作者：洪進(jìn)博士 IEEE高級(jí)會(huì)員 Opnext子系統(tǒng)事業(yè)部產(chǎn)品管理副總裁
    摘要: 
    隨著40Gb/s 密集波分光傳輸系統(tǒng)在運(yùn)營(yíng)商核心光網(wǎng)絡(luò)里的廣泛應(yīng)用，和相應(yīng)的100Gb/s產(chǎn)品在未來(lái)兩年內(nèi)有可能的即將來(lái)臨，基于標(biāo)準(zhǔn)化的密集波分光通訊模塊也贏得了光通訊業(yè)界的高度興趣和市場(chǎng)的廣泛接受.本文旨在討論和比較幾種不同類型的40Gb/s和100Gb/s密集波分光通訊模塊的發(fā)展?fàn)顟B(tài)及市場(chǎng)應(yīng)用。

1. 導(dǎo)言 
    為了緩解由于具有豐富的圖像內(nèi)容的以太網(wǎng)信息的快速增長(zhǎng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)容量的壓力，在過(guò)去的幾年里，部分一級(jí)運(yùn)營(yíng)商已經(jīng)在他們的骨干網(wǎng)絡(luò)中部署了大量的40G 密集波分光傳輸系統(tǒng)。
    40G 光系統(tǒng)之所以能得到廣泛應(yīng)用的主要原因有兩個(gè)：一是40G路由器之間的互連充分地提高了路由效率，另一個(gè)是經(jīng)濟(jì)有效的10G到40G波長(zhǎng)的匯聚大大提高了光傳輸系統(tǒng)的頻譜效率，有效地將現(xiàn)有的密集波分光傳輸系統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施的容量直接翻了四倍。 由于這兩點(diǎn)，更多的運(yùn)營(yíng)商最近也已經(jīng)開(kāi)始在他們的骨干網(wǎng)絡(luò)中部署40G光傳輸系統(tǒng)。此外，運(yùn)營(yíng)商 也開(kāi)始對(duì)在城域和區(qū)域網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部署40G表達(dá)了越來(lái)越多的興趣。因此，基于標(biāo)準(zhǔn)化的40G和100G密集波分光通訊模塊也贏得了光通訊系統(tǒng)供應(yīng)商們的廣泛興趣和高度重視。所以, 最近以來(lái)，光器件供應(yīng)商們一直在努力發(fā)展各種多源化通用模塊以滿足系統(tǒng)集成商針對(duì)不同的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用而有的需求。多源化通用模塊對(duì)系統(tǒng)集成商縮減開(kāi)發(fā)周期提供了方便；同時(shí)也為降低40G，100G核心光電器件成本提供了平臺(tái)。

2．40G和 100G通用光模塊 
    40G密集波分通用光模塊的市場(chǎng)迄今為止主要限于1000公里以上的核心長(zhǎng)途光網(wǎng)。因其較好的光信噪比和光非線性特性，差分相移鍵控 (DPSK) 調(diào)制編碼格式比較合適于這種應(yīng)用并成為供應(yīng)商們的主要選擇。為了滿足核心網(wǎng)絡(luò)的不同需求，幾種不同的差分相移鍵控模塊已投放市場(chǎng), 例如部分差分相移鍵控(P-DPSK) 和 自由光譜范圍(FSR) 可切換式差分相移鍵控模塊 (Switchable FSR DPSK)。不同模塊設(shè)計(jì)的主要的目的是對(duì)其在通路間隔為50GHz和100GHz的帶有不同類型和數(shù)目的的可重構(gòu)型光分插復(fù)用器(ROADM)的密集波分光傳輸系統(tǒng)中傳輸性能的優(yōu)化。最近，又有一種最新型的連續(xù)優(yōu)化差分相移鍵控模塊 (CO-DPSK) 投放市場(chǎng)，迅速受到了系統(tǒng)集成商的高度重視。 和其他的差分相移鍵控模塊相比，它能在各種各樣的光網(wǎng)絡(luò)級(jí)聯(lián)濾波的條件下提供實(shí)時(shí)和連續(xù)的傳輸性能的優(yōu)化。因此它不但能保持優(yōu)越的傳輸性能，而且還大大的簡(jiǎn)化了帶有可重構(gòu)型光分插復(fù)用器的光傳輸系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)管理。連續(xù)優(yōu)化差分相移鍵控模塊在運(yùn)行中的實(shí)時(shí)優(yōu)化過(guò)程不需要對(duì)光網(wǎng)絡(luò)的等效的濾波器形狀，級(jí)聯(lián)的濾波器的數(shù)量和光傳輸通道的有效帶寬有預(yù)先的了解。不僅如此，它還能對(duì)光傳輸通道上的殘余色散，群時(shí)延紋波和非線性效應(yīng)等所引起的信號(hào)失真進(jìn)行部分補(bǔ)償。下圖顯示了CO-DPSK 同幾個(gè)不同光譜范圍 (FSR) 的其它類型DPSK模塊性能的模擬和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的比較 (Bw表示基于二階高斯分布型 (SG2) 濾波器的光信道的有效帶寬;  Exp表示對(duì)于不同的FSR的實(shí)驗(yàn)結(jié)果; 縱軸表示在設(shè)定誤碼率的情況下所需的光信噪比)。由圖可見(jiàn), 當(dāng)正常的光傳輸通道的有效帶寬落在從25GHz到65GHz的范圍內(nèi),CO-DPSK的整體傳輸性能都比其他幾種不同的差分相移鍵控模塊有著顯著的優(yōu)越性。正因?yàn)槿绱耍�連續(xù)優(yōu)化差分相移鍵控模塊 (CO-DPSK) 被認(rèn)為是一種非常適用于長(zhǎng)途和區(qū)域網(wǎng)絡(luò)的通用模塊。一般來(lái)說(shuō), 在這些網(wǎng)絡(luò)中,傳輸光纖的質(zhì)量一般也比較好, 不大容易存在光纖偏振模式色散(PMD) 數(shù)值過(guò)大的問(wèn)題。
 
    

    當(dāng)傳輸光路中的偏振模式色散 (PMD）超過(guò)DPSK模塊的PMD容限閥值時(shí)，, 光偏振模式色散補(bǔ)償器模塊（PMDC）可以和連續(xù)優(yōu)化差分相移鍵控模塊共同使用,解決(PMD) 的問(wèn)題 。這種方式的最大好處是光偏振模式色散補(bǔ)償器模塊 (PMDC) 只需選擇性地部署在一小部分需要的光路上。對(duì)于長(zhǎng)途骨干網(wǎng)絡(luò)和一些大區(qū)域網(wǎng)絡(luò)來(lái)說(shuō), 傳輸光纖的偏振模式色散 (PMD)過(guò)高的光路較少。因此, 相對(duì)于其它較為復(fù)雜的調(diào)制模式, 這種方式可以有效地節(jié)省網(wǎng)絡(luò)終端的成本。最近，光偏振模式色散補(bǔ)償器已經(jīng)作為獨(dú)立可插拔子卡模塊進(jìn)入市場(chǎng)，從而為系統(tǒng)供應(yīng)商把它集成到線路卡上提供了很大的方便。這使得系統(tǒng)廠商能更廣泛和更快速在實(shí)際網(wǎng)絡(luò)中加以部署。事實(shí)上，北美的主要的一級(jí)運(yùn)營(yíng)商已開(kāi)始著手在長(zhǎng)途骨干網(wǎng)中部署光偏振模式色散補(bǔ)償器。 
    最近，歸零型差分四相相移鍵控 （RZ-DQPSK）模塊也引起了業(yè)界的高度關(guān)注。其原因是它具有比DPSK 更高的內(nèi)在的偏振模式色散的容限. 它的平均差分群時(shí)延（DGD）一般可達(dá)7 到 8皮秒 (7~8ps) 的范圍。這樣 RZ-DQPSK便可以在一些 城域型和部分區(qū)域型網(wǎng)絡(luò)中甚至在小部分長(zhǎng)途網(wǎng)絡(luò)中用于那些需要較高的PMD 容限的40G光纖線路。因?yàn)檫@些網(wǎng)絡(luò)中更有可能會(huì)有一些具有較高的偏振模式色散的光纖。但是RZ-DQPSK模塊現(xiàn)在的關(guān)鍵問(wèn)題之一是它的結(jié)構(gòu)，控制復(fù)雜, 制造成本因此相對(duì)地高。�？旃�應(yīng)商們正在從多方面進(jìn)行努力, 試圖引入更多的光學(xué)和電子集成 ，從而迅速降低模塊的成本。但是, 這可能需要一段時(shí)間業(yè)界的共同努力。 預(yù)計(jì)RZ-DQPSK模塊將可能開(kāi)始在2010年底左右在運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)中得到一定數(shù)量的部署。
    然而，當(dāng)在網(wǎng)絡(luò)中光纖偏振模色散系數(shù)很大或光纖傳輸距離相當(dāng)長(zhǎng)的的情況下, RZ-DQPSK本身仍不足以解決偏振模色散的問(wèn)題。在這種情況下， 40G相干偏振復(fù)用四相相移鍵控相干模塊 (Coherent PM-QPSK) 便可以填補(bǔ)這方面的差距從而發(fā)揮非常重要的作用。40G PM-QPSK模塊不僅可以提供高達(dá)30皮秒的平均差分群時(shí)延容限, 而且可以提供大范圍的光纖色散補(bǔ)償, 同時(shí)還具有2 到3dB 的背靠背光信噪比性能 (OSNR) 的提高。 因此它可以涵蓋運(yùn)營(yíng)商在大多數(shù)的城域，區(qū)域和長(zhǎng)途網(wǎng)絡(luò)中的需求和應(yīng)用。PM-QPSK可以支持無(wú)色散補(bǔ)償?shù)拈L(zhǎng)途傳輸，簡(jiǎn)化光放大器的結(jié)構(gòu)，減少噪聲, 進(jìn)一步降低網(wǎng)絡(luò)的成本。當(dāng)然，運(yùn)營(yíng)商最終選用哪一種模塊,要由運(yùn)營(yíng)商的網(wǎng)絡(luò)需求, 部署的時(shí)間要求, 以及它的成本, 性能和供應(yīng)商的穩(wěn)定性, 等諸多因素決定。預(yù)計(jì)低成本的40G相干偏振復(fù)用四相相移鍵控通用模塊也將可能開(kāi)始在2010年底左右在運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)中得到小數(shù)量的部署。
    隨著40Gb/s的大規(guī)模部署的開(kāi)始，業(yè)界又涌現(xiàn)出多種新型的100G/s調(diào)制編碼格式。面對(duì)眾多特征各異的傳輸碼型，在綜合考慮其他系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)的基礎(chǔ)上，業(yè)界主要要從傳輸距離、通路間隔、與40Gb/s 和10Gb/s系統(tǒng)的兼容性、模塊成本與傳輸性能的平衡等方面進(jìn)行綜合選擇。通過(guò)業(yè)界一兩年來(lái)對(duì)于100Gb/s模塊的緊鑼密鼓的研究和開(kāi)發(fā), 100G/s 的偏振復(fù)用四相相移鍵控相干模塊 (Coherent PM-QPSK) 正在變成業(yè)界的主要選擇。下圖顯示100G PM-QPSK和其他幾種100G調(diào)制格式對(duì)光學(xué)濾波效應(yīng)的容忍度.如圖所示 , 相比于其他各種形式的調(diào)制格式，100G PM-QPSK相干調(diào)制 (帶有空心圓點(diǎn)的曲線) 有著其特別和顯著的優(yōu)越性 (50RZ 表示50%歸零碼型; DPSK 表示非相干差分相移鍵控; Bo表示光信道有效帶寬)。像40G PM-QPSK 一樣, 100G PM-QPSK模塊不僅可以提供高達(dá)30皮秒的平均差分群時(shí)延容限, 而且可以提供大范圍的光纖色散補(bǔ)償, 和直接的非相干檢測(cè)模塊相比, 它同時(shí)還具有源于相干檢測(cè)的2dB 到3dB 的背靠背光信噪比性能 (OSNR) 的提高。 因此它可以涵蓋運(yùn)營(yíng)商在絕大多數(shù)的城域，區(qū)域, 長(zhǎng)途 和超長(zhǎng)途網(wǎng)絡(luò)中的需求和應(yīng)用。100G PM-QPSK還可以支持無(wú)色散補(bǔ)償?shù)某�長(zhǎng)途傳輸, 進(jìn)一步大幅度地降低網(wǎng)絡(luò)的成本。在加上業(yè)界近來(lái)涌現(xiàn)出來(lái)的軟判決型前向糾錯(cuò)技術(shù) (SD-FEC) 和其實(shí)現(xiàn)方法的日趨成熟, 又有可能進(jìn)一步大幅度地提高100G PM-QPSK 相干模塊的傳輸性能, 使得它能在實(shí)際的超長(zhǎng)途傳輸范圍內(nèi)盡量減少中繼, 甚至可以直接用于跨洋海底光纜的光信道的傳輸, 從而使得 100G PM-QPSK 模塊具有非常優(yōu)越的整體性能, 十分廣泛的應(yīng)用市場(chǎng)和長(zhǎng)期的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

    

    在100G PM-QPSK模塊的開(kāi)發(fā)過(guò)程中, 業(yè)界同時(shí)又吸取了過(guò)去在40G開(kāi)發(fā)上缺乏整體投資和產(chǎn)品過(guò)于分散在多種調(diào)制格式上的教訓(xùn)，并已經(jīng)通過(guò)OIF (Optical Internetworking Forum) 國(guó)際組織和其它產(chǎn)業(yè)論壇, 主動(dòng)開(kāi)始了對(duì)于100G調(diào)制格式, 所需的光電元器件整體集成和通用模塊本身所進(jìn)行的標(biāo)準(zhǔn)化和多源化過(guò)程, 從而使業(yè)界各方專注于共認(rèn)的調(diào)制格式和共同發(fā)展基于多源協(xié)議的集成型標(biāo)準(zhǔn)化光電模塊。 這樣做的主要目的就是要降低產(chǎn)業(yè)投資和模塊成本, 及早地將這種100G的模塊投放市場(chǎng), 從而使它不僅從性能上而且從成本上成為最適合于絕大多數(shù)運(yùn)營(yíng)商們?cè)诓渴鹣乱淮�高速率和大容量的光網(wǎng)絡(luò)的主要選擇。

3. 綜述與展望
    由于具有豐富視頻內(nèi)容的互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的爆炸性的增長(zhǎng)和40GbE低成本光端口可能會(huì)在兩三年之內(nèi)的到來(lái), 40G在未來(lái)幾年內(nèi)預(yù)計(jì)將會(huì)繼續(xù)得到廣泛的部署。同時(shí), 在未來(lái)兩三年內(nèi), 100G也會(huì)在部分一級(jí)運(yùn)營(yíng)商的長(zhǎng)途骨干網(wǎng)絡(luò)中得到一些小批量的試用和部署。預(yù)計(jì)在未來(lái)的三至五年中，甚至?xí)�在未�?lái)更長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi), 40G和100G將在運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)中得到同時(shí)發(fā)展并得以共同存在。正是如此, 40G 和100G 的多源化標(biāo)準(zhǔn)式模塊現(xiàn)在已被認(rèn)為是下一代高速率和大容量的光網(wǎng)絡(luò)的核心技術(shù)和關(guān)鍵部件, 因而受到了業(yè)界廣泛和高度的重視。