑战打下了基础。

平面光波导技术(PLC)是近几年发展起来的PIC技术。平面集成光器件的实现方式是在平面基底上制出光波导，一般是由硅基底上玻璃波导组成，所用技术和制造工艺与DWDM系统中使用的阵列波导光栅(AWG)相同。平面光集成技术是半导体工业中大规模、低成本的生产制造技术，因此非常适用于制作相干系统中的解调器。

混合集成技术已能够将光电二极管或激光器等半导体器件直接安装在集成光基底上。该技术目前正应用到把光电二极管直接安装在相干混频器和DQPSK解调器基底上。基于硅波导的无源PIC是以最低成本大规模制作复杂解调器的理想方案。

PIC技术正越来越多地被运用在光器件的设计制作上，光器件以PIC的封装方式已成为现实并开始得到应用。PIC光器件的封装可以做到TO、SFF、SFP等封装形式所不能做的高密度集成封装，且其小尺寸、低功耗、低成本等特点更易于被客户接受，在实际部署中也更加便捷和降低成本。PIC光器件可以在一定的空间内集成更多的通道，提高光器件接口的容量和密度(目前已有可集成500 Gbit/s传输容量的PIC)。

不同器件的集成，不同功能的集成将是光器件技术的发展主流。PIC是光器件必然的演进方向，光器件发展将更加集成化。

6 结束语

超高速光通信有很多关键技术，除前述介绍的新技术外，还有电子色散补偿技术、超级FEC技术等。这些新技术的出现，为超高速光通信又打开了另外一扇门。在400 Gbit/s和1 Tbit/s光传输中，可以结合多电平调制、偏振复用、OFDM和相干接收这几方面的技术，使光信号传输的符号率仍然保持在60 Gbit/s以下，能够抗更多的非线性影响，容忍更大的传输色散，实现更远的传输距离。同时这几方面技术的应用，还必须依赖于PIC技术的发展，只有做到更大的集成度、更小的体积，更低的成本，才能实现商业化应用。

40GE/100GE采用了MLD的并行处理方式，PMA层与PMD层之间采用4×10 Gbit/s(40GE)或10×10 Gbit/s的XLAUI/CAUI接口，以及在PMA层采用多通道延时校正机制等，该架构为更高速率的以太网(如400G或1T)的开发奠定了基础。400G或1T以太网将会继续采用该体系架构，只不过通道数会更多，接口位宽和速率更高(如400G以太网PMA层与PMD层之间可能会采用16×25 Gbit/s接口)。

烽火通信在超高速光传输方面进行了深入研究，取得了重大进展和突破，成功实现了1 Tbit/s相干光正交频分复用1 040 km的普通单模光纤无误码传输。该成果从现有的电子和光电器件水平出发，提出多波长同源低相位噪声光子载波信号产生的模型，利用频率循环搬移的多频带复用方式实现了1 Tbit/s的超高速传输速率。该成果还采用了基于正交频分复用的调制方式和数字相干接收技术，通过16-QAM的高阶调制和高冗余度的低密度奇偶校验(LDPC)码相结合的方法。

本文介绍的新技术仍在不断发展中，在超高速光通信系统中，这些新技术的应用，不仅仅取决于该技术对传输性能的影响，还依赖于相关器件技术的发展。随着大规模集成电路技术、PIC技术、高速DSP、ADC等技术的逐步成熟，器件的复杂性和成本将大幅度降低，这些新技术将会得到广泛应用。

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