100G相干光通讯的关键技术和系统升级

洪进博士, Opnext Inc.
产品管理副总裁
美国加利福利亚州
jhong@opnext.com

摘要
     本文综合分析了100G相干光通讯的最新发展趋势, 尤其是其独特的非常适合于对现有长距离传输系统进行平滑无缝升级的一些主要和优越的性能, 以及其在密集波分系统（DWDM）向100G升级过程中和在组建全新100G网络中的广泛而重要的应用。
关键词-光通信;相干通信
I.导言
    40Gb/s 密集波分系统已经在世界各地运营商开始了相当规模的应用。40Gb/s 波分通道能够纳入现有的10Gb / s的DWDM传输系统中的一个关键是先进的调制技术的引进。调制格式如光双二进制（ODB），差分相移键控（DPSK），差分正交相移键控（DQPSK）和偏振复用正交相移键控（PM-QPSK）已都在运营商网络中得到了相当的部署。这些调制格式的共同特性是支持50GHz间隔的DWDM通道。最早期的40Gb / s的调制格式，无法支持50GHz的通道间距是它不能得到有效部署的主要原因。运营商部署高线路速率的主要动机是提高频谱效率，从而能最大限度地发挥现有的DWDM系统的容量。新一代的100Gb/s技术，可再提高频谱效率，以满足互联网和IPTV带宽的增长，预计将再次成为一个最重要的动力之一对于50GHz的通道间距的支持，是100Gb/s传输的一个关键要求。为便于网络规划，传输光信号透传过许多个可重构光分/插复用器（ROADM）节点的技术也是至关重要的，因为高速通道的传输，往往要通过这些大量的ROADM节点。其他主要的要求是色散（CD）和偏振模色散（PMD）容限的加强。
    为使长途传输系统能无缝升级到100Gb/s，以下是几个主要的要求： (1) 传输距离大于1,500公里, (2) 支持50GHz的通道间距, (3) 色散（CD）容限 ±700ps/nm, (4) 偏振模色散（PMD）容限10ps (DGD平均值), (5) 信号透传能力大于10 个50GHz间距ROADM 节点, (6) 信号透传能力大于24 个100GHz间距ROADM 节点, (7) 不改变现有的DWDM通用设备及系统, (8) 不影响业务的系统升级, (9) 不对现有的DWDM通道信号产生重大串扰代价, (10) 每通道功率 小于 +2dBm, (11) 全波段可调谐的ITU标准50GHz 间距。
    要能非常简单地满足10Gb/s 线路工程上CD和PMD的规则，这就是网络部署的基本要求。假如能增加光信号的色散容限，因而进一步消除光路中的色散补偿光纤，那整个系统就可以有额外地增加性能并减少传输延迟。
    满足上述所有的要求，对系统设计者是个重大挑战。具有相干检测功能的100G PM-QPSK调制模式就可以满足这些要求.
II.100 Gb/s PM-QPSK关键技术特性
A.光信噪比的灵敏度
    具有相干检测功能的PM-QPSK比二进制（OOK）提供了大约6dB的光信噪比的灵敏度改善，如图1所示。 100 Gb/s 的容量是10Gb/s 的10倍。 一个理想新的100Gb/s 的调制方案需要提供比10Gb /s OOK码型高10dB 的性能。虽然在实践中难以实现，部分的性能可以通过更高的编码增益前向纠错（FEC）来弥补[1, 2]。  根据是用软判决或硬判决，尤其是特殊算法的使用，加上开销多少选择，2 - 3dB的增益是可以实现的。其余的差额可以从10Gb/s OOK 线路设计上因为色散补偿上缺失所产生的传输代价，和线路上分配给偏振模色散代价来弥补。相干检测的关键优势是，光波相位信息可以传递到数字领域，因而可以利用强大的电子色散补偿（EDC）能力，使用非常低的代价清理信号的失真。因此，通过使用100Gb/s PM-QPSK与 EDC, 相干检测的技术可以获得6dB的改善（与直接检测OOK相比）; 利用高编码增益FEC可得2-3dB 的改善; 由于减少CD和PMD的传输代价, 再有1-2dB的改善。这样，总改善能达到9-11dB 使得100Gb/s PM-QPSK接近10Gb/s OOK系统光信噪比的灵敏度。 也就是说100Gb/s可以在应用上达到目前的10Gb / s系统传输距离.

图1:. 不同的调制模式同传统的10Gb / s OOK码的比较。除（相干）PM-QPSK外，所有模式都为直接检测。模拟计算使用一对3dB带宽为45GHz的2阶超高斯MUX/DEMUX（100G的OOK码，使用一对3dB带宽为65GHz的2阶超高斯MUX/DEMUX）。所有的模式都使用7％FEC开销。
B.光滤波容限
    10Gb/s OOK由于其低符号率, 它的频谱比DWDM系统中使用滤波器通道宽度更窄.  这让10Gb/s 通道透传多个级联ROADM时有极小传输代价. 这就是有良好光滤波容限. 为确保100Gb/s在ROADM是也有良好的光滤波容限, 最好的办法是使用一个足够低的符号率来减少信号谱宽。这里，与更高符号速率的调制格式相比，100Gb/s PM-QPSK（公称25Gbaud/s）有明显的优势。但是，进一步密集编码会导致星座每个符号位更相近, 而使光信噪比的灵敏度降低. 图2表明，100Gb/s PM-QPSK在滤波带宽低于30GHz只有极小的代价，明显优于直接检测PM-DQPSK和OOK格式。 这个优越的光滤波容限允许100Gb/s PM-QPSK部署在大量使用ROADM的网络上，这将在第三节讨论. 我们注意到，符号率降低，减轻CMOS芯片调制解调器设计的困难，并降低了对于光电元件的处理速度的要求。 另一方面，进一步降低符号速率（用较高，复杂的星座）会造成对接收端的信号和本地激光器线宽更严格的要求, 并降低对非线性相位噪声的容忍度。这是权衡选择调制格式时所要考虑的重要因素。

图 2: 不同100 Gb/s调制模式的滤波容限。除（相干）PM-QPSK外，所有模式都为直接检测。Bo是有效的光带宽。模拟计算使用2阶超高斯滤波器。光信噪比固定在17 dB*0.1nm。 7％FEC开销。
C.色散（CD）容限
    具有电子色散补偿（EDC）功能的调制解调器芯片，可不需外部可调谐色散补偿器.  芯片色散补偿的总量是决定于有限脉冲响应（FIR）自适滤波器的2个因素:　拍点（tap）数量和拍点延时量。10Gb/s DWDM的部署主要利用色散补偿光纤（DCF）以限制在残余的色散在10Gb / ｓ　OOK接收器容限内（通常是+/-400ps/nm）。在这个范围内100Gb/s PM-QPSK EDC是很容易做到的[3]，如图3所示。不过，运营商对减少网络延迟，提高那些对于延迟敏感的电信号的应用性能，如网络游戏和网络存储，有非常大的兴趣。基于这个原因，运营商想在下一代传输网络中去掉色散补偿光纤。这大大增加了对于色散容限的要求，尤其是对那些用非色散位移光纤（NDSF）建成的光纤链路。　这需求增加了EDC的复杂性，因而需要大量的拍点来满足这一要求，如图4所示[3]。结果是导致芯片门数大幅度增加，功耗加大，成品率降低 [4]。

图 3: 在不同均衡器拍点数下PM-QPSK接收机的CD代价。模拟计算使用一对3dB带宽为40GHz的2阶超高斯MUX/DEMUX。光信噪比是17dB*0.1nm。7％FEC开销。

图 4: 100G PM-QPSK接收机所需均衡器拍点数与CD和超取样的关系，据[3]。 7％FEC开销。
D. 偏振模色散（PMD）容限
    具有电子色散补偿（EDC）调制解调器芯片还可以用于PMD的补偿。 PMD补偿的拍点的数量相对较少，因为从PMD的脉冲能量失真仅会泄漏到邻近的时段 [3]，如图5。PMD补偿的一个关键是，必须要非常快地跟踪网络上高速偏振动态的变化 [5].  这同色散补偿是非常不一样的，那是因为色散的变化是比较静态的，变化量非常缓慢而且很少，通常是由光纤温度变化所引起的。

图 5:相干PM-QPSK接收机模拟的代价与DGD和均衡器的拍点数的关系。图中还表示了与DGD对应的二阶偏振模色散。模拟计算使用一对3dB带宽为40GHz的2阶超高斯MUX/DEMUX。光信噪比是17dB*0.1nm。7％FEC开销。
E. 光路由获取时间
    网络架构使用越来越多的ROADM，以方便在网络上迅速重新配置波长. 这对于由于光纤中断事件而导致的必需的业务恢复是特别的重要。恢复快，可以提高网络服务的质量。 40G 技术如DPSK和DQPSK调制使用直接检测因而必须依靠可调谐色散补偿器，以满足网络的色散要求。可调谐色散补偿器依靠热光学特性调整，优化时间上是在分钟量级. 因此，一个重新路由在网络中需要优化色散补偿器，业务中断时间有可能会有几分钟。相比之下，相干接收机利用色散补偿的电子信号处理，在毫秒级时间内即可优化，大大提升了网络的利用率和可靠性。
III. 100  Gb/s在级联ROADM系统中的性能
    在现代传输系统中，ROADM产品通常用来实现网络的快速重新配置。如果能在少量的代价下穿过大量ROADM，网络设计就可以大大简化。可以通过的ROADM数量取决于光滤波器的带宽和形状。现代ROADM通带的形状，因使用的技术而定，界于二到四阶超高斯函数。100G PM-QPSK调制信号对不同滤波器形状ROADM级联的容限，如图6所示。计算中做了如下的假设：每个滤波器的3dB带宽为45GHz，代价配置为0.5dBQ，信号速率为127Gb / s（100GE PCS 线编码，OTU4帧字节，和20％FEC开销）。结果表明， 在低代价的情况下，100G PM-QPSK 可以分别通过大于10，20和40次 2, 3, 和4阶超级高斯滤波器的ROADM的级联。另外，图6还显示了一个商用ROADM级联带宽的实测结果。仿真计算和实验的详细情况可在[6]找到。最近的实验也证明了，即使在高FEC开销（20％）的情况下， 100 Gb/s 相干PM-QPSK 在多个ROADM级联的信道上，仍有优越的性能。

图 6: 127Gb/ s PM-QPSK的模拟和实验数据，显示其对各种滤波器形状的ROADM级联的容限。ROAMD 3dB带宽为45GHz，且没有频率偏移。 图中显示了有效光学带宽同级联ROADM级联数的关系。垂直线表示了在0.5dB的Q代价限下，127Gb/s PM-QPSK 能支持的ROADM级联数。
    为了进一步说明的20％ FEC 开销的100G PM-QPSK对光滤波的容限，图7显示一个实时相干系统 [7] 对光滤波的容限。这些实验中用的滤波器形状近似二阶超级高斯函数。即使这样低阶的滤波器，该系统通过26GHz带宽只有 0.5dB的信噪比代价，通过29GHz带宽，信噪比代价更是微不足道。这些测量结果与图6所示的模拟结果一致，并清楚表明了这个调制格式对光滤波的稳定性。

图 7:实时的127Gb / s的PM-QPSK系统对光学滤波的容限的测试结果。滤波器形状近似二阶超级高斯函数。光信噪比为19dB*0.1nm。
IV. 总结
    本文介绍了如何开发100 Gb/s密集波分复用转发器，让其无缝地部署到现有的基于10Gb/s的DWDM线路系统。利用相干检测，电色散补偿和高编码增益FEC，100G PM-QPSK在性能上可与 10 Gb/s OOK 信号相比，且频谱效率提高十倍。以其超长途性能和极高的ROADM滤波容限，PM-QPSK转发器能很好而且广泛地满足运营商的性能要求。
参考文献

[1]I. Djordjevic et al.,  J. Lightw. Technol., vol. 23, no. 5, pp. 1939-1946, May 2005.
[2]M. Scholten et al., in Proc. ECOC, 2009, paper WS1-06.
[3]E. Ip et al., J. Lightw. Technol., vol. 25, no. 8, pp. 2033-2043, Aug. 2007.
[4]T. Schmidt et al., in Proc.IEEE-LEOS Summer Topicals, 2008, Paper ME2.2.
[5]M. Boroditsky et al., in Proc.IEEE-LEOS Annual Meeting, 2005, Paper TuCC1.
[6]B. Zhang et al., in Proc. OFC/NFOEC, Paper NTuC5.
[7]M. Birk et al., in Proc. OFC/NFOEC, 2010, paper PDPD1.