超高速光通信的新技术及应用

超高速光通信的新技术及应用

吕建新

2012-4-11 9:08:37 来源：《现代电信科技》 2011年第10期

摘要：文章介绍了40 Gbit/s、100Gbit/s及以上速率超高速光通信中将会用到的新技术，包括相位调制、正交幅度调制、多电平调制等新型调制技术；偏振复用和正交频分复用这两种新型复用技术；相干接收技术原理、优点和应用必要性；光子集成技术的应用和技术发展。最后介绍了这些新技术在400 Gbit/和1Tbit/s等超高速光通信上的应用。

关键词：相位调制，正交幅度调制，多电平调制，偏振复用，正交频分复用，相干接收，光子集成。

无线3G、高清视频、高速宽带上网和云计算等业务的需求推动了网络IP流量的快速增长，人们对通信带宽的需求也在不断增长，提高传输速率是提高传输带宽的一项重要技术。目前通信网大规模应用的最高单通道商用传输速率是40 Gbit/s，100 Gbit/s光传输也即将投入商用，400 Gbit/s和1 Tbit/s超高速光传输也正在如火如荼地进行中，国际上不断有新的传输记录产生，目前的传输试验已经达到了单光源32 Tbit/s光传输的传输记录。本文对40 Gbit/s，100 Gbit/s及以上速率的超高速光传输将会应用的新技术进行介绍，同时介绍烽火通信在超高速光通信方面的一些研究进展，最后对新技术的应用、发展作一个展望。

1 40GE/100GE以太网技术

40GE/100GE以太网是当前最大带宽、最高速率的以太网接口，2010年6月国际标准化组织IEEE 正式发布了40GE/100GE以太网标准IEEE 802.3ba。该标准已经明确了40G/100G以太网仍然使用802.3媒体访问控制(MAC)标准的以太网帧格式，保留了802.3标准的最小和最大帧长度，只支持全双工工作。

在物理层(PHY)实现方面，由于40GE/100GE速率高，40GE/100GE的物理媒质附属(PMA)子层和物理媒质依赖(PMD)子层与10GE相比有较大变化，其复杂度和规模要大得多。与10GE相比，

40GE/100GE的MAC与物理层的接口由原来的XGMII接口演变成XLGMI接口(40GE)和

CGMII(100GE)，XLGMII/CGMII接口容量由10 Gbit/s提高到40 Gbit/s和100 Gbit/s，数据通道位宽由32 bit增加到64 bit，同时PHY的层次结构上多了前向纠错(FEC)功能子层。

40GE/100GE的PMA层采用并行多通道处理方式，采用多通道分配(MLD)的架构。该架构在对MAC数据流进行物理编码子层(PCS)64B/66B编码后，按照66B块进行分发。40GE分发到4路VL 上，100GE分发到20路VL上。针对不同的物理通道数量，再对VL进行比特复用。例如，20路VL

通过2∶1比特复用器复用成10路物理通道，通过5∶1比特复用器复用成4路物理通道，如图1所示。

多通道并行处理方式在降低了高速数据处理难度的同时，也带来了多通道数据的对齐问题。对100GE来说，20路VL并行数据在经过不同的波长和线路的传输后的延时不尽相同，在接收端必须进行延时校正，数据对齐才能实现信号的重新装配和还原。IEEE 802.3ba规范中定义了一套多路延时校正机制：发送侧在经过加扰后的数据分配到20个VL的时候，为每路PCS VL每隔16 383个66比特块周期(即216μs发送一次同步对齐字节，约占0.006%带宽)，加上一个具有标示该路ID号和对齐功能的对

齐控制块。接收侧移去该对齐控制块，并根据该对齐控制块识别每路VL，实现20个VL的对齐，恢复数据的原来顺序。对齐码块不占用额外的带宽空间，采用删除IPG空间的方法获得。

在子层接口方面，40GE/100GE PMA与PMD子层之间接口为XLAUI/CAUI，即与40GE/100GE MAC/PCS层与光模块之间互连接口为XLAUI/CAUI，该接口为4×10 Gbit/s(对40GE)和10×10 Gbit/s(对100GE)，可允许约25 cm的PCB连接距离(包含一个接头)。

40GE/100GE PMD采用并行接口，40GE主要有4×10 Gbit/s，100GE主要有10×10 Gbit/s和4×25 Gbit/s两种并行接口，传输媒质有铜线、多模光纤、单模光线等。IEEE 802.3ba规范的40GE和100GE 接口主要有表1所示的几种。从表1可以看出，40GE主要定位于10 km以下的短距离互连，100GE定位于更长距离的应用。

100G以太网的实现，受到电路规模大和标准发布时间不长等因素影响，目前还未有商用芯片推出，不过已经有些厂家的交换芯片和包处理(PP)芯片规划了40GE/100GE接口，相信在不久的将来将会规模商用。

图1 40GE/100GE MLD架构

烽火通信科技股份有限公司在国家863课题——100GE光以太网关键技术研究与系统传输试验平台研制的支持下，对100G以太网关键技术及实现进行了深入研究，取得了较大进展，圆满完成了课题任务目标，即自主设计开发出了100G以太网成帧处理芯片，研制成功100GE光以太网设备样机，实现了符合IEEE 802.3ba标准的100GE以太网接口和功能，并与基于分组的包传送(PTN)设备一起进行了100GE业务组网试验。

2 新型调制技术

高速率光传输受到了光纤色度色散、偏振模色散(PMD)以及非线性效应的影响，传输距离受到严重限制。理论上，色散容限随着传输速率的平方而减少，40 Gbit/s系统色散容限只有10 Gbit/s系统的

1/16，100 Gbit/s系统色散容限只有10 Gbit/s系统的1/100。因此，为了实现40G/100G超高速光传输，必须降低系统对光信噪比(OSNR)以及色散容限的要求，克服非线性效应的影响。

从100G的应用来看，要使100 Gbit/s波分复用(WDM)光传输能够得到规模商用，必须满足以下条件：

达到10G/40G光传输已有的传输距离和频谱效率，支持50G/100G波长间隔，至少达到1 500 km传

输距离。

兼容现有光网络中已有的10G/40G波长业务，支持40G到100G的平滑升级，以及10G/40G/100G

多种速率的混传。

与网络中已有的设备能够混合组网－穿通光分插复用(OADM)、可重构的光分插复用(ROADM)滤波

器而不用减少其个数。

为了达到商用要求，必须克服光传输线路损伤的影响。目前有多种手段可用，如超强FEC技术、RAMAN放大技术、色散管理技术、新型调制编码技术等，其中采用新型调制码型是100 Gbit/s及以上速率超高速光传输最关键的技术手段。

调制编码技术有很多种，有基于强度调制的NRZ、DRZ、ODB和PSBT，基于相位调制的DPSK和DQPSK，以及结合偏振复用的调制技术DP-QPSK等。表2是各种编码技术的主要性能比较。

在这些性能指标中，OSNR是光信噪比，越大表示性能越好；能否支持50 GHz表示系统能传送的最大波数量，在不使用扩展C波段的前提下，支持50GHz表示系统最大可支持80波传送；

CD容限是色散容限，PMD容限是偏振膜色散容限，容限越大，表示不需要补偿的传送距离越远。

由表2的分析可见，没有一种技术能做到各方面都好，每种技术都有自己最合适的应用场景。

根据不同的场景选用合适的技术是当前阶段的最优选择。

在低速光传输系统中，光信号通常采用的是幅度调制，调制码型一般是非归零码(NRZ)和归零码(RZ)，该技术实现方式较为简单，成本低。40G及以上速率的光传输中，必须采用新型调制技术，如相位调制和正交幅度调制(QAM)以及基于以上两种调制的多电平调制技术等。

(1)相位调制