100G光模块的技术与应用

1、100G光模块的技术与应用0引言随着40Gb/s密集波分光传输系统在运营商核心光网络的广泛应用，相应的100Gb/s 产品在未来两年内将有可能来临，基于标准化的密集波分光通信模块也赢得了光通信业 界的高度兴趣和市场的广泛接受。因此发展100G技术在所难免，本文主要研究了 100G 线路端模块的传输技术，应用DP-QPSK（双极化四相相移键控）调制和相干接收技术。 100G客户端模块为CFP （外形封装可插拔）模块，是一种可以支持热插拔的模块。100G系统面临着的问题100G系统与10G系统和40G系统相比，100G系统面临着以下一些问题需要对其 解决：信道间隔：50GHz间隔DWDM系统已成为

2、主流，100G必须要支持50GHz波长间 隔，因此系统必须采用高频谱效率的码型，可以采用DP-QPSK，8QAM（正交幅度调制）， 16QAM，64QAM等调制方式。CD容限：相同条件下，100G系统色散容限为10G系统的1/100，100G系统色 散容限为40G系统的16/100，必须要采用色散补偿技术，对每波长的色散补偿，可以 在电域上或者光域上补偿来实现。PMD容限：相同条件下，100G系统的PMD容限为10G系统的1/10，100G系统 的PMD容限为40G系统的4/10，可以采用相干接收加上数字信号处理4。OSNR（光信噪比）：相同码型下，100G要求比10G增加高10dB，100G

3、要求比 40G增加高4dB，需要采用低OSNR容限的码型，高编码增益的FEC算法。非线性效应：100G比10G/40G的非线性效应更为复杂。100G线路端模块技术100Gbit/s DP-QPSK（Dual Polarization Quadrature Phase Shift Keying）双极 化四相相移键控光传输技术，解决100Gbit/s DP-QPSK传输技术的调制方案是采用25G baud QPSK编码方式。该解决方案是在每一波长采用两个QPSK信号来传递100Gbit/s 业务，这两个QPSK信号分别调制光载波两个正交极化（偏振）中的一个。由于QPSK 和正交极化复用分别将频谱利

4、用率提高一倍，与Duobinary或DPSK等调制方式相比， DP-QPSK只需1/4频谱带宽。100G DP-QPSK发射机原理1图如图1所示，发射机由两个平行的50G QPSK调 制器组成，实现把两个50G信号分别调制到两个偏振正交的光载波上，然后再通过偏振 复用器把X轴和Y轴光信号按正交极化（偏振）复用合并在一起通过光纤发送出去。这样每个正交偏振光载波上的信号实际为25G baud QPSK信号，因此100GDP-QPSK信号带宽只有25G，可以利用25G光电子器件，理论上具有25G的性能。 采用相干接收和后继的DSP处理，可以自动补偿色散和PMD。由于相干检测结合DP-QPSK的调制格

5、式可以比传统的直接检测获得更好的高光谱效率 2,3，相干接收在理论上可以比差分接收提高3dB的OSNR灵敏度(改善幅度大约1.5 2dB)，DP-QPSK调制加上相干接收已经成为业界公认的100G DWDM长途传输系统的 主流技术方案4。相干接收的DP-QPSK传输系统是通过电域完成偏振分离、相位补偿和均衡等工作， 实现一体化处理5。100G DP-QPSK相干接收技术是在电域上实现的，其核心功能部件是一个高速模 数转换电路(ADC)和一个高速数字信号处理(DSP)电路。光信号通过光电转换单元变成模 拟电信号，模拟电信号通过ADC转换为数字电信号，数字电信号通过DSP芯片数字均 衡6的方式完成

6、相干接收并可消除相位畸变，从而实现对色散、PMD和部分非线性效应 的补偿。图1 DP-QPSK发射端框图100G DP-QPSK的相干检测7如图2所示。该解决方案所使用的接收器是相干接 收器，接受信号通过一个PBS (Polarization Beam Splitter)极化束分离器分解成两 个正交信号，每个正交信号都与一个本地光源LO混频，该本地光源的载波频率控制精 度为数百KHz8。混频后得到4个极化和相位正交的光信号，分别用PIN检测，经电放大和滤波后由 A/D电路转化为4路数字电信号。一个相干接收器能够保持成功解码QPSK信号所需的 信号特性。在完成高速、高分辨率的模数转化后，接收器使

7、用基于CMOS的数字信号处 理芯片(DSP)来区分和跟踪这些信号。数字电信号通过DSP芯片数字均衡的方式实现： 定时恢复、信号恢复、极化和PMD跟踪，以及色散补偿9。其间实现的3dB带宽大约 为6GHz，从而消除了带外噪声。图2相干接收功能框图ADC的功能是通用的，主要技术难点是采样速率，如果要完整保留相位信息，ADC 的采样速率至少达到信号波特率的两倍10(Double Sampling)。采用20%编码冗余的 FEC算法，则100G DWDM系统的实际信号速率将超过120G，波特率大约为30G，则 双倍采样的ADC采样速率需达到60G左右；即使采用标准7%编码冗余的FEC算法， 双倍采样A

8、DC的采样速率也需达到54G以上。3 100G CFP客户端模块带宽需求的主要因素包含：不断增加的业务都是基于IP的，几乎所有的IP分组从 源发送到宿的全过程都是封装在以太网帧中；时分复用在以太网中透传(TDM over Ethernet )的技术已经成熟，传统语音的兼容已经不是问题；以太网封装比同步光网络/ 同步数字体系(SONET/SDH)封装更简单而且成本更低。这些决定以太网接口速率升级到 100 Gbit/s的需求是客观和迫切的，在100Gbit/s以太网上可以实现“网络通信加速、应 用效能提升”的网络通信境界，能够快速存取储存于数据中心的种种应用，执行频宽管理、 快取、压缩、路径最佳

9、化及协议加速等功能。IEEE802.3ba标准工作组已经完成了 40Gb和100Gb以太网的标准化工作。在铜缆 介质上传输7米，在单模&%&%&%&%&1介质传输高达40公里，建议所有的 接口都采用了并行比特流。图3为100G CFP模块功能框图。通信和计算机系统的主机 接收端采用&%&%&%&%&3将电信号转换为光信号，然后，将其驱动至光纤 信道。同样的，主机发送端采用光模块将光信号转换为电信号，然后，将其驱动至铜缆电 信道。将10 x10GE或者4x25GE接口的100GE业务经ODU2/ODU3适配到 OTU2/OTU3，在10G/40G光网络中通过多个波长进行传输。可以不需对现存的10

10、G/40G DWDM光网络进行重新设计与改动，传输码型仍然为 光双二进制编码(O DB)/差分归零码(DRZ)/归零码一差分正交相移键控(RZ-DQPSK)。这 种模式可以采用10G/40G现有的成熟光电器件，并且整个系统的性能指标和10G/40G 系统一致。这一方案可实现网络平滑升级，满足运营商的成本期望。%0图3 100G CFP模块功能框图4结束语100G DP-QPSK具有很高的谱效率以及很大的色散和PMD容限，支持50GHz通 道间隔，可以更好地提高线路利用率，最大限度地为现有的密集波分复用系统提高光谱 效率。100G DP-QPSK可以涵盖运营商在绝大多数的城域、区域、长途和超长途

11、网络中 的传输需求与应用。本文作者：胡毅1,2,杨家龙1,2,邹晖1,2 (1. &%&%&%&%&2技术和 网络国家重点实验室，湖t武汉430074 ； 2.武汉电信器件有限公司，湖武汉 430074)作者简介：胡毅，男，1973年11月生，高级工程师，中国通信学会会员，国家863”项目负责 人，现任武汉电信器件有限公司模块开发部经理，主导40G/100G光收发模块产品开发。 成功主导开发的项目有：国家“863”项目10Gb/s光电收发模块，属于国内首创，具 有国际先进水平，形成系列化产品和大批量商用，同时获得湖北省科技进步二等奖、中 国通信学会二等奖以及2007年全国“五一”劳动奖章等。国

12、家“十五”攻关重点项目40Gb/s 光发射/接收模块项目，具有国际先进水平;产品实用化项目获得武汉市创新人才开发资 金重大创新专项(团队)专项资助。曾获得国家实用新型专利四项，参与制订国家通信 行业标准两项。参考文献：Tsuyoshi Yoshida, Takashi Sugihara, Kazushige Sawada et al., Polar Coordinate Transformation based Dual Binary-Drive QPSK ModulationC. OFC 2010, paper OMK4.E. Ip et al., Coherent detection in

13、 optical fiber systemsJ. Opt. Express 16, 753-791 (2008).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).100G Ultra Long Haul DWDM Framework DocumentS. OIF,

14、Optical Internetworking Forum.I. Fatadin, S. J. Savory, D. Ives. Compensation of quadrature imbalance in an optical QPSK coherent receiverJ. IEEE Photon. Technol. Lett., 2009, 20(20):1733-1735Xiang Zhou, Jianjun Yu, Dayou Qian et al., High-Spectral-Efficiency 114-Gb/s Transmission Using PolMux-RZ-8P

15、SK Modulation Format and Single-Ended Digital Coherent Detection TechniqueJ Lightwave Technology. 27, 146 -52 (2009).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 ModuleC. OFC 2010, paper OThE2.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 SystemC. OFC 2010, paper OMK1.Jean-Paul Faure, Bruno Lavigne, Christine Bresson et al., 40G and 100G deplo