由于FTTH（光纖到戶）的普及、智能手機(jī)日益增長的使用、第5代移動通信系統(tǒng)的高速發(fā)展促使光通信網(wǎng)絡(luò)的進(jìn)一步升級。當(dāng)前國內(nèi)100G DWDM系統(tǒng)波長資源即將耗盡，400G迫在眉睫，人們期待著頻譜效率更高的DWDM系統(tǒng)。

圖1、當(dāng)前國內(nèi)骨干網(wǎng)示意圖（來自張成良 《光網(wǎng)絡(luò)&光器件新技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用》）

近年來數(shù)字相干光傳輸系統(tǒng)被廣泛關(guān)注，易飛揚(yáng)（Gigalight）于去年深圳光博會上首次展出了100G CFP DCO相干光模塊，象征著公司在該領(lǐng)域的領(lǐng)先地位。當(dāng)前400G以太網(wǎng)傳輸?shù)臉?biāo)準(zhǔn)化正在進(jìn)行中——這為每通道超過100G的光傳輸技術(shù)提供了商業(yè)開發(fā)潛力。

用于數(shù)字相干光傳輸?shù)臄?shù)字信號處理技術(shù)發(fā)展趨勢主要如圖2所示。

圖2（來自國外網(wǎng)站）

相干光模塊使用相干檢測技術(shù)提高了接收靈敏度和頻譜效率，另外使用DSP（數(shù)字信號處理）的技術(shù)實現(xiàn)了由長距離光纖傳輸過程中累積的波長失真的補(bǔ)償。改進(jìn)現(xiàn)有的100G傳輸技術(shù)有兩種可能的方向：增強(qiáng)性能和降低功耗。高性能數(shù)字信號處理器（DSP）增加了傳輸容量和距離，但是卻在傳輸設(shè)備中消耗了大量功率——為了開發(fā)超過100G的相干光傳輸系統(tǒng)，除卻高質(zhì)量的激光器、光電探測器等，還需要實現(xiàn)高的頻譜利用率以及低功耗、高性能的數(shù)字信號處理功能。

1、數(shù)字相干光傳輸調(diào)制技術(shù)

數(shù)字相干光傳輸技術(shù)的原理如圖3所示。傳統(tǒng)光傳輸系統(tǒng)中最常用的調(diào)制方法是OOK，其中所用光信號中的0、1由開關(guān)狀態(tài)（強(qiáng)度調(diào)制）表示，并且光強(qiáng)度的變化需要用光電探測器來探測。當(dāng)OOK以100Gbit/s的速率應(yīng)用于傳輸?shù)臅r候，在光纖傳輸過程中的各種波形失真導(dǎo)致了信號傳輸質(zhì)量下降十分顯著，結(jié)果就是傳輸距離僅限于幾公里。

圖3（來自國外網(wǎng)站）

當(dāng)前應(yīng)用于100Gbit/s相干的主要調(diào)制方案是雙極化正交相移鍵控（DP-QPSK）。DP-QPSK調(diào)制具有四個不同相位的光信號，并且還使用X偏振波和Y偏振波來承載不同的信號。另外100G相干系統(tǒng)還使用相干檢測技術(shù)實現(xiàn)高靈敏度，本地振蕩器與接收的光信號產(chǎn)生拍頻用來檢測接收的光信號強(qiáng)度和相位信息。DP-QPSK的頻譜使用率是OOK的四倍，信號經(jīng)過諸如均衡等前端處理，進(jìn)入光混頻器與本地振蕩器產(chǎn)生的光信號進(jìn)行相干混合。并借助DSP在接收器處與相干探測結(jié)合用來補(bǔ)償由于色散引起的波形失真、偏振模色散（PMD）等，從而在不使用諸如色散補(bǔ)償光纖的情況下使得超過1000km的傳輸成為可能。

圖4

如果要進(jìn)一步增加光傳輸系統(tǒng)的容量——達(dá)到200G或者400G，則必須要使用更高的多級調(diào)制光信號，例如雙極化16級正交幅度調(diào)制（DP-16QAM）等。

圖5

不過需要注意的是，越是高級的調(diào)制技術(shù)對系統(tǒng)的要求越高，圖5體現(xiàn)了不同調(diào)制級數(shù)對傳輸距離的影響。

2、如何提升頻譜利用率？

為了增加每根光纖的傳輸容量，有必要提升頻譜利用率——實現(xiàn)此目標(biāo)的有效方式是增加光學(xué)幅度或者相位中調(diào)制級別的數(shù)量。但是正如上面所提及的，越是高級的調(diào)制技術(shù)對系統(tǒng)要求越高。如果增加了調(diào)制級數(shù)，光信噪比OSNR也需要增加；增加傳輸功率以提高OSNR的話，那么由光纖的非線性光學(xué)效應(yīng)引起的碼間干擾會大大增加，這又減少了可能的傳輸距離。因此如果我們要設(shè)計超過100G的相干光傳輸系統(tǒng)，我們需要結(jié)合非線性補(bǔ)償、自適應(yīng)調(diào)制/解調(diào)以及高編碼增益FEC（前向糾錯）等多種技術(shù)。

圖6、相干光模塊中的關(guān)鍵部分（來自Ciena OFC報告）

提高頻譜利用率的一種有效方法是減少WDM中相鄰信道之間的頻率間隔——這要求縮小光信號的頻譜，奈奎斯特濾波對此至關(guān)重要，因為它使得發(fā)射機(jī)處的DSP能夠縮小光信號頻譜同時最大限度地提升了信號質(zhì)量。目前商用系統(tǒng)最新標(biāo)準(zhǔn)中的頻率間隔是50GHz，若要減小到25GHz、12.5GHz，就需要傳輸信號通過帶寬更窄的光復(fù)用器和解復(fù)用器，由此帶來的相鄰信道干擾，對系統(tǒng)性能有很大影響。

圖7（來自《知否知否，什么是相干光通信》）

由圖7的左邊部分可以看到隨著信號速率的提高，光信號的頻譜也在變寬。當(dāng)符號率提升至40 GBaud甚至100 GBaud時，OOK（把一個幅度取為0，另一個幅度為非0，就是OOK，On-Off Keying，該調(diào)制方式的實現(xiàn)簡單），信號占用的帶寬變得大于50-GHz ITU信道的帶寬。從圖中可以看出，頻譜加寬的信道開始與它們的相鄰信道重疊，導(dǎo)致串?dāng)_的出現(xiàn)。

右邊部分給出了使用多種不同技術(shù)的組合如何提高頻譜效率的想法。 舉例來說，與NRZ-OOK調(diào)制格式相比，使用QPSK可以將符號利用率提升兩倍。這樣我們就使用一半的符號率傳輸同樣速率的數(shù)據(jù)，占用的光譜帶寬也減少了一半。然后通過上面我們說過的偏振復(fù)用PDM可以在同一個波長傳遞兩個并行偏振通道，相當(dāng)于提升兩倍頻譜效率。通過QPSK高階調(diào)制和PDM偏振復(fù)用技術(shù)，我們將單波長通道的光信號頻譜占用減小到了原來的四分之一。 最后再利用脈沖整形濾波器進(jìn)一步縮小占用頻譜之后，可以在50GHz帶寬的信道中傳輸112Gbps的數(shù)據(jù)。

當(dāng)前100G相干系統(tǒng)的建議頻率間隔為50GHz，相對于現(xiàn)網(wǎng)100G WDM系統(tǒng)，頻譜效率可提升100%。

3、DSP如何處理信號？

在數(shù)字相干光傳輸系統(tǒng)中，DSP執(zhí)行調(diào)制/解調(diào)和波形失真補(bǔ)償，所使用的數(shù)字相干光發(fā)射器/接收器功能配置如圖所示，在圖8中我們以200G相干傳輸系統(tǒng)為例。

圖8（來自國外網(wǎng)站）

在發(fā)送器中，成幀器將局域網(wǎng)（LAN）輸入的兩個100Gbit/s以太網(wǎng)（100GbE）信號轉(zhuǎn)換為兩個光傳輸網(wǎng)絡(luò)（OTN）幀格式（OTU4信號）并將其輸出到DSP。DSP執(zhí)行軟判決糾錯，然后將信號映射到四個通道（兩個正交相位（相位I（同相）和Q（正交））和兩個正交極化波（X和Y）），隨后添加用于幀同步組與信道估計的導(dǎo)頻信號，隨后應(yīng)用用于縮小光信號頻譜的數(shù)字濾波并進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換。最后信號被轉(zhuǎn)換成200Gbit/s DP-16QAM信號并發(fā)送至光傳輸系統(tǒng)（OTN）。

在接收器中，光接收器元件將接收的信號光與本地振蕩光混合以便進(jìn)行相干檢測操作，并將光轉(zhuǎn)換成如發(fā)射器中的四通道模擬信號。DSP將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，并補(bǔ)償光纖中色散和非線性效應(yīng)引起的波形失真。隨后執(zhí)行自適應(yīng)均衡實現(xiàn)偏振復(fù)用信號的解復(fù)用，并補(bǔ)償由于諸如PMD等因素引起的波形失真。傳輸路徑估計組件快速估計帶內(nèi)OSNR和色散參數(shù)，從而使信道選擇最佳補(bǔ)償方法，快速執(zhí)行信號恢復(fù)操作。整個功能控制元件可控制DSP內(nèi)不同功能塊的協(xié)調(diào)操作。解幀器將兩個OTU4信號轉(zhuǎn)換為兩個100GbE信號，并將其輸出到LAN。

小結(jié)：

相干光通信系統(tǒng)已成為當(dāng)前線路側(cè)100G系統(tǒng)的主要解決方案，在DCI等領(lǐng)域的需求驅(qū)動下，400G ZR產(chǎn)品即將推向市場。本文摘錄了相關(guān)論文，僅代表個人觀點，如有不當(dāng)之處，歡迎指正。

部分內(nèi)容引用自：

1、《知否知否，什么是相干光通信？（上）》

2、Yoshiaki Kisaka，Masahito Tomizawa，Yutaka Miyamoto ，“Digital Signal Processor（DSP） for Beyond 100G Optical Transport”

3、肖瀟等，“相干光通信實時信號處理”