1/22/2014,隨著IEEE 100 Gbit/s(以下簡稱100G)以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)討論與制定工作的結(jié)束，全球主流廠商正在推動100G的全球部署，并把目光聚焦到400G甚至1 Tbit/s系統(tǒng)上來。同40G/100G一樣，400G的部署應(yīng)該是漸進(jìn)的方式。為了更有效地利用現(xiàn)有的DWDM(密集波分復(fù)用)線路資源，降低投資成本，運(yùn)營商希望400G能在現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)上部署，而不是重新設(shè)計(jì)和建造一個新的網(wǎng)絡(luò)以適應(yīng)400G的傳輸。這意味著400G必須適應(yīng)100G/40G或10G的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)規(guī)劃，以實(shí)現(xiàn)400G、100G/40G 的混合部署。

    1、400G LAN接口光模塊的技術(shù)分析

    400G LAN(局域網(wǎng))接口光模塊可能將繼續(xù)采用100G 以太網(wǎng)中獨(dú)有的并行傳輸方式。2011年2月，F(xiàn)inisar在"超越100GE"的研討會上提出了400 GE模塊標(biāo)準(zhǔn)建議，主要支持400 GE-LR16和400 GE-SR16兩種應(yīng)用。其中400 GE-LR16采用16×25 G LAN WDM (1330、1310、1290 和1270 nm 4個波道)來實(shí)現(xiàn)，而400 GE～SR16則采用了16×25 G多模光纖接口。此外在物理層定義了CAUI(附加單元接口)-16、CPPI(并行物理接口)-16電接口標(biāo)準(zhǔn)。16×25 G僅僅是100GE的線性擴(kuò)展，只要工藝達(dá)到要求就沒有其他技術(shù)難點(diǎn)。相比之下，光纖并行將有更多的發(fā)展空間，但需要密度更高的光子集成技術(shù)的支持才可以使400G商用成為可能。

    此外，F(xiàn)inisar還提出了400G LAN 應(yīng)用的其他可能方式：第1種是利用已商用化的4O G 的EML(電吸收調(diào)制激光器)技術(shù)組成10×40 G架構(gòu)；第2種是依靠提高EML技術(shù)，采用4電平幅度調(diào)制和DSP(數(shù)字信號處理)進(jìn)行色散補(bǔ)償?shù)?×50 G的構(gòu)架；第3種是4×100G的架構(gòu)，這種架構(gòu)必須采用復(fù)雜的幅度相位調(diào)制，如PM-QPSK(偏振復(fù)用-正交相移鍵控)，目前還沒有能夠商用化的技術(shù)演示。

　　NTT的研究報(bào)告也指出，在串行數(shù)據(jù)傳輸中，16×25 G、10×40G和8X 50 G這幾種架構(gòu)都有可能。對于50 G，調(diào)制方式也有基于MZ(馬赫-曾德)的DQPSK(差分正交相移鍵控)調(diào)制、或者OOK(開關(guān)鍵控)調(diào)制。每種架構(gòu)在體積、成本、功耗等方面都各有優(yōu)缺點(diǎn)。從目前的研究成果來看，DML(直接調(diào)制激光器)制作工藝簡單，功耗低，但是ER(消光比)很小。EML制作工藝復(fù)雜、功耗相對較大，但ER較大，可以獲得很清晰的眼圖。此外，基于InGaA1As的量子阱EAM(電吸收調(diào)制器)減小了由于價帶偏移造成的在調(diào)制過程中的空穴堆積，因此適合用做高速調(diào)制。圖1～ 圖3分別是NTT 在OFC 2011上展示的用于400 GE 的1300 nm、50 G EML的光譜，注入電流與出纖功率的關(guān)系以及傳輸10和40 km后的輸出眼圖。


對于400 GE系統(tǒng)而言，50 G 的OOK調(diào)制由于其整個發(fā)射端的體積優(yōu)勢，是一種比較好的折中選擇。在這種調(diào)制方式下，DML相比而言實(shí)現(xiàn)起來更加困難。因此可以預(yù)言，EML和8×50 G 的OOK調(diào)制在400 GE系統(tǒng)中前景看好。

　　2、400G長距離傳輸光模塊的技術(shù)分析

　　在ITU-T/IEEE的聯(lián)合研討會中，Alcatel-Iucent的報(bào)告中提出：OTU5的接口線速率將達(dá)到449．219 Gbit/s。隨著速率的提高，系統(tǒng)對OSNR(光信噪比)、CD(色度色散)、PMD(偏振模色散)和非線性的要求越來越高。400G信號的色散容限只有0.5 ps/nm，為100G的1/16。400G在OSNR上也遇到了挑戰(zhàn)，比100G高了6 dB。尤其采用高于現(xiàn)行的7%的FEC(前向糾錯)開銷后，可以實(shí)現(xiàn)更遠(yuǎn)距離的傳輸。目前討論得更多的是25% 的。400G在PMD方面比100G 遇到的挑戰(zhàn)更大，400G PMD容限只有0.25 ps，為100G的1/4。

　　2.1 激光器線寬的要求

　　隨著數(shù)字相干接收技術(shù)的發(fā)展，高階多電平調(diào)制格式由于其高頻譜效率的特點(diǎn)在DWDM 系統(tǒng)中越來越引人注目。發(fā)射機(jī)激光器和接收機(jī)本振光的相噪特性決定了系統(tǒng)的誤碼率性能。表1列出了在不同的調(diào)制格式下，400G 和100G對激光器線寬要求的比較。表中，△fTX表示發(fā)射機(jī)激光器線寬，△fLO表示接收機(jī)本振光線寬。


　　2.2 調(diào)制碼型與波道間隔特征

　　為了滿足400G在當(dāng)前DWDM 系統(tǒng)中傳輸?shù)囊�求，全面提升系統(tǒng)容量，對調(diào)制碼型最重要的要求是：能夠滿足SE(頻譜效率)和OSNR靈敏度的要求，并且有非常強(qiáng)的非線性容忍度。

　　單模光纖的理論容量為8 bit/s/Hz，在實(shí)際長距離傳輸?shù)脑O(shè)備和光纖中，上限為4 bit/s/Hz。在現(xiàn)代光通信系統(tǒng)中，載波調(diào)制格式對系統(tǒng)性能影響很大，為了達(dá)到與現(xiàn)網(wǎng)的10 G、40 G混合部署，實(shí)現(xiàn)80波50 GHz間隔，必須達(dá)到高SE，這可以通過采用單載波高階調(diào)制或者多載波傳輸來實(shí)現(xiàn)。對于448 G 的傳輸系統(tǒng)，考慮器件頻率漂移和R0ADM(可重構(gòu)光分插復(fù)用器)非理想特性，要求實(shí)際中必須采用45 G 的32QAM(正交幅度調(diào)制)調(diào)制或者28 G的PM(偏振復(fù)用)-256QAM。電域OFDM(正交頻分復(fù)用)也能夠取代單載波調(diào)制，兩者的DSP的復(fù)雜程度一樣，但是OFDM 由于循環(huán)前綴、前導(dǎo)符和訓(xùn)練符號開銷等額外信息，通常比相應(yīng)的單載波格式的SE要低。

　　為了盡量滿足50 GHz的DWDM 波道間隔，2010年的許多理論研究都是采用多電平幅度調(diào)制，即PM-256QAM，一共有65536個星座點(diǎn)，相比100G PM-QPSK而言，密度增加了8倍，并且對光噪聲和XPM(交叉相位調(diào)制)/SPM(自相位調(diào)制)非常敏感，傳輸距離非常短。從目前報(bào)道的單載波高速Q(mào)AM 的演示情況看來，短期內(nèi)在448 G傳輸中，無論是單載波PM～256QAM 還是電OFDM 的32QAM，都還無法實(shí)現(xiàn)商用化。

　　第1種放寬SE要求的解決方法：摒棄50 GHz WDM 間隔的硬性要求，如采用56 G PM一16QAM和靈活的70～80 GHz的WDM 間隔，SE為6～5 bit/s/Hz，并且需要有足夠多的ROADM 系統(tǒng)支持。數(shù)據(jù)中心用戶偏向于采用這種靈活的解決方案，而擁有大規(guī)模、多業(yè)務(wù)的網(wǎng)狀網(wǎng)的電信運(yùn)營商堅(jiān)持采用50 GHz的間隔標(biāo)準(zhǔn)。為了兼容50 GHz的邊界條件，可以采用逆復(fù)用448 G 信道成兩個224 G波長。28 G PM-I6QAM 的調(diào)制方式可達(dá)到4 bit/s/Hz凈SE，相比100G PM-QPSK，加倍增大了WDM 每根光纖的容量。另外，為了實(shí)現(xiàn)10G、40G/100G到400G的無縫升級部署，對WSS(波長選擇開關(guān))提出了可調(diào)帶寬的要求。

　　第2種解決方法：用32QAM 或者更高階調(diào)制的低速光子載波正交復(fù)用來代替單載波448 G信號。這種方法被稱為相干WDM 或者相干光OFDM。它與DWDM 逆復(fù)用性質(zhì)不同，因?yàn)樗�可以獲得與特定調(diào)制格式下單載波相同的SE以及相干接收的OSNR容忍度。一個448 G的發(fā)射機(jī)可以用10個單獨(dú)調(diào)制的正交光子載波。接收機(jī)可以分兩組(每5個為一組)探測接收。從上述討論看來，為了獲得最高可能的子載波速率，可以在電域上進(jìn)行處理，保持并行的光路數(shù)最小會是一個更實(shí)際且更經(jīng)濟(jì)的方案。表2列出了OFDM 與單載波在400G系統(tǒng)中的性能比較。


　　由于相比單載波極高的靈敏度和優(yōu)異的CD/PMD容忍度，多極化數(shù)字相干接收的CO(相干光)-OFDM 變得越來越有前景而開始受到業(yè)界的普遍關(guān)注。在對未來基于OFDM 調(diào)制的400G光模塊結(jié)構(gòu)的探索中，主要有3種架構(gòu)：基于FFT(快速傅里葉變換)的OOFDM (光正交頻分復(fù)用)、全光OFDM 和電光OFDM。

　　傳統(tǒng)的OOFDM 采用基于DSP/DAC的IFFT(快速傅里葉逆變換)的信號合成和FFT 的解調(diào)，CD和PMD容限可以通過插入的循環(huán)前綴或者保護(hù)間隔、訓(xùn)練符號獲得提升，但是這樣會造成10%或者20%的額外開銷，并且會增加線速率。尤其是在需要周期CD補(bǔ)償?shù)膫鬏斁�路中，基于DSP的多載波OFDM 的傳輸性能會受到光纖非線性特性的限制。利用硅基PLC(平面光波導(dǎo))和LN(鈮酸鋰)光波電路的混合集成技術(shù)，已經(jīng)可以制作雙載波的QPSK(正交相移鍵控)調(diào)制器來實(shí)現(xiàn)單偏振態(tài)100G的調(diào)制(25 G)以及雙偏振態(tài)111 G 調(diào)制(13．9 G)�？紤]到發(fā)射機(jī)的復(fù)雜度，不像傳統(tǒng)的基于DSP的OFDM，子載波的個數(shù)必須比較少(一般為2～4)，因?yàn)樽虞d波的數(shù)量較少可以有效降低PAPR。此外，發(fā)射端也不需要DSP和DAC。由于少量載波的使用，循環(huán)開銷會導(dǎo)致額外的開銷或者限制補(bǔ)償能力。因?yàn)�，我們需要在接收機(jī)采用基于CD/PMD補(bǔ)償?shù)木�性濾波器。

　　全光OFDM，必須插入GI(保護(hù)間隔)用以提高、CD和PMD容忍度，并且需要長的符號周期(很多子載波)用來抵消GI造成的開銷，因此提出了電光OFDM 的架構(gòu)來解決這一問題，電光OFDM 的架構(gòu)可以滿足更高速率的要求。表3列出了400G系統(tǒng)中各種不同調(diào)制碼型的性能比較。


　　綜上所述，由于采用了較少的子載波，全光OFDM 有以下兩個優(yōu)點(diǎn)：不需要發(fā)射端的DSP/DAC，具有相對較低的電、光復(fù)雜度；由于采用了較少的子載波，從而降低了信號的PAPR，在有CD補(bǔ)償或者低色散的光纖線路上，具有良好的非線性抑制能力。因此從成本、性能和實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度等來看，全光OFDM 調(diào)制技術(shù)(2SC-DP-16QAM 格式)和靈活的波道間隔更能吸引光模塊廠商的注意，它將在400G商用早期扮演重要的角色。

　　3、400G檢測技術(shù)

　　3.1 微光學(xué)及混合集成技術(shù)

　　由于400G系統(tǒng)采用了更高階的星座調(diào)制，在線路的接收端則需要更大量數(shù)字信號的解決方案。為了滿足>17dB的CMRR(共模抑制比)，混頻失配損耗必須在1%～2%之間，PD(光探測器)響應(yīng)度失配必須< 10%。平衡接收要求所有的PD 以及TIA(跨阻放大器)具有良好的匹配特性，兩PD之間的歪斜必須小。此外，多通道PD之間的歪斜和靈敏度的不平衡會降低接收機(jī)的CMRR。TIA也需要保持信號的良好線性度以實(shí)現(xiàn)ADC的純數(shù)字化。

　　對于相干探測而言，采用分立的自由空間的90°混頻器和光平衡探測器搭建相干接收系統(tǒng)，這種復(fù)雜的配置方法要實(shí)現(xiàn)商用化是很難的。從2009年的ECOC上，U2T 和HHI演示了單片集成的PLC 90°。混頻器和兩對高速平衡PD 的接收機(jī)，到2010年的ECOC上，U2T和HH1再度演示了單片集成的兩路PLC 90°�；祛l器和8個高速平衡PD的接收機(jī)。從近幾年100G傳輸技術(shù)的演進(jìn)和發(fā)展趨勢看來，400G線路接收技術(shù)也逐漸走向集成化。

　　集成的接收機(jī)多采用單片集成和自由空間光學(xué)器件，沒有一種方法能夠得到滿意的性能、可靠性以及低成本。對此，NTT 采用了硅基PLC技術(shù)將PBS(偏振分束器)和90°光混頻器集成為單片DPOH(雙極化光混頻器)。另外采用一個新的多通道準(zhǔn)直儀使DPOH和PD之間的耦合損耗更低，并且抑制溫度變化引起的耦合偏差。此外，NTT還研制出一種芯片級緊湊型高速光電轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)，并運(yùn)用這些技術(shù)制作出了集成相干接收機(jī)。微光學(xué)準(zhǔn)直技術(shù)使得基于PLC混合集成器件的PD靈敏度匹配以及溫度性能得到極大改善。

　　由于微電子是硅基平面工藝，光電子器件是立體工藝的。相比混合集成，PIC(光子集成電路)可以顯著減小光模塊的體積，節(jié)約封裝成本，并且平板連接可以使光程匹配和平衡變得容易，進(jìn)而有效地控制偏差，是未來的主流技術(shù)。目前Bell實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)對單片硅集成相干探測技術(shù)有所研究，但是還有很多技術(shù)難關(guān)有待突破。在400G早期，硅基PLC與自由空間光學(xué)器件混合集成還會是比較成熟的商用方案。

    3.2 分帶探測技術(shù)

　　數(shù)字相干接收技術(shù)在高速傳輸領(lǐng)域被普遍認(rèn)為是一種很有前景的技術(shù)，因?yàn)樗�可以提高系統(tǒng)的OSNR靈敏度，補(bǔ)償CD和PMD線路傳輸損傷。由于電速率的"瓶頸"，ADC的采樣率很長一段時間內(nèi)將被限制在100 GS/s以內(nèi)。為了有效地解決在400G甚至T bit/s信道傳輸中的這一問題，采用多載波調(diào)制格式是一種有效的方法。

　　采用波長無關(guān)探測，接收機(jī)硬件復(fù)雜度可通過探測多個載波分帶來降低，不僅可以不受ADC采樣率瓶頸的約束，而且可減輕DSP的負(fù)荷。圖4所示為光收發(fā)合一模塊的結(jié)構(gòu)框圖。


　　3.3 處理能力與功耗

　　目前在100G系統(tǒng)中，大部分光器件已達(dá)到可以商用的程度，但是在相干接收技術(shù)中，關(guān)鍵的ADC和DSP芯片量產(chǎn)商用的最大問題就是處理能力和功耗。盡管在2010年，Alcatel-Lucent已經(jīng)在112 G的長距離系統(tǒng)采用了70M+門的56 GS/s的ADC/DSP，但預(yù)測在400G系統(tǒng)中將面臨同樣的瓶頸。

　　現(xiàn)在更小工藝尺寸的CMOS(互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體)技術(shù)可以達(dá)到低功耗、高速高密度的結(jié)合，但是它是以更高的噪聲和更多的失配為代價的。最常用的解決方案是增加晶體管的尺寸(門長度或者寬度)，但是在這里不太現(xiàn)實(shí)，會引入額外的帶寬減小和帶來更大的功耗。然而小尺寸的晶體管意味著不僅在信號鏈路上，而且在時鐘鏈路上，S/H(采樣保持)和ADC電路都存在著失配�？梢酝ㄟ^單片校準(zhǔn)來減少失配引入的誤差。此外，采用全新的采樣/解復(fù)用架構(gòu)和實(shí)時的簡單的幅度、時序校準(zhǔn)，可以在不需要極短溝道晶體管的情況下滿足光模塊對線性度、噪聲以及帶寬的需求，并且ADC的功耗< 0.5W。

　　由于其低成本、高集成度以及低功耗，Si CMOS工藝目前已經(jīng)開始在一些應(yīng)用中取代III-V族元素的器件。在已經(jīng)商用部署的光傳輸系統(tǒng)產(chǎn)品中的信號處理單片ASIC(專用集成電路)芯片中已經(jīng)采用了現(xiàn)有的90或65 nm 的CMOS工藝，并且能滿足長距離光網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的性能與功耗要求。在未來采用40 nm或者更小尺寸的工藝設(shè)計(jì)中，將使其能在短距離和更高速的400G系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)商用。

　　4 結(jié)束語

　　400G長距離傳輸使光通信又進(jìn)人一個嶄新的時代，光通信正從單載波調(diào)制相干探測向偏振復(fù)用的多載波多電平相位調(diào)制和陣列相干探測轉(zhuǎn)變。光子集成和電子集成、ADC/DSP技術(shù)將是400G光通信模塊以及系統(tǒng)商用化的關(guān)鍵。隨著以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)化的迫切需求，光并行化的要求將對光子集成技術(shù)產(chǎn)生巨大的推動作用。在未來2～3年內(nèi)，400G 電光OFDM 相關(guān)的技術(shù)會逐漸成熟，雖然這些器件在成本和功耗方面離商用還有一定的距離，但是隨著這些技術(shù)逐漸走向成熟以及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的討論和制定，400G系統(tǒng)商用的序幕也即將拉開。

文章來源：移動Labs