100G/200G相干光模块在城域网、核心网的应用

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      在光通信领域,更大的带宽、更长的传输距离、更高的接收灵敏度,永远都是科研者的追求目标。伴随着视频会议等通信技术的应用和互联网的普及产生的信息爆炸式增长,对作为整个通信系统基础的物理层提出了更高的传输性能要求。在强大的需求驱动下,大规模铺设的DWDM系统正逐渐耗尽其波长资源,通过压缩光脉冲提升时分复用(TDM)系统的效率也有很大的技术瓶颈。在这样的背景之下,似乎被遗忘了的相干系统又再一次引起了人们的注意。


       相干光通信的理论和实验始于80年代,相干光通信系统被公认为具有灵敏度高的优势,各国在相干光传输上做了大量研究;由于EDFA和WDM技术的发展,相干光通信的研究一度发展缓慢。然而随着时间的推移,很多问题的出现使得其再次受到广泛关注。在数字通信方面,如何扩大C波段放大器的容量,克服光纤色散效应的恶化,以及增加自由空间传输的容量和范围已成为科研工作者们的重要考虑因素;在模拟通信方面,灵敏度和动态范围是系统的关键参数;而这些都能通过相干光通信技术得到改善。与此同时,过去的三十年中,科研工作者在光器件方面取得了很大的进步,比如,激光器的输出功率,线宽,稳定性和噪声,以及光电探测器的带宽,功率容量和共模抑制比都得到了很大的改善,微波电子器件的性能也大幅提高。这些进步使得相干光通信系统商用化变为可能。


      在新的历史机遇下,易飞扬锐意进取,在相干光通信的研究领域中,自主研发了single Lambda CFP-DCO 100G相干光模块,使用DP-D/QPSK调制技术,满足全C波段ITU-T可调(50/100GHz),标准100GE接口(可定制OUT-4),符合CFP-MSA协议,方便用户直接接入现有设备;为数据中心互联(DCI),城域网应用定制研发,传输距离(~100Km),支持P2P和DWDM传输。采用硅光技术集成优化解决方案,满足低功耗应用(~22W)充分保证性能,可以根据应用场景提供可定制的系统解决方案。

      100G相干光模块属于100G DWDM长距离传输的技术研究领域,主要用于100G波分系统线路侧光传输,相比其它各种形式的线路侧光模块,由于具有良好的OSNR性能、灵敏度、色散容限、DGD容限,因此成为业界的普遍选择。其关键技术主要包括DP-QPSK调制技术、相干检测技术和DSP处理技术等,而系统性能的优劣主要体现在CD、PMD容限、ONSR和非线性效应上面。




       如图所示,易飞扬100G CFP-DCO城域网模块是一种可热插拔形式的CFP光收发器,主要应用于高速光网络的信息传输。该模块将10通道10Gbps的电数据流转化为出口的128G DP-QPSK光输出信号,也可以将128G DP-QPSK光输入信号转化为10通道的10Gbps输出信号。该光模块结构复杂,应用芯片较多,主要通过148pin接口与线卡相连。控制时钟电路需要为各个内部芯片提供通信接口时钟,主要时钟包括:MCU芯片的控制时钟、FPGA的输入时钟、DSP芯片通信接口时钟、MUX芯片通信接口时钟。另外,电路中的驱动可用于高达28G的电信号放大,ITLA是一个全C波段波长可调谐组件,用于出口处的光信号载波和对于入口中的相干接收,MZM用于出口中的EO转换,ICR用于入口中的OE转换,EDFA用于光放大,光信号格式为DP-QPSK。


      DP-QPSK是目前城域网、核心网的主流调制技术之一;相比于传统的直接探测系统,相干探测通过信号光与本振的拍频可以获得更多的信号信息。另外,借助高速数字信号处理技术(DSP),相干光通信可以将信号的重建和失真补偿放在系统接收端进行。相干探测与DSP技术相结合,清除了传统相干接收的障碍,可在电域补偿各种传输损伤,简化传输链路,降低传输成本;使高阶调制格式和偏振态复用成为可能,达到在原有时分复用/波分复用系统的基础上,进一步提升通信系统的总容量和传输距离的效果。


      与此同时,高阶调制格式的应用使得相干光通信相比于传统系统有更高的单波长通道频谱利用率。相干接收机对光纤信道没有特殊要求,因此相干光通信可以使用已经铺设好的光纤线路。借助于数字信号处理算法,相干接收机以极小的代价补偿由光纤色散、偏振模色散及载波相位噪声等引起的信号失真。


      总之,相干光通信系统是一种更为先进、复杂的光传输系统,适用于更长距离、更大容量的信息传输,对于技术的要求自然也十分苛刻。相干光通信正逐渐由实验室走向大规模商用,而基于DSP处理技术的相干光模块常常会遭遇到功耗大的难题;在接下来的几年内,易飞扬的工程师们将在已有的条件下,更进一步采用全新的硅光技术,研制出适用于200G乃至400G光传输网络的更低功耗的相干光通信模块,为迎接新一代的光通信网络建设做好准备。









参考资料:

王大伟,数字信号处理算法在相干光通信系统中的研究[D],浙江大学,2013年6月8日

K.Nordin, N.M.Z.Hashim, Coherent optical communication systems in digital signal processing[J],International Journal of Advanced Engineering Research and Technology,Volume 2 Issue 7,October 2014,ISSN No:2348-8190