超越100G速率的相干光通信系統(tǒng)的解決方案

時間：2020-05-07 14:54:01

關(guān)鍵字：相干光通信光通信系統(tǒng) 光信號 DSP

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[導讀] 由于FTTH(光纖到戶)的普及、智能手機日益增長的使用、第5代移動通信系統(tǒng)的高速發(fā)展促使光通信網(wǎng)絡的進一步升級。當前國內(nèi)100G DWDM系統(tǒng)波長資源即將耗盡，400G迫在眉睫，人們期

由于FTTH(光纖到戶)的普及、智能手機日益增長的使用、第5代移動通信系統(tǒng)的高速發(fā)展促使光通信網(wǎng)絡的進一步升級。

當前國內(nèi)100G DWDM系統(tǒng)波長資源即將耗盡，400G迫在眉睫，人們期待著頻譜效率更高的DWDM系統(tǒng)。

圖1 當前國內(nèi)骨干網(wǎng)示意圖(張成良《光網(wǎng)絡&光器件新技術(shù)發(fā)展與應用》)

近年來數(shù)字相干光傳輸系統(tǒng)被廣泛關(guān)注，易飛揚(Gigalight)于去年深圳光博會上首次展出了100G CFP DCO相干光模塊，象征著公司在該領(lǐng)域的領(lǐng)先地位。當前400G以太網(wǎng)傳輸?shù)臉藴驶谶M行中——這為每通道超過100G的光傳輸技術(shù)提供了商業(yè)開發(fā)潛力。

用于數(shù)字相干光傳輸?shù)臄?shù)字信號處理技術(shù)發(fā)展趨勢主要如圖2所示。

圖2?

相干光模塊使用相干檢測技術(shù)提高了接收靈敏度和頻譜效率，另外使用DSP(數(shù)字信號處理)的技術(shù)實現(xiàn)了由長距離光纖傳輸過程中累積的波長失真的補償。改進現(xiàn)有的100G傳輸技術(shù)有兩種可能的方向：增強性能和降低功耗。

高性能數(shù)字信號處理器(DSP)增加了傳輸容量和距離，但是卻在傳輸設備中消耗了大量功率——為了開發(fā)超過100G的相干光傳輸系統(tǒng)，除卻高質(zhì)量的激光器、光電探測器等，還需要實現(xiàn)高的頻譜利用率以及低功耗、高性能的數(shù)字信號處理功能。

數(shù)字相干光傳輸調(diào)制技術(shù)

數(shù)字相干光傳輸技術(shù)的原理如圖3所示。傳統(tǒng)光傳輸系統(tǒng)中最常用的調(diào)制方法是OOK, 其中所用光信號中的0/1由開關(guān)狀態(tài)(強度調(diào)制)表示，并且光強度的變化需要用光電探測器來探測。

當OOK以100Gbit/s的速率應用于傳輸?shù)臅r候，在光纖傳輸過程中的各種波形失真導致了信號傳輸質(zhì)量下降十分顯著，結(jié)果就是傳輸距離僅限于幾公里。

圖3

當前應用于100Gbit/s相干的主要調(diào)制方案是雙極化正交相移鍵控(DP-QPSK)。DP-QPSK調(diào)制具有四個不同相位的光信號，并且還使用X偏振波和Y偏振波來承載不同的信號。

另外100G相干系統(tǒng)還使用相干檢測技術(shù)實現(xiàn)高靈敏度，本地振蕩器與接收的光信號產(chǎn)生拍頻用來檢測接收的光信號強度和相位信息。

DP-QPSK的頻譜使用率是OOK的四倍，信號經(jīng)過諸如均衡等前端處理，進入光混頻器與本地振蕩器產(chǎn)生的光信號進行相干混合。

并借助DSP在接收器處與相干探測結(jié)合用來補償由于色散引起的波形失真、偏振模色散(PMD)等，從而在不使用諸如色散補償光纖的情況下使得超過1000km的傳輸成為可能。

圖4

如果要進一步增加光傳輸系統(tǒng)的容量——達到200G或者400G, 則必須要使用更高的多級調(diào)制光信號，例如雙極化16級正交幅度調(diào)制(DP-16QAM)等。

圖5

不過需要注意的是，越是高級的調(diào)制技術(shù)對系統(tǒng)的要求越高，圖5體現(xiàn)了不同調(diào)制級數(shù)對傳輸距離的影響。

如何提升頻譜利用率?

為了增加每根光纖的傳輸容量，有必要提升頻譜利用率——實現(xiàn)此目標的有效方式是增加光學幅度或者相位中調(diào)制級別的數(shù)量。

但是正如上面所提及的，越是高級的調(diào)制技術(shù)對系統(tǒng)要求越高。如果增加了調(diào)制級數(shù)，光信噪比OSNR容限需要增加;增加傳輸功率以提高OSNR的話，那么由光纖的非線性光學效應會大大增加，這又減少了可能的傳輸距離。

因此如果我們要設計超過100G的相干光傳輸系統(tǒng)，我們需要結(jié)合非線性補償、自適應調(diào)制/解調(diào)以及高編碼增益FEC(前向糾錯)等多種技術(shù)。

圖6 相干光模塊中的關(guān)鍵部分

提高頻譜利用率的一種有效方法是減少WDM中相鄰信道之間的頻率間隔——這要求縮小光信號的頻譜，奈奎斯特濾波對此至關(guān)重要，因為它使得發(fā)射機處的DSP通過減少光信號頻譜的方式最大限度地提升了頻譜效率。

目前商用系統(tǒng)最新標準中的頻率間隔是50GHz, 若要減小到25GHz/12.5GHz, 就需要傳輸信號通過帶寬更窄的光復用器和解復用器，由此帶來的相鄰信道的干擾，對系統(tǒng)性能有很大影響。

圖7?

圖7左邊部分的說明

由圖7的左邊部分可以看到隨著信號速率的提高，光信號的頻譜也在變寬。

當符號率提升至40 GBaud甚至100 GBaud時, OOK(把一個幅度取為0, 另一個幅度為非0, 就是OOK, On-Off Keying, 該調(diào)制方式的實現(xiàn)簡單)，信號占用的帶寬變得大于50-GHz ITU信道的帶寬。從圖中可以看出，頻譜加寬的信道開始與它們的相鄰信道重疊，導致串擾的出現(xiàn)。

圖7右邊部分的說明

右邊部分給出了使用多種不同技術(shù)的組合如何提高頻譜效率的想法。舉例來說，與NRZ-OOK調(diào)制格式相比，使用QPSK可以將符號利用率提升兩倍。這樣我們就使用一半的符號率傳輸同樣速率的數(shù)據(jù)，占用的光譜帶寬也減少了一半。

然后通過上面我們說過的偏振復用PDM可以在同一個波長傳遞兩個并行偏振通道，相當于提升兩倍頻譜效率。

通過QPSK高階調(diào)制和PDM偏振復用技術(shù)，我們將單波長通道的光信號頻譜占用減小到了原來的四分之一。最后再利用脈沖整形濾波器進一步縮小占用頻譜之后，可以在50GHz帶寬的信道中傳輸112Gbps的數(shù)據(jù)。

當前100G相干系統(tǒng)的建議頻率間隔為50GHz, 相對于100G間隔WDM系統(tǒng)，頻譜效率可提升100%。

DSP如何處理信號?

在數(shù)字相干光傳輸系統(tǒng)中，DSP執(zhí)行調(diào)制/解調(diào)和波形失真補償，所使用的數(shù)字相干光發(fā)射器/接收器功能配置如圖所示，在圖8中我們以200G相干傳輸系統(tǒng)為例。

圖8?

在發(fā)送器中

成幀器將局域網(wǎng)(LAN)輸入的兩個100Gbit/s以太網(wǎng)(100GbE)信號轉(zhuǎn)換為兩個光傳輸網(wǎng)絡(OTN)幀格式(OTU4信號)并將其輸出到DSP。

DSP執(zhí)行軟判決糾錯，然后將信號映射到四個通道(兩個正交相位(相位I(同相)和Q(正交))和兩個正交極化波(X和Y))，隨后添加用于幀同步組與信道估計的導頻信號，隨后應用用于縮小光信號頻譜的數(shù)字濾波并進行D/A轉(zhuǎn)換。

最后信號被轉(zhuǎn)換成200Gbit/s DP-16QAM信號并發(fā)送至光傳輸系統(tǒng)(OTN)。