400G光模塊技術(shù)

1、400G光模塊技術(shù)淺析隨著IEEE100Gbit/s（以下簡稱100G）以太網(wǎng)標準討論與制定工作的結(jié)束，全球主流廠商正在推動100G的全球部署，并把目光聚焦到400G甚至1Tbit/s系統(tǒng)上來。同40G/100G一樣，400G的部署應(yīng)該是漸進的方式。為了更有效地利用現(xiàn)有的DWDM（密集波分復(fù)用）線路資源，降低投資成本，運營商希望400G能在現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)上部署，而不是重新設(shè)計和建造一個新的網(wǎng)絡(luò)以適應(yīng)400G的傳輸。這意味著400G必須適應(yīng)100G/40G或10G的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計規(guī)劃，以實現(xiàn)400G、100G/40G的混合部署。1、400GLAN接口光模塊的技術(shù)分析400GLAN（局域網(wǎng)）接口光模塊可能將

2、繼續(xù)采用100G以太網(wǎng)中獨有的并行傳輸方式。2011年2月，F(xiàn)inisar在"超越100GE”的研討會上提出了400GE模塊標準建議，主要支持400GE-LR16和400GE-SR16兩種應(yīng)用。其中400GE-LR16采用16X25GLANWDM（1330、1310、1290和1270nm4個波道）來實現(xiàn)，而400GESR16則采用了16X25G多模光纖接口。此外在物理層定義了CAUI（附加單元接口）-16、CPPI（并行物理接口）-16電接口標準。16X25G僅僅是100GE的線性擴展，只要工藝達到要求就沒有其他技術(shù)難點。相比之下，光纖并行將有更多的發(fā)展空間，但需要密度更高的光子集

3、成技術(shù)的支持才可以使400G商用成為可能。此外，F(xiàn)inisar還提出了400GLAN應(yīng)用的其他可能方式：第1種是利用已商用化的4OG的EML（電吸收調(diào)制激光器）技術(shù)組成10X40G架構(gòu)；第2種是依靠提高EML技術(shù)，采用4電平幅度調(diào)制和DSP（數(shù)字信號處理）進行色散補償?shù)?X50G的構(gòu)架；第3種是4X100G的架構(gòu)，這種架構(gòu)必須采用復(fù)雜的幅度相位調(diào)制，如PM-QPSK（偏振復(fù)用-正交相移鍵控），目前還沒有能夠商用化的技術(shù)演示。NTT的研究報告也指出，在串行數(shù)據(jù)傳輸中，16X25G、10X40G和8X50G這幾種架構(gòu)都有可能。對于50G,調(diào)制方式也有基于MZ（馬赫-曾德）的DQPSK（差分正交相移

4、鍵控）調(diào)制、或者OOK（開關(guān)鍵控）調(diào)制。每種架構(gòu)在體積、成本、功耗等方面都各有優(yōu)缺點。從目前的研究成果來看，DML（直接調(diào)制激光器）制作工藝簡單，功耗低，但是ER（消光比）很小。EML制作工藝復(fù)雜、功耗相對較大，但ER較大，可以獲得很清晰的眼圖。此外，基于InGaA1As的量子阱EAM（電吸收調(diào)制器）減小了由于價帶偏移造成的在調(diào)制過程中的空穴堆積，因此適合用做高速調(diào)制。圖1圖3分別是NTT在OFC2011上展示的用于400GE的1300nm、50GEML的光譜，注入電流與出纖功率的關(guān)系以及傳輸10和40km后的輸出眼圖。7LS51.831.81.R-8.2129012951300I305I31

5、01315就4fc/run“82-6B.2圖1EML光洋電濡ZmA困2注入電流與出纖功率的關(guān)系巨士西10km40kmi圖善E0C的輸由瞑境對于400GE系統(tǒng)而言，50G的OOK調(diào)制由于其整個發(fā)射端的體積優(yōu)勢，是一種比較好的折中選擇。在這種調(diào)制方式下，DML相比而言實現(xiàn)起來更加困難。因此可以預(yù)言，EML和8X50G的OOK調(diào)制在400GE系統(tǒng)中前景看好。2、400G長距離傳輸光模塊的技術(shù)分析在ITU-T/IEEE的聯(lián)合研討會中，Alcatel-Iucent的報告中提出：OTU5的接口線速率將達到449.219Gbit/s。隨著速率的提高，系統(tǒng)對OSNR（光信噪比卜CD（色度色散卜PMD（偏振模色

6、散）和非線性的要求越來越高。400G信號的色散容限只有0.5ps/nm,為100G的1/16。400G在OSNR上也遇到了挑戰(zhàn)，比100G高了6dB。尤其采用高于現(xiàn)行的7%的FEC（前向糾錯）開銷后，可以實現(xiàn)更遠距離的傳輸。目前討論得更多的是25%的。400G在PMD方面比100G遇到的挑戰(zhàn)更大，400GPMD容限只有0.25ps,為100G的1/4。2.1 激光器線寬的要求隨著數(shù)字相干接收技術(shù)的發(fā)展，高階多電平調(diào)制格式由于其高頻譜效率的特點在DWDM系統(tǒng)中越來越引人注目。發(fā)射機激光器和接收機本振光的相噪特性決定了系統(tǒng)的誤碼率性能。表1列出了在不同的調(diào)制格式下，400G和100G對激光器線寬要

7、求的比較。表中，fTX表示發(fā)射機激光器線寬，fLO表示接收機本振光線寬。A1討。G和100G時激光器線寬奏求的比旅于截翻制地速摩2聿（用于1汨于格式/Gbit/s界1性較復(fù)）CD撲翟）DPQPSK2B占/2DF-16QAM2S0.單0.25八九1400G1DP1&QAM55也？5白/"37瓦也加0,判",4DP-Q1NK2&2.2 調(diào)制碼型與波道間隔特征為了滿足400G在當前DWDM系統(tǒng)中傳輸?shù)囊?，全面提升系統(tǒng)容量，對調(diào)制碼型最重要的要求是：能夠滿足SE（頻譜效率）和OSNR靈敏度的要求，并且有非常強的非線性容忍度。單模光纖的理論容量為8bit/s/Hz,

8、在實際長距離傳輸?shù)脑O(shè)備和光纖中，上限為4bit/s/Hz。在現(xiàn)代光通信系統(tǒng)中，載波調(diào)制格式對系統(tǒng)性能影響很大，為了達到與現(xiàn)網(wǎng)的10G、40G混合部署，實現(xiàn)80波50GHz間隔，必須達到高SE,這可以通過采用單載波高階調(diào)制或者多載波傳輸來實現(xiàn)。對于448G的傳輸系統(tǒng)，考慮器件頻率漂移和R0ADM（可重構(gòu)光分插復(fù)用器）非理想特性，要求實際中必須采用45G的32QAM（正交幅度調(diào)制）調(diào)制或者28G的PM（偏振復(fù)用）-256QAM。電域OFDM（正交頻分復(fù)用）也能夠取代單載波調(diào)制，兩者的DSP的復(fù)雜程度一樣，但是OFDM由于循環(huán)前綴、前導(dǎo)符和訓(xùn)練符號開銷等額外信息，通常比相應(yīng)的單載波格式的SE要低。為

9、了盡量滿足50GHz的DWDM波道間隔，2010年的許多理論研究都是采用多電平幅度調(diào)制，即PM-256QAM,一共有65536個星座點，相比100GPM-QPSK而言，密度增加了8倍，并且對光噪聲和XPM（交叉相位調(diào)制）/SPM（自相位調(diào)制）非常敏感，傳輸距離非常短。從目前報道的單載波高速Q(mào)AM的演示情況看來，短期內(nèi)在448G傳輸中，無論是單載波PM256QAM還是電OFDM的32QAM,都還無法實現(xiàn)商用化。第1種放寬SE要求的解決方法：摒棄50GHzWDM間隔的硬性要求，如采用56GPM-16QAM和靈活的7080GHz的WDM間隔，SE為65bit/s/Hz,并且需要有足夠多的ROADM系

10、統(tǒng)支持。數(shù)據(jù)中心用戶偏向于采用這種靈活的解決方案，而擁有大規(guī)模、多業(yè)務(wù)的網(wǎng)狀網(wǎng)的電信運營商堅持采用50GHz的間隔標準。為了兼容50GHz的邊界條件，可以采用逆復(fù)用448G信道成兩個224G波長。28GPM-I6QAM的調(diào)制方式可達到4bit/s/Hz凈SE,相比100GPM-QPSK,加倍增大了WDM每根光纖的容量。另外，為了實現(xiàn)10G、40G/100G到400G的無縫升級部署，對WSS（波長選擇開關(guān)）提出了可調(diào)帶寬的要求。第2種解決方法：用32QAM或者更高階調(diào)制的低速光子載波正交復(fù)用來代替單載波448G信號。這種方法被稱為相干WDM或者相干光OFDM。它與DWDM逆復(fù)用性質(zhì)不同，因為它可

11、以獲得與特定調(diào)制格式下單載波相同的SE以及相干接收的OSNR容忍度。一個448G的發(fā)射機可以用10個單獨調(diào)制的正交光子載波。接收機可以分兩組（每5個為一組）探測接收。從上述討論看來，為了獲得最高可能的子載波速率，可以在電域上進行處理，保持并行的光路數(shù)最小會是一個更實際且更經(jīng)濟的方案。表2列出了OFDM與單載波在400G系統(tǒng)中的性能比較。*2OFDM與單戰(zhàn)波在400G累統(tǒng)中的性能比較OSNR超性去真北統(tǒng)性.容忍度求相佳而H£羯序開剜（.除升FEC和蝴頭才能）硬件開帽笄行化_QFQM_-7時相宇國生出波干叔5好黃曲鄴前班而見拈頭期或均曲值）科曲（高PAFRC峰均比“坡嵬*100kHz用于

12、笥單官鶴的慍環(huán)希費，用于信號倍計的導(dǎo)穎符，用于相爭棒計的罌舔箱舟模轉(zhuǎn)發(fā)8H可選將+AIX7概數(shù)常換君）不明確單我戢_一市M穹蛻女聶元惠廠好£電手抽頭時域烤離鞋）好（無DCFM*物優(yōu)離一M,CD會造成PAPR±）此霓為1MHz非曾齷具柬.但是可以提高更.定性和性能AIX可密由于相比單載波極高的靈敏度和優(yōu)異的CD/PMD容忍度，多極化數(shù)字相干接收的CO（相干光）-OFDM變得越來越有前景而開始受到業(yè)界的普遍關(guān)注。在對未來基于OFDM調(diào)制的400G光模塊結(jié)構(gòu)的探索中，主要有3種架構(gòu)：基于FFT（快速傅里葉變換）的OOFDM（光正交頻分復(fù)用卜全光OFDM和電光OFDM。傳統(tǒng)的OOF

13、DM采用基于DSP/DAC的IFFT（快速傅里葉逆變換）的信號合成和FFT的解調(diào)，CD和PMD容限可以通過插入的循環(huán)前綴或者保護間隔、訓(xùn)練符號獲得提升，但是這樣會造成10%或者20%的額外開銷，并且會增加線速率。尤其是在需要周期CD補償?shù)膫鬏斁€路中，基于DSP的多載波OFDM的傳輸性能會受到光纖非線性特性的限制。利用硅基PLC（平面光波導(dǎo)）和LN（鋸酸鋰）光波電路的混合集成技術(shù)，已經(jīng)可以制作雙載波的QPSK（正交相移鍵控）調(diào)制器來實現(xiàn)單偏振態(tài)100G的調(diào)制（25G）以及雙偏振態(tài)111G調(diào)制（13.9G）?？紤]到發(fā)射機的復(fù)雜度，不像傳統(tǒng)的基于DSP的OFDM,子載波的個數(shù)必須比較少（一般為24）

14、,因為子載波的數(shù)量較少可以有效降低PAPR。此外，發(fā)射端也不需要DSP和DAC。由于少量載波的使用，循環(huán)開銷會導(dǎo)致額外的開銷或者限制補償能力。因為，我們需要在接收機采用基于CD/PMD補償?shù)木€性濾波器。全光OFDM,必須插入GI（保護間隔）用以提高、CD和PMD容忍度，并且需要長的符號周期（很多子載波）用來抵消GI造成的開銷，因此提出了電光OFDM的架構(gòu)來解決這一問題，電光OFDM的架構(gòu)可以滿足更高速率的要求。表3列出了400G系統(tǒng)中各種不同調(diào)制碼型的性能比較。疫3SOG系統(tǒng)中各種不同調(diào)制居型的性能比我調(diào)制格式青粉親膜詢敷率傳輸爰鼻電帶優(yōu)SC-DP-25&QAM28GbAud/3b/y

15、iribul50GHj想短中37GEaud/fib/symbol75GHi蚯商SC-DPTEQAMS&(Jlkaud/41vsytnhol7SGHi中很高W-DE-16QAVI23Gbaud/4L/symbol75GHa+商FC-DPQP&K2gGb占ud/2b/svinbtJ150GHz女綜上所述，由于采用了較少的子載波，全光OFDM有以下兩個優(yōu)點：不需要發(fā)射端的DSP/DAC,具有相對較低的電、光復(fù)雜度；由于采用了較少的子載波，從而降低了信號的PAPR,在有CD補償或者低色散的光纖線路上，具有良好的非線性抑制能力。因此從成本、性能和實現(xiàn)的復(fù)雜度等來看，全光OFDM調(diào)制技術(shù)（

16、2SC-DP-16QAM格式）和靈活的波道間隔更能吸引光模塊廠商的注意，它將在400G商用早期扮演重要的角色。3、400G檢測技術(shù)3.1 微光學(xué)及混合集成技術(shù)由于400G系統(tǒng)采用了更高階的星座調(diào)制，在線路的接收端則需要更大量數(shù)字信號的解決方案。為了滿足17dB的CMRR（共模抑制比），混頻失配損耗必須在1%2%之間，PD（光探測器）響應(yīng)度失配必須10%。平衡接收要求所有的PD以及TIA（跨阻放大器）具有良好的匹配特性，兩PD之間的歪斜必須小。此外，多通道PD之間的歪斜和靈敏度的不平衡會降低接收機的CMRR。TIA也需要保持信號的良好線性度以實現(xiàn)ADC的純數(shù)字化。對于相干探測而言，采用分立的自由

17、空間的90?；祛l器和光平衡探測器搭建相干接收系統(tǒng)，這種復(fù)雜的配置方法要實現(xiàn)商用化是很難的。從2009年的ECOC上，U2T和HHI演示了單片集成的PLC90°。混頻器和兩對高速平衡PD的接收機，至IJ2010年的ECOC上，U2T和HH1再度演示了單片集成的兩路PLC90°。混頻器和8個高速平衡PD的接收機。從近幾年100G傳輸技術(shù)的演進和發(fā)展趨勢看來，400G線路接收技術(shù)也逐漸走向集成化。集成的接收機多采用單片集成和自由空間光學(xué)器件，沒有一種方法能夠得到滿意的性能、可靠性以及低成本。對此，NTT采用了硅基PLC技術(shù)將PBS（偏振分束器）和90°光混頻器集成為單片

18、DPOH（雙極化光混頻器）。另外采用一個新的多通道準直儀使DPOH和PD之間的耦合損耗更低，并且抑制溫度變化引起的耦合偏差。此外，NTT還研制出一種芯片級緊湊型高速光電轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)，并運用這些技術(shù)制作出了集成相干接收機。微光學(xué)準直技術(shù)使得基于PLC混合集成器件的PD靈敏度匹配以及溫度性能得到極大改善。由于微電子是硅基平面工藝，光電子器件是立體工藝的。相比混合集成，PIC（光子集成電路）可以顯著減小光模塊的體積，節(jié)約封裝成本，并且平板連接可以使光程匹配和平衡變得容易，進而有效地控制偏差，是未來的主流技術(shù)。目前Bell實驗室已經(jīng)對單片硅集成相干探測技術(shù)有所研究，但是還有很多技術(shù)難關(guān)有待突破。在400

19、G早期，硅基PLC與自由空間光學(xué)器件混合集成還會是比較成熟的商用方案。3.2 分帶探測技術(shù)數(shù)字相干接收技術(shù)在高速傳輸領(lǐng)域被普遍認為是一種很有前景的技術(shù)，因為它可以提高系統(tǒng)的OSNR靈敏度，補償CD和PMD線路傳輸損傷。由于電速率的"瓶頸"，ADC的采樣率很長一段時間內(nèi)將被限制在100GS/s以內(nèi)。為了有效地解決在400G甚至Tbit/s信道傳輸中的這一問題，采用多載波調(diào)制格式是一種有效的方法。采用波長無關(guān)探測，接收機硬件復(fù)雜度可通過探測多個載波分帶來降低，不僅可以不受ADC采樣率瓶頸的約束，而且可減輕DSP的負荷。圖4所示為光收發(fā)合一模塊的結(jié)構(gòu)框圖。敷字相于ASIC控制圣書僵I11TC解碼0鵬400G的2SCDF-16QAM敝發(fā)合地構(gòu)棒一國3.3 處理能力與功耗目前在100G系統(tǒng)中，大部分光器件已達到可以商用的程度，但是在相干接收技術(shù)中，關(guān)鍵的ADC和DSP芯片量產(chǎn)商用的最大問題就是處理能力和功耗。盡管在2010年，Alcatel-Lucent已經(jīng)在112G的長距離系統(tǒng)采用了70M+門的56GS/s的ADC/DSP，但預(yù)測在400G系統(tǒng)中將面臨同樣的瓶頸。現(xiàn)在更小工藝尺寸的CMOS（互補金屬氧化物半導(dǎo)體）技術(shù)可以達到低功耗、高速高密度的