洪進博士, Opnext Inc.
產(chǎn)品管理副總裁
美國加利福利亞州
jhong@opnext.com

摘要
     本文綜合分析了100G相干光通訊的最新發(fā)展趨勢, 尤其是其獨特的非常適合于對現(xiàn)有長距離傳輸系統(tǒng)進行平滑無縫升級的一些主要和優(yōu)越的性能, 以及其在密集波分系統(tǒng)（DWDM）向100G升級過程中和在組建全新100G網(wǎng)絡中的廣泛而重要的應用。
關鍵詞-光通信;相干通信
I.導言
    40Gb/s 密集波分系統(tǒng)已經(jīng)在世界各地運營商開始了相當規(guī)模的應用。40Gb/s 波分通道能夠納入現(xiàn)有的10Gb / s的DWDM傳輸系統(tǒng)中的一個關鍵是先進的調(diào)制技術的引進。調(diào)制格式如光雙二進制（ODB），差分相移鍵控（DPSK），差分正交相移鍵控（DQPSK）和偏振復用正交相移鍵控（PM-QPSK）已都在運營商網(wǎng)絡中得到了相當?shù)牟渴�。這些調(diào)制格式的共同特性是支持50GHz間隔的DWDM通道。最早期的40Gb / s的調(diào)制格式，無法支持50GHz的通道間距是它不能得到有效部署的主要原因。運營商部署高線路速率的主要動機是提高頻譜效率，從而能最大限度地發(fā)揮現(xiàn)有的DWDM系統(tǒng)的容量。新一代的100Gb/s技術，可再提高頻譜效率，以滿足互聯(lián)網(wǎng)和IPTV帶寬的增長，預計將再次成為一個最重要的動力之一對于50GHz的通道間距的支持，是100Gb/s傳輸?shù)囊粋�關鍵要求。為便于網(wǎng)絡規(guī)劃，傳輸光信號透傳過許多個可重構(gòu)光分/插復用器（ROADM）節(jié)點的技術也是至關重要的，因為高速通道的傳輸，往往要通過這些大量的ROADM節(jié)點。其他主要的要求是色散（CD）和偏振模色散（PMD）容限的加強。
    為使長途傳輸系統(tǒng)能無縫升級到100Gb/s，以下是幾個主要的要求： (1) 傳輸距離大于1,500公里, (2) 支持50GHz的通道間距, (3) 色散（CD）容限 ±700ps/nm, (4) 偏振模色散（PMD）容限10ps (DGD平均值), (5) 信號透傳能力大于10 個50GHz間距ROADM 節(jié)點, (6) 信號透傳能力大于24 個100GHz間距ROADM 節(jié)點, (7) 不改變現(xiàn)有的DWDM通用設備及系統(tǒng), (8) 不影響業(yè)務的系統(tǒng)升級, (9) 不對現(xiàn)有的DWDM通道信號產(chǎn)生重大串擾代價, (10) 每通道功率 小于 +2dBm, (11) 全波段可調(diào)諧的ITU標準50GHz 間距。
    要能非常簡單地滿足10Gb/s 線路工程上CD和PMD的規(guī)則，這就是網(wǎng)絡部署的基本要求。假如能增加光信號的色散容限，因而進一步消除光路中的色散補償光纖，那整個系統(tǒng)就可以有額外地增加性能并減少傳輸延遲。
    滿足上述所有的要求，對系統(tǒng)設計者是個重大挑戰(zhàn)。具有相干檢測功能的100G PM-QPSK調(diào)制模式就可以滿足這些要求.
II.100 Gb/s PM-QPSK關鍵技術特性
A.光信噪比的靈敏度
    具有相干檢測功能的PM-QPSK比二進制（OOK）提供了大約6dB的光信噪比的靈敏度改善，如圖1所示。 100 Gb/s 的容量是10Gb/s 的10倍。 一個理想新的100Gb/s 的調(diào)制方案需要提供比10Gb /s OOK碼型高10dB 的性能。雖然在實踐中難以實現(xiàn)，部分的性能可以通過更高的編碼增益前向糾錯（FEC）來彌補[1, 2]。  根據(jù)是用軟判決或硬判決，尤其是特殊算法的使用，加上開銷多少選擇，2 - 3dB的增益是可以實現(xiàn)的。其余的差額可以從10Gb/s OOK 線路設計上因為色散補償上缺失所產(chǎn)生的傳輸代價，和線路上分配給偏振模色散代價來彌補。相干檢測的關鍵優(yōu)勢是，光波相位信息可以傳遞到數(shù)字領域，因而可以利用強大的電子色散補償（EDC）能力，使用非常低的代價清理信號的失真。因此，通過使用100Gb/s PM-QPSK與 EDC, 相干檢測的技術可以獲得6dB的改善（與直接檢測OOK相比）; 利用高編碼增益FEC可得2-3dB 的改善; 由于減少CD和PMD的傳輸代價, 再有1-2dB的改善。這樣，總改善能達到9-11dB 使得100Gb/s PM-QPSK接近10Gb/s OOK系統(tǒng)光信噪比的靈敏度。 也就是說100Gb/s可以在應用上達到目前的10Gb / s系統(tǒng)傳輸距離.

圖1:. 不同的調(diào)制模式同傳統(tǒng)的10Gb / s OOK碼的比較。除（相干）PM-QPSK外，所有模式都為直接檢測。模擬計算使用一對3dB帶寬為45GHz的2階超高斯MUX/DEMUX（100G的OOK碼，使用一對3dB帶寬為65GHz的2階超高斯MUX/DEMUX）。所有的模式都使用7％FEC開銷。
B.光濾波容限
    10Gb/s OOK由于其低符號率, 它的頻譜比DWDM系統(tǒng)中使用濾波器通道寬度更窄.  這讓10Gb/s 通道透傳多個級聯(lián)ROADM時有極小傳輸代價. 這就是有良好光濾波容限. 為確保100Gb/s在ROADM是也有良好的光濾波容限, 最好的辦法是使用一個足夠低的符號率來減少信號譜寬。這里，與更高符號速率的調(diào)制格式相比，100Gb/s PM-QPSK（公稱25Gbaud/s）有明顯的優(yōu)勢。但是，進一步密集編碼會導致星座每個符號位更相近, 而使光信噪比的靈敏度降低. 圖2表明，100Gb/s PM-QPSK在濾波帶寬低于30GHz只有極小的代價，明顯優(yōu)于直接檢測PM-DQPSK和OOK格式。 這個優(yōu)越的光濾波容限允許100Gb/s PM-QPSK部署在大量使用ROADM的網(wǎng)絡上，這將在第三節(jié)討論. 我們注意到，符號率降低，減輕CMOS芯片調(diào)制解調(diào)器設計的困難，并降低了對于光電元件的處理速度的要求。 另一方面，進一步降低符號速率（用較高，復雜的星座）會造成對接收端的信號和本地激光器線寬更嚴格的要求, 并降低對非線性相位噪聲的容忍度。這是權衡選擇調(diào)制格式時所要考慮的重要因素。

圖 2: 不同100 Gb/s調(diào)制模式的濾波容限。除（相干）PM-QPSK外，所有模式都為直接檢測。Bo是有效的光帶寬。模擬計算使用2階超高斯濾波器。光信噪比固定在17 dB*0.1nm。 7％FEC開銷。
C.色散（CD）容限
    具有電子色散補償（EDC）功能的調(diào)制解調(diào)器芯片，可不需外部可調(diào)諧色散補償器.  芯片色散補償?shù)目偭渴菦Q定于有限脈沖響應（FIR）自適濾波器的2個因素:　拍點（tap）數(shù)量和拍點延時量。10Gb/s DWDM的部署主要利用色散補償光纖（DCF）以限制在殘余的色散在10Gb / ｓ　OOK接收器容限內(nèi)（通常是+/-400ps/nm）。在這個范圍內(nèi)100Gb/s PM-QPSK EDC是很容易做到的[3]，如圖3所示。不過，運營商對減少網(wǎng)絡延遲，提高那些對于延遲敏感的電信號的應用性能，如網(wǎng)絡游戲和網(wǎng)絡存儲，有非常大的興趣。基于這個原因，運營商想在下一代傳輸網(wǎng)絡中去掉色散補償光纖。這大大增加了對于色散容限的要求，尤其是對那些用非色散位移光纖（NDSF）建成的光纖鏈路�！∵@需求增加了EDC的復雜性，因而需要大量的拍點來滿足這一要求，如圖4所示[3]。結(jié)果是導致芯片門數(shù)大幅度增加，功耗加大，成品率降低 [4]。

圖 3: 在不同均衡器拍點數(shù)下PM-QPSK接收機的CD代價。模擬計算使用一對3dB帶寬為40GHz的2階超高斯MUX/DEMUX。光信噪比是17dB*0.1nm。7％FEC開銷。

圖 4: 100G PM-QPSK接收機所需均衡器拍點數(shù)與CD和超取樣的關系，據(jù)[3]。 7％FEC開銷。
D. 偏振模色散（PMD）容限
    具有電子色散補償（EDC）調(diào)制解調(diào)器芯片還可以用于PMD的補償。 PMD補償?shù)呐狞c的數(shù)量相對較少，因為從PMD的脈沖能量失真僅會泄漏到鄰近的時段 [3]，如圖5。PMD補償?shù)囊粋�關鍵是，必須要非常快地跟蹤網(wǎng)絡上高速偏振動態(tài)的變化 [5].  這同色散補償是非常不一樣的，那是因為色散的變化是比較靜態(tài)的，變化量非常緩慢而且很少，通常是由光纖溫度變化所引起的。

圖 5:相干PM-QPSK接收機模擬的代價與DGD和均衡器的拍點數(shù)的關系。圖中還表示了與DGD對應的二階偏振模色散。模擬計算使用一對3dB帶寬為40GHz的2階超高斯MUX/DEMUX。光信噪比是17dB*0.1nm。7％FEC開銷。
E. 光路由獲取時間
    網(wǎng)絡架構(gòu)使用越來越多的ROADM，以方便在網(wǎng)絡上迅速重新配置波長. 這對于由于光纖中斷事件而導致的必需的業(yè)務恢復是特別的重要。恢復快，可以提高網(wǎng)絡服務的質(zhì)量。 40G 技術如DPSK和DQPSK調(diào)制使用直接檢測因而必須依靠可調(diào)諧色散補償器，以滿足網(wǎng)絡的色散要求�？烧{(diào)諧色散補償器依靠熱光學特性調(diào)整，優(yōu)化時間上是在分鐘量級. 因此，一個重新路由在網(wǎng)絡中需要優(yōu)化色散補償器，業(yè)務中斷時間有可能會有幾分鐘。相比之下，相干接收機利用色散補償?shù)碾娮有盘柼幚�，在毫秒級時間內(nèi)即可優(yōu)化，大大提升了網(wǎng)絡的利用率和可靠性。
III. 100  Gb/s在級聯(lián)ROADM系統(tǒng)中的性能
    在現(xiàn)代傳輸系統(tǒng)中，ROADM產(chǎn)品通常用來實現(xiàn)網(wǎng)絡的快速重新配置。如果能在少量的代價下穿過大量ROADM，網(wǎng)絡設計就可以大大簡化�？梢酝ㄟ^的ROADM數(shù)量取決于光濾波器的帶寬和形狀�，F(xiàn)代ROADM通帶的形狀，因使用的技術而定，界于二到四階超高斯函數(shù)。100G PM-QPSK調(diào)制信號對不同濾波器形狀ROADM級聯(lián)的容限，如圖6所示。計算中做了如下的假設：每個濾波器的3dB帶寬為45GHz，代價配置為0.5dBQ，信號速率為127Gb / s（100GE PCS 線編碼，OTU4幀字節(jié)，和20％FEC開銷）。結(jié)果表明， 在低代價的情況下，100G PM-QPSK 可以分別通過大于10，20和40次 2, 3, 和4階超級高斯濾波器的ROADM的級聯(lián)。另外，圖6還顯示了一個商用ROADM級聯(lián)帶寬的實測結(jié)果。仿真計算和實驗的詳細情況可在[6]找到。最近的實驗也證明了，即使在高FEC開銷（20％）的情況下， 100 Gb/s 相干PM-QPSK 在多個ROADM級聯(lián)的信道上，仍有優(yōu)越的性能。

圖 6: 127Gb/ s PM-QPSK的模擬和實驗數(shù)據(jù)，顯示其對各種濾波器形狀的ROADM級聯(lián)的容限。ROAMD 3dB帶寬為45GHz，且沒有頻率偏移。 圖中顯示了有效光學帶寬同級聯(lián)ROADM級聯(lián)數(shù)的關系。垂直線表示了在0.5dB的Q代價限下，127Gb/s PM-QPSK 能支持的ROADM級聯(lián)數(shù)。
    為了進一步說明的20％ FEC 開銷的100G PM-QPSK對光濾波的容限，圖7顯示一個實時相干系統(tǒng) [7] 對光濾波的容限。這些實驗中用的濾波器形狀近似二階超級高斯函數(shù)。即使這樣低階的濾波器，該系統(tǒng)通過26GHz帶寬只有 0.5dB的信噪比代價，通過29GHz帶寬，信噪比代價更是微不足道。這些測量結(jié)果與圖6所示的模擬結(jié)果一致，并清楚表明了這個調(diào)制格式對光濾波的穩(wěn)定性。

圖 7:實時的127Gb / s的PM-QPSK系統(tǒng)對光學濾波的容限的測試結(jié)果。濾波器形狀近似二階超級高斯函數(shù)。光信噪比為19dB*0.1nm。
IV. 總結(jié)
    本文介紹了如何開發(fā)100 Gb/s密集波分復用轉(zhuǎn)發(fā)器，讓其無縫地部署到現(xiàn)有的基于10Gb/s的DWDM線路系統(tǒng)。利用相干檢測，電色散補償和高編碼增益FEC，100G PM-QPSK在性能上可與 10 Gb/s OOK 信號相比，且頻譜效率提高十倍。以其超長途性能和極高的ROADM濾波容限，PM-QPSK轉(zhuǎn)發(fā)器能很好而且廣泛地滿足運營商的性能要求。
參考文獻

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