40G 和100G 光通信模块的发展和应用

作者：洪进博士 IEEE高级会员 Opnext子系统事业部产品管理副总裁
    摘要: 
    随着40Gb/s 密集波分光传输系统在运营商核心光网络里的广泛应用，和相应的100Gb/s产品在未来两年内有可能的即将来临，基于标准化的密集波分光通讯模块也赢得了光通讯业界的高度兴趣和市场的广泛接受.本文旨在讨论和比较几种不同类型的40Gb/s和100Gb/s密集波分光通讯模块的发展状态及市场应用。

1. 导言 
    为了缓解由于具有丰富的图像内容的以太网信息的快速增长对网络容量的压力，在过去的几年里，部分一级运营商已经在他们的骨干网络中部署了大量的40G 密集波分光传输系统。
    40G 光系统之所以能得到广泛应用的主要原因有两个：一是40G路由器之间的互连充分地提高了路由效率，另一个是经济有效的10G到40G波长的汇聚大大提高了光传输系统的频谱效率，有效地将现有的密集波分光传输系统基础设施的容量直接翻了四倍。 由于这两点，更多的运营商最近也已经开始在他们的骨干网络中部署40G光传输系统。此外，运营商 也开始对在城域和区域网络内部署40G表达了越来越多的兴趣。因此，基于标准化的40G和100G密集波分光通讯模块也赢得了光通讯系统供应商们的广泛兴趣和高度重视。所以, 最近以来，光器件供应商们一直在努力发展各种多源化通用模块以满足系统集成商针对不同的网络应用而有的需求。多源化通用模块对系统集成商缩减开发周期提供了方便；同时也为降低40G，100G核心光电器件成本提供了平台。

2．40G和 100G通用光模块 
    40G密集波分通用光模块的市场迄今为止主要限于1000公里以上的核心长途光网。因其较好的光信噪比和光非线性特性，差分相移键控 (DPSK) 调制编码格式比较合适于这种应用并成为供应商们的主要选择。为了满足核心网络的不同需求，几种不同的差分相移键控模块已投放市场, 例如部分差分相移键控(P-DPSK) 和 自由光谱范围(FSR) 可切换式差分相移键控模块 (Switchable FSR DPSK)。不同模块设计的主要的目的是对其在通路间隔为50GHz和100GHz的带有不同类型和数目的的可重构型光分插复用器(ROADM)的密集波分光传输系统中传输性能的优化。最近，又有一种最新型的连续优化差分相移键控模块 (CO-DPSK) 投放市场，迅速受到了系统集成商的高度重视。 和其他的差分相移键控模块相比，它能在各种各样的光网络级联滤波的条件下提供实时和连续的传输性能的优化。因此它不但能保持优越的传输性能，而且还大大的简化了带有可重构型光分插复用器的光传输系统的网络管理。连续优化差分相移键控模块在运行中的实时优化过程不需要对光网络的等效的滤波器形状，级联的滤波器的数量和光传输通道的有效带宽有预先的了解。不仅如此，它还能对光传输通道上的残余色散，群时延纹波和非线性效应等所引起的信号失真进行部分补偿。下图显示了CO-DPSK 同几个不同光谱范围 (FSR) 的其它类型DPSK模块性能的模拟和实验结果的比较 (Bw表示基于二阶高斯分布型 (SG2) 滤波器的光信道的有效带宽;  Exp表示对于不同的FSR的实验结果; 纵轴表示在设定误码率的情况下所需的光信噪比)。由图可见, 当正常的光传输通道的有效带宽落在从25GHz到65GHz的范围内,CO-DPSK的整体传输性能都比其他几种不同的差分相移键控模块有着显著的优越性。正因为如此，连续优化差分相移键控模块 (CO-DPSK) 被认为是一种非常适用于长途和区域网络的通用模块。一般来说, 在这些网络中,传输光纤的质量一般也比较好, 不大容易存在光纤偏振模式色散(PMD) 数值过大的问题。
 
    

    当传输光路中的偏振模式色散 (PMD）超过DPSK模块的PMD容限阀值时，, 光偏振模式色散补偿器模块（PMDC）可以和连续优化差分相移键控模块共同使用,解决(PMD) 的问题 。这种方式的最大好处是光偏振模式色散补偿器模块 (PMDC) 只需选择性地部署在一小部分需要的光路上。对于长途骨干网络和一些大区域网络来说, 传输光纤的偏振模式色散 (PMD)过高的光路较少。因此, 相对于其它较为复杂的调制模式, 这种方式可以有效地节省网络终端的成本。最近，光偏振模式色散补偿器已经作为独立可插拔子卡模块进入市场，从而为系统供应商把它集成到线路卡上提供了很大的方便。这使得系统厂商能更广泛和更快速在实际网络中加以部署。事实上，北美的主要的一级运营商已开始着手在长途骨干网中部署光偏振模式色散补偿器。 
    最近，归零型差分四相相移键控 （RZ-DQPSK）模块也引起了业界的高度关注。其原因是它具有比DPSK 更高的内在的偏振模式色散的容限. 它的平均差分群时延（DGD）一般可达7 到 8皮秒 (7~8ps) 的范围。这样 RZ-DQPSK便可以在一些 城域型和部分区域型网络中甚至在小部分长途网络中用于那些需要较高的PMD 容限的40G光纤线路。因为这些网络中更有可能会有一些具有较高的偏振模式色散的光纤。但是RZ-DQPSK模块现在的关键问题之一是它的结构，控制复杂, 制造成本因此相对地高。模快供应商们正在从多方面进行努力, 试图引入更多的光学和电子集成 ，从而迅速降低模块的成本。但是, 这可能需要一段时间业界的共同努力。 预计RZ-DQPSK模块将可能开始在2010年底左右在运营商网络中得到一定数量的部署。
    然而，当在网络中光纤偏振模色散系数很大或光纤传输距离相当长的的情况下, RZ-DQPSK本身仍不足以解决偏振模色散的问题。在这种情况下， 40G相干偏振复用四相相移键控相干模块 (Coherent PM-QPSK) 便可以填补这方面的差距从而发挥非常重要的作用。40G PM-QPSK模块不仅可以提供高达30皮秒的平均差分群时延容限, 而且可以提供大范围的光纤色散补偿, 同时还具有2 到3dB 的背靠背光信噪比性能 (OSNR) 的提高。 因此它可以涵盖运营商在大多数的城域，区域和长途网络中的需求和应用。PM-QPSK可以支持无色散补偿的长途传输，简化光放大器的结构，减少噪声, 进一步降低网络的成本。当然，运营商最终选用哪一种模块,要由运营商的网络需求, 部署的时间要求, 以及它的成本, 性能和供应商的稳定性, 等诸多因素决定。预计低成本的40G相干偏振复用四相相移键控通用模块也将可能开始在2010年底左右在运营商网络中得到小数量的部署。
    随着40Gb/s的大规模部署的开始，业界又涌现出多种新型的100G/s调制编码格式。面对众多特征各异的传输码型，在综合考虑其他系统设计参数的基础上，业界主要要从传输距离、通路间隔、与40Gb/s 和10Gb/s系统的兼容性、模块成本与传输性能的平衡等方面进行综合选择。通过业界一两年来对于100Gb/s模块的紧锣密鼓的研究和开发, 100G/s 的偏振复用四相相移键控相干模块 (Coherent PM-QPSK) 正在变成业界的主要选择。下图显示100G PM-QPSK和其他几种100G调制格式对光学滤波效应的容忍度.如图所示 , 相比于其他各种形式的调制格式，100G PM-QPSK相干调制 (带有空心圆点的曲线) 有着其特别和显著的优越性 (50RZ 表示50%归零码型; DPSK 表示非相干差分相移键控; Bo表示光信道有效带宽)。像40G PM-QPSK 一样, 100G PM-QPSK模块不仅可以提供高达30皮秒的平均差分群时延容限, 而且可以提供大范围的光纤色散补偿, 和直接的非相干检测模块相比, 它同时还具有源于相干检测的2dB 到3dB 的背靠背光信噪比性能 (OSNR) 的提高。 因此它可以涵盖运营商在绝大多数的城域，区域, 长途 和超长途网络中的需求和应用。100G PM-QPSK还可以支持无色散补偿的超长途传输, 进一步大幅度地降低网络的成本。在加上业界近来涌现出来的软判决型前向纠错技术 (SD-FEC) 和其实现方法的日趋成熟, 又有可能进一步大幅度地提高100G PM-QPSK 相干模块的传输性能, 使得它能在实际的超长途传输范围内尽量减少中继, 甚至可以直接用于跨洋海底光缆的光信道的传输, 从而使得 100G PM-QPSK 模块具有非常优越的整体性能, 十分广泛的应用市场和长期的市场竞争力。

    

    在100G PM-QPSK模块的开发过程中, 业界同时又吸取了过去在40G开发上缺乏整体投资和产品过于分散在多种调制格式上的教训，并已经通过OIF (Optical Internetworking Forum) 国际组织和其它产业论坛, 主动开始了对于100G调制格式, 所需的光电元器件整体集成和通用模块本身所进行的标准化和多源化过程, 从而使业界各方专注于共认的调制格式和共同发展基于多源协议的集成型标准化光电模块。 这样做的主要目的就是要降低产业投资和模块成本, 及早地将这种100G的模块投放市场, 从而使它不仅从性能上而且从成本上成为最适合于绝大多数运营商们在部署下一代高速率和大容量的光网络的主要选择。

3. 综述与展望
    由于具有丰富视频内容的互联网应用的爆炸性的增长和40GbE低成本光端口可能会在两三年之内的到来, 40G在未来几年内预计将会继续得到广泛的部署。同时, 在未来两三年内, 100G也会在部分一级运营商的长途骨干网络中得到一些小批量的试用和部署。预计在未来的三至五年中，甚至会在未来更长的一段时间内, 40G和100G将在运营商网络中得到同时发展并得以共同存在。正是如此, 40G 和100G 的多源化标准式模块现在已被认为是下一代高速率和大容量的光网络的核心技术和关键部件, 因而受到了业界广泛和高度的重视。