市場需求驅動
互聯(lián)網數據業(yè)務的爆炸式增長是高速波分傳輸發(fā)展的主要推動力，根據調研和預測，骨干網傳輸帶寬以每年50%以上的速度增長，目前骨干傳輸網要求支持100G傳輸的呼聲越來越強烈。100G波分傳輸的工程應用需求總結如下。
● 傳輸距離：長途骨干網要求傳輸距離至少達1000~1500 km，包含6個ROADM（可重構型光分插復用設備）；城域網要求包含20個ROADM；
● 傳輸容量：通道間隔為50GHz，與現有10G波分系統(tǒng)相同；
● 應用場景：可在現有光纖通信系統(tǒng)上進行升級，無需更換新型光纖或光放大器；
● 成本：100G波分系統(tǒng)相比10G在成本/速率/距離上應有優(yōu)勢；
● 功耗：100G波分系統(tǒng)相比10G在功耗/速率以及設備集成度上應有優(yōu)勢。
要完全實現以上需求，必須采用相干通信技術，加強系統(tǒng)消除傳輸損傷的能力。100G信號速率對目前電芯片來說仍然太高，可通過多電平調制、偏振復用、多波并行傳輸等技術組合將100Gbps信號速率降為25G波特率或更低。
標準及產業(yè)鏈現狀
為推動100G光通信產業(yè)鏈的發(fā)展，多個光通信國際標準組織積極制定100G相關標準，涵蓋100G器件、光模塊、OTN開銷處理、系統(tǒng)設備等領域。IEEE于2010年6月發(fā)布了40G/100G以太網接口標準802.3ba，由多個光模塊廠商組成的CFP多源協(xié)議聯(lián)盟也發(fā)布了客戶側可熱插拔光模塊硬件和軟件接口協(xié)議，為100G客戶側接口制定了接口規(guī)范；ITU-T 于2009年12月更新了OTN接口建議G.709，定義了支持100GE接入的OTU4幀結構及映射協(xié)議，規(guī)范了100G單板中成幀處理要求；OIF負責制定100G波分側光模塊電氣機械接口、軟件管理接口、集成式發(fā)射機和接收機組件、前向糾錯技術的協(xié)議規(guī)范，有力地推動了波分側接口設計標準化。
100G波分傳輸已從實驗室研究進入工程測試和初期應用階段。各大系統(tǒng)設備廠家客戶側100GE接口嚴格符合標準802.3ba規(guī)范的4路并行傳輸，波分側采用各具特色的傳輸技術。截至2010年7月，大部分光器件達到可商用程度，但相干接收技術中關鍵芯片ADC和DSP的量產商用還需一段時間。ADC和DSP是近年來阻礙100G波分傳輸商用的最大攔路石，目前有多個芯片廠家正在積極研發(fā)集成ADC和DSP功能的ASIC芯片。
中興通訊解決方案
中興通訊提供兩種解決方案，一種是實現簡單的“PDM-DQPSK+直接接收”解決方案，另一種是高性能的“PDM-DQPSK+相干接收”解決方案。
PDM-DQPSK+直接接收
發(fā)射單元采用PDM-DQPSK調制，接收單元采用直接接收技術。PDM-DQPSK即偏振復用-差分正交相移鍵控調制，激光通過偏振分束器分成2路正交偏振態(tài)光，每路進行DQPSK調制（DQPSK調制技術在40G波分傳輸系統(tǒng)中已成熟應用），然后再用偏振合束器合成一束光，傳輸速率為111.8Gbps。相位調制信號的直接接收即采用延遲干涉和平衡接收實現信號檢測，因輸入信號為2路偏振態(tài)信號，還需采用光學偏振跟蹤技術分離出2路偏振正交的DQPSK信號。
該方案中光學偏振跟蹤速度快，可滿足工程現場應用需求，通道間隔最小為50GHz。系統(tǒng)中仍需配置色散補償，PMD容限有限，OSNR（光信噪比）性能較差，屬于100G波分傳輸初期解決方案。
PDM-DQPSK+相干接收
發(fā)射單元采用PDM-DQPSK調制，接收單元采用相干接收技術，該方案符合OIF（光互聯(lián)論壇）100G接口規(guī)范，其功能框圖如圖1所示。
圖1 相干接收PDM-DQPSK原理框圖
發(fā)射單元為PDM-DQPSK調制，差分編碼解決相位模糊問題。
接收單元由本振激光、光電解調、ASIC芯片組成。本振激光采用大功率窄線寬可調諧激光器，雙路混頻器、4路光電轉換完成光電解調，實現任意偏振態(tài)、任意相位信號的相干接收，其中4路光電轉換采用雙PIN平衡接收，相比單PIN接收有更大的輸入光功率動態(tài)范圍。ASIC芯片集成ADC和DSP功能，消除傳輸損傷和恢復信號。采用CMOS技術的低功耗ASIC芯片，DSP算法類似軟件無線電技術，包括如下功能模塊：重采樣、色散補償、自適應濾波、頻率補償、相位恢復、SD-FEC解碼。
相干接收PDM-DQPSK可實現50GHz間隔波分復用，濾波特性好；OSNR性能好，目標傳輸距離達1500 km以上；DSP算法跟蹤速度快，可實現光層快速保護倒換；色散補償和偏振模塊色散補償均在接收機中完成，可降低系統(tǒng)整體配置成本，但如果配置光學色散補償，會加重系統(tǒng)非線性損傷。考慮到發(fā)射端可能重新定義幀格式以兼容SD-FEC，接收端DSP算法各有差異，因此很難實現波分側互聯(lián)互通。
其他解決方案
雖然“PDM-DQPSK+相干接收”是被業(yè)界認可的100G標準化解決方案，但有些設備制造商采用了其他解決方案。
（1）發(fā)射端采用雙波或3波DQPSK信號進行合波，子載波頻率間隔為50GHz，接收端采用光濾波器分離出2路或3路DQPSK信號，然后再采用延遲干涉和平衡接收實現信號檢測。該方案又叫反向復用技術，通道間隔最小為100GHz或150GHz，傳輸容量小，OSNR性能較差，屬于100G波分傳輸早期解決方案。
（2）發(fā)射端采用雙波相干接收PDM-DQPSK，其中子載波頻率間隔為20GHz，接收端間隔20GHz的兩個本振激光分別對輸入信號進行相干檢測，之后分別用低通電濾波器抑制另一子載波信號串擾，ADC采樣后再利用DSP算法消除傳輸損傷和恢復數據。該方案通道間隔最小為50GHz，OSNR性能好，雖然克服了當前ADC器件采樣速率瓶頸，但是器件較多，功耗較大，方案集成度較差，系統(tǒng)非線性性能相對較差。該方案最早實現100G波分傳輸工程應用。
（3）采用更多電平的高級調制碼型。例如PDM-64QAM，波特率為信號速率的1/12，此外OFDM研究也比較熱門，這類調制碼型均采用相干接收技術，但發(fā)射和接收實現相對較復雜，在現有器件技術水平下還不適合100G工程應用，目前仍處于實驗室研究階段，有可能應用于未來的400G波分傳輸。
以數字信號處理技術為核心的100G相干接收技術是光通信發(fā)展史上具有里程碑意義的革命性突破，其重要性不亞于推動波分復用系統(tǒng)大規(guī)模應用的摻鉺光纖放大器。隨著帶寬需求的持續(xù)增長和100G相干接收相關器件的成熟，尤其是100G所用光器件及芯片的小型化和低功耗趨勢，100G波分傳輸必將完全取代現有10G波分傳輸，并會擠壓40G波分傳輸的應用空間。