超高速光通信的新技術(shù)及應(yīng)用

呂建新(烽火通信科技股份有限公司，湖北 武漢 430073)

0 前言

3G、高清視頻、高速寬帶上網(wǎng)和云計(jì)算等業(yè)務(wù)需求推動(dòng)了網(wǎng)絡(luò)IP流量的快速增長，人們對(duì)通信帶寬的需求不斷增長，提高傳輸速率是提高傳輸帶寬的一項(xiàng)重要技術(shù)。目前通信網(wǎng)大規(guī)模應(yīng)用的最高單通道商用傳輸速率是40 Gbit/s，100 Gbit/s光傳輸也即將投入商用，400 Gbit/s和1 Tbit/s超高速光傳輸也正在如火如荼地建設(shè)中。國際上不斷有新的傳輸記錄產(chǎn)生，目前的傳輸試驗(yàn)已經(jīng)達(dá)到了單光源32 Tbit/s光傳輸?shù)膫鬏斢涗?。本文?duì)40、100 Gbit/s及以上速率的超高速光傳輸將會(huì)應(yīng)用的新技術(shù)進(jìn)行了介紹，同時(shí)介紹了烽火通信在超高速光通信方面的一些研究進(jìn)展，最后對(duì)新技術(shù)的應(yīng)用、發(fā)展作了展望。

1 40GE/100GE以太網(wǎng)技術(shù)

云計(jì)算、大容量路由器之間的互聯(lián)等大帶寬的應(yīng)用，推動(dòng)了高速以太網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，40GE/100GE是當(dāng)前最大帶寬、最高速率的以太網(wǎng)接口，40GE已經(jīng)在路由器中規(guī)模應(yīng)用，帶100GE接口的路由器也已經(jīng)開始商用。

2010年6月IEEE正式發(fā)布了40GE/100GE以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)IEEE 802.3ba。標(biāo)準(zhǔn)中已經(jīng)明確了40G/100G以太網(wǎng)仍然使用802.3 MAC標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)幀格式，保留了802.3標(biāo)準(zhǔn)的最小和最大幀長度，只支持全雙工工作。

在物理層實(shí)現(xiàn)方面，由于40GE/100GE速率高，40GE/100GE的PMA子層和PMD子層與10GE相比有較大變化，其復(fù)雜度和規(guī)模要大得多。與10GE相比，40GE/100GE的MAC與PHY的接口由原來的XGMII接口演變成 XLGMI接口(40GE) 和 CGMII(100GE)，XLGMII/CGMII接口容量由 10 Gbit/s提高到40和100 Gbit/s，數(shù)據(jù)通道位寬由32 bit增加到64 bit，同時(shí)PHY的層次結(jié)構(gòu)上多了FEC功能子層。

40GE/100GE的PMA層采用并行多通道處理方式，采用MLD的架構(gòu)。該架構(gòu)在對(duì)MAC數(shù)據(jù)流進(jìn)行PCS層64B/66B編碼后，按照66B塊進(jìn)行分發(fā)。40GE分發(fā)到4路虛通道上，100GE分發(fā)到20路虛通道上。針對(duì)不同的物理通道數(shù)量，再對(duì)虛通道進(jìn)行比特復(fù)用。例如，20路虛通道通過2∶1比特復(fù)用器復(fù)用成10路物理通道，通過5∶1比特復(fù)用器復(fù)用成4路物理通道。

多通道并行處理方式在降低了高速數(shù)據(jù)處理難度的同時(shí)，也帶來了多通道數(shù)據(jù)的對(duì)齊問題。對(duì)100GE來說，20路虛通道并行數(shù)據(jù)在經(jīng)過不同的波長和線路傳輸后的延時(shí)不盡相同，在接收端必須進(jìn)行延時(shí)校正，數(shù)據(jù)對(duì)齊才能實(shí)現(xiàn)信號(hào)的重新裝配和還原。IEEE 802.3ba規(guī)范中定義了一套多路延時(shí)校正機(jī)制:發(fā)送側(cè)把經(jīng)過加擾后的數(shù)據(jù)分配到20個(gè)VL的時(shí)候，為每路PCS VL每隔16 383個(gè)66比特塊周期(即216 μs發(fā)送一次同步對(duì)齊字節(jié)，約占0.006%帶寬)，加上一個(gè)具有標(biāo)示該路ID號(hào)和對(duì)齊功能的對(duì)齊控制塊。接收側(cè)移去該對(duì)齊控制塊，并根據(jù)該對(duì)齊控制塊，識(shí)別每路VL，實(shí)現(xiàn)20個(gè)VL的對(duì)齊，恢復(fù)數(shù)據(jù)的原來順序。對(duì)齊碼塊不占用額外的帶寬空間，采用刪除IPG空間的方法獲得。

在子層接口方面，40GE/100GE PMA與PMD子層之間接口為XLAUI/CAUI，即與40GE/100GE MAC/PCS層與光模塊之間互聯(lián)接口為XLAUI/CAUI，該接口為4×10 Gbit/s(對(duì) 40GE)和 10×10 Gbit/s(對(duì) 100GE)，可允許約25 cm的PCB連接距離(包含1個(gè)接頭)。

40GE/100GE PMD采用并行接口，40GE主要有4×10 Gbit/s，100GE 主要有 10×10 Gbit/s和 4×25 Gbit/s 2種并行接口，傳輸媒質(zhì)有銅線、多模光纖、單模光纖等。IEEE 802.3ba規(guī)范的40GE和100GE接口主要有表1所示的幾種，從表1可以看出，40GE主要定位于10 km以下的短距離互聯(lián)，100GE定位于更長距離的應(yīng)用。

100G以太網(wǎng)的實(shí)現(xiàn)，受到電路規(guī)模大和標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布時(shí)間不長等因素影響，目前還沒有商用芯片推出，不過有些廠家的交換芯片和包處理(PP)芯片中已經(jīng)規(guī)劃了40GE/100GE接口，相信不久這些芯片會(huì)規(guī)模商用。

表1 IEEE 802.3ba規(guī)范的40GE和100GE接口

烽火通信在國家863課題“100GE光以太網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)研究與系統(tǒng)傳輸試驗(yàn)平臺(tái)”研制的支持下，對(duì)100G以太網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)及實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了深入研究，取得了較大進(jìn)展，圓滿完成了課題任務(wù)目標(biāo):自主設(shè)計(jì)開發(fā)出了100G以太網(wǎng)成幀處理芯片，研制成功了100GE光以太網(wǎng)設(shè)備樣機(jī)，實(shí)現(xiàn)了符合IEEE 802.3ba標(biāo)準(zhǔn)的100GE以太網(wǎng)接口和功能，并與基于分組的包傳送(PTN)設(shè)備一起進(jìn)行了100GE業(yè)務(wù)組網(wǎng)試驗(yàn)。

2 新型調(diào)制技術(shù)

2.1 各種調(diào)制技術(shù)的主要性能

為了達(dá)到商用要求，必須克服光傳輸線路損傷的影響。目前有多種手段可用，如超強(qiáng)FEC技術(shù)、RAMAN放大技術(shù)、色散管理技術(shù)、新型調(diào)制編碼技術(shù)等，其中采用新型調(diào)制碼型是100 Gbit/s及以上速率超高速光傳輸最關(guān)鍵的技術(shù)手段。

調(diào)制編碼技術(shù)有很多種，有基于強(qiáng)度調(diào)制的NRZ、DRZ、ODB和PSBT，基于相位調(diào)制的DPSK和DQPSK，以及結(jié)合偏振復(fù)用的調(diào)制技術(shù)DP-QPSK等。表2是各種編碼技術(shù)的主要性能比較。

在這些性能指標(biāo)中，OSNR是光信噪比，越大表示性能越好；能否支持50 GHz表示系統(tǒng)能傳送的最大波數(shù)量，在不使用擴(kuò)展C波段的前提下，支持50 GHz表示系統(tǒng)最大可支持80波傳送；CD容限是色散容限，PMD容限是偏振模色散容限，容限越大，表示不需要補(bǔ)償?shù)膫魉途嚯x越遠(yuǎn)。

由表2的分析可見，沒有一種技術(shù)能做到各方面都好，每種技術(shù)都有自己最合適的應(yīng)用場景。根據(jù)不同的場景選用合適的技術(shù)是當(dāng)前階段的最優(yōu)選擇。

在低速光傳輸系統(tǒng)中，光信號(hào)通常采用的是幅度調(diào)制，調(diào)制碼型一般是非歸零碼(NRZ)和歸零碼(RZ)，該技術(shù)實(shí)現(xiàn)方式較為簡單，成本低。40G及以上速率的光傳輸中，必須采用新型調(diào)制技術(shù)，如相位調(diào)制和正交幅度調(diào)制(QAM)以及基于以上2種調(diào)制的多電平調(diào)制技術(shù)等。

表2 各種編碼技術(shù)的主要性能比較

2.2 相位調(diào)制

相位調(diào)制是以相位變化來表征被調(diào)制數(shù)值信號(hào)“0”和“1”的差異，又稱移相鍵控(PSK)。 主要有二相位相移鍵控(BPSK)、QPSK和16相位相移鍵控(16PSK)等，BPSK以0和π的相位變化來表征數(shù)值信號(hào)“0”和“1”的差異，QPSK 以 4 個(gè)相位(如 0、+π/2、-π/2 和 π)來表征數(shù)值信號(hào)“00”、“01”、“10”、“11”，一個(gè)符號(hào)可以攜帶2 bit的信息，可以將頻譜效率翻倍。相位調(diào)制在保持常數(shù)強(qiáng)度包絡(luò)的同時(shí)，能夠有效抑制非線性損傷對(duì)信號(hào)的影響。

根據(jù)參考相位的不同，光相位調(diào)制可分為2類。

第一類調(diào)制技術(shù)參考之前的信號(hào)相位，一般是前一個(gè)符號(hào)。此類調(diào)制方法的名稱前通常帶有一個(gè)“D”，表示“差分”，例如DPSK和DQPSK。

第二類調(diào)制技術(shù)在接收端使用精確調(diào)諧到源激光器頻率的本地激光器作為參考源。此類技術(shù)一般稱為相干調(diào)制，因?yàn)樗驮缙诘南喔蓹z測系統(tǒng)非常相似。

2.3 正交幅度調(diào)制

正交幅度調(diào)制(QAM)是一種在2個(gè)正交載波上進(jìn)行幅度調(diào)制的調(diào)制方式。這2個(gè)載波通常是相位差為90°的正弦波，因此被稱作正交載波。在QAM中，數(shù)據(jù)信號(hào)由相互正交的2個(gè)載波的幅度變化表示。

在幅度調(diào)制過程中采用多電平調(diào)制幅度，QAM信號(hào)集可以用星座圖表示，星座圖上每一個(gè)星座點(diǎn)對(duì)應(yīng)發(fā)射信號(hào)集中的一個(gè)信號(hào)。設(shè)正交幅度調(diào)制的發(fā)射信號(hào)集大小為N，稱之為N-QAM。常見的QAM形式有16-QAM、64-QAM、256-QAM等。星座點(diǎn)數(shù)越多，每個(gè)符號(hào)能傳輸?shù)男畔⒘烤驮酱?。但是，如果在星座圖的平均能量保持不變的情況下增加星座點(diǎn)，會(huì)使星座點(diǎn)之間的距離變小，進(jìn)而導(dǎo)致誤碼率上升。因此高階星座圖的可靠性比低階要差。

與其他調(diào)制技術(shù)相比，QAM編碼具有能充分利用帶寬、抗噪聲能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)對(duì)數(shù)據(jù)傳輸速率的要求高過8-PSK能提供的上限時(shí)，一般采用QAM的調(diào)制方式。因?yàn)镼AM的星座點(diǎn)比PSK的星座點(diǎn)更分散，星座點(diǎn)之間的距離因此更大，所以能提供更好的傳輸性能。

但是QAM星座點(diǎn)的幅度不是完全相同的，所以它的解調(diào)器需要能同時(shí)正確檢測相位和幅度，不像PSK解調(diào)只需要檢測相位，這增加了QAM解調(diào)器的復(fù)雜性。

2.4 多電平調(diào)制技術(shù)

在過去的10年里，通過DWDM系統(tǒng)同時(shí)傳送多個(gè)信道，以及每信道符號(hào)速率的增加，光通信網(wǎng)絡(luò)的傳輸容量得以提升。為了更有效地提升光信號(hào)的頻譜效率，必須利用每個(gè)符號(hào)的更多特征來傳遞信息，這就是多電平調(diào)制技術(shù)。多電平的N-QAM和多相位的PSK調(diào)制(如QPSK、16PSK等)都屬于多電平調(diào)制技術(shù)。

(D)PSK調(diào)制碼型雖然能夠在抗非線性和色散容限方面較傳統(tǒng)的幅度調(diào)制有較大的改善，但是該調(diào)制技術(shù)只使用2個(gè)相位，每個(gè)符號(hào)攜帶1 bit信息，信號(hào)比特率和傳輸速率是相等的，并不能提高光信號(hào)的頻譜效率。(D)QPSK調(diào)制信號(hào)有4個(gè)相位，每符號(hào)承載2 bit信息，能夠在僅增加少量帶寬代價(jià)的情況下將比特率翻倍。

多進(jìn)制調(diào)制比二進(jìn)制調(diào)制具有更窄的信號(hào)頻譜，而信號(hào)的色散損傷與譜寬的平方成正比，因此多進(jìn)制調(diào)制的DQPSK能大幅度提高DPSK對(duì)色散、PMD以及非線性的公差。

DPSK和DQPSK調(diào)制碼型由于具有較好的OSNR要求和抗非線性能力，在40及100 Gbit/s以上高速光傳輸中已經(jīng)開始得到應(yīng)用，目前已經(jīng)有商用化的調(diào)制/解調(diào)制器模塊。QAM解調(diào)器比較復(fù)雜，目前仍處在100 Gbit/s以上超高速光傳輸?shù)膶?shí)驗(yàn)研究階段，如采用16-QAM或64-QAM進(jìn)行400 Gbit/s和1 Tbit/s光傳輸，取得了較好的效果，是未來最可能采用的一種調(diào)制格式。

3 新型的復(fù)用技術(shù)

為了在提高傳輸容量的同時(shí)，降低線路上符號(hào)的傳輸速率，充分發(fā)揮光纖的傳輸效率，在超高速系統(tǒng)中，采用以下2種新型復(fù)用技術(shù)來提高光信號(hào)的頻譜效率，提升線路的傳輸容量。

3.1 偏振復(fù)用

偏振復(fù)用技術(shù)是利用相互正交的2個(gè)偏振態(tài)來傳遞不同的信息，提高系統(tǒng)頻譜使用率，降低單信道的信號(hào)速率，每個(gè)偏振信道的調(diào)制方式可以是前述調(diào)制碼型的任意一種。

偏振復(fù)用系統(tǒng)對(duì)偏振敏感，受PMD變化影響也較大。偏振復(fù)用可以和前述的多電平調(diào)制技術(shù)結(jié)合使用，如果將偏振復(fù)用與DQPSK相結(jié)合，將獲得更高的頻譜效率，一個(gè)符號(hào)承載4比特信息。當(dāng)前100G光傳輸比較認(rèn)可的PM-(D)QPSK調(diào)制碼型，112 Gbit/s的比特速率在采用PM-(D)QPSK編碼調(diào)制后，波特率可以降至28 Gbit/s。

目前，國際標(biāo)準(zhǔn)化組織OIF已經(jīng)建議偏振復(fù)用+正交相位調(diào)制(PM-QPSK)或偏振復(fù)用+差分正交相位調(diào)制(PM-DQPSK)作為100 Gbit/s的主流調(diào)制技術(shù)。基于PM-DQPSK的100 Gbit/s光模塊也已有少數(shù)廠家開發(fā)出，并開始試商用。多數(shù)設(shè)備廠商已經(jīng)決定采用PM-(D)QPSK作為其主要調(diào)制復(fù)用技術(shù)。

3.2 光正交頻分復(fù)用(OFDM)

正交頻分復(fù)用(OFDM)是一種具有高頻譜效率的調(diào)制方式，已廣泛應(yīng)用于各類有線和無線通信領(lǐng)域，成為無線通信中的主導(dǎo)調(diào)制格式并形成了許多無線通信領(lǐng)域內(nèi)的重要標(biāo)準(zhǔn)，如802.11a/g、Wi-Fi、HiperLAN2、802.16、WiMAX等。近年來，OFDM成功應(yīng)用于光通信領(lǐng)域，可有效對(duì)抗光纖中的色散和偏振模色散等并展現(xiàn)了靈活高效的頻譜利用和調(diào)制，成為100 Gbit/s及以上高速光傳輸極具潛力的關(guān)鍵技術(shù)。

正交頻分復(fù)用主要思想是:將信道分成若干正交子信道，將高速數(shù)據(jù)信號(hào)轉(zhuǎn)換成并行的低速子數(shù)據(jù)流，調(diào)制到在每個(gè)子信道上進(jìn)行傳輸。正交信號(hào)可以通過在接收端采用相關(guān)技術(shù)來分開，這樣可以減少子信道之間的相互干擾。

OFDM的優(yōu)勢為:子頻帶割分增強(qiáng)對(duì)器件和模塊選擇的靈活性；導(dǎo)頻副載波便于信道和相位估計(jì)；極高的頻譜效率和極好的可擴(kuò)展性；簡化了CD、PMD均衡。

根據(jù)檢測接收實(shí)現(xiàn)方法的不同OFDM可分為相干檢測(CO-OFDM)和直接檢測(DDO-OFDM)2種方式。CO-OFDM采用光正交相位調(diào)制器作為電光轉(zhuǎn)換前端，采用相干檢測作為光電轉(zhuǎn)換前端，兼具相干檢測和正交頻分復(fù)用的優(yōu)點(diǎn)，具有優(yōu)異的頻譜效率、接收機(jī)靈敏度和偏振模色散容忍度，但其實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度較DDO-OFDM高。

OFDM技術(shù)目前主要用在400 Gbit/s和1 Tbit/s的高速光傳輸試驗(yàn)的研究中，也是超高速光傳輸中未來最可能采用的一種實(shí)現(xiàn)技術(shù)。

4 相干接收技術(shù)

在光信號(hào)的接收方面，采用新型接收技術(shù)也能夠克服線路損傷的影響。低速光傳輸常用的檢測方式為強(qiáng)度檢測，即檢測信號(hào)的幅度，該方式結(jié)構(gòu)簡單，成本低，但是丟失了信號(hào)相位信息，接收機(jī)本身無法對(duì)傳輸線路上的非線性損傷進(jìn)行有效補(bǔ)償，只能依賴線路上的光學(xué)器件進(jìn)行補(bǔ)償。在高速光傳輸系統(tǒng)中，隨著速率的提升，接收機(jī)色散容限進(jìn)一步降低，直接檢測系統(tǒng)需要部署更為精確的色散補(bǔ)償器才能滿足系統(tǒng)的色散容限要求，將導(dǎo)致系統(tǒng)成本增加，可靠性降低。在超高速系統(tǒng)中，光纖的PMD效應(yīng)成為主要的障礙，信號(hào)偏振變化的統(tǒng)計(jì)特性導(dǎo)致PMD的光學(xué)補(bǔ)償方式實(shí)用非常困難。

另一方面，為了提高光纖的傳輸容量和傳輸效率，在有限的頻段資源(如50 GHz)內(nèi)傳輸盡可能多的信息容量，超高速傳輸系統(tǒng)中已經(jīng)開始使用高階調(diào)制和偏振復(fù)用技術(shù)。對(duì)采用高階調(diào)制和偏振復(fù)用的信號(hào)，采用光學(xué)方法難以實(shí)現(xiàn)傳輸損傷的線路補(bǔ)償，而且接收機(jī)采用傳統(tǒng)的直接檢測方式將無法有效地檢測信號(hào)。

因此，在超高速傳輸系統(tǒng)中，人們已經(jīng)開始普遍認(rèn)識(shí)到相干檢測的重要性，相干檢測是解決傳輸損傷的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。

相干檢測技術(shù)的基本原理為，接收端將收到的光信號(hào)與一本振光信號(hào)進(jìn)行相干耦合后，采用平衡接收機(jī)進(jìn)行探測。相干接收機(jī)在對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行相位檢測，將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)后，直接經(jīng)過數(shù)字信號(hào)處理，采用數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)對(duì)信號(hào)的電子偏振解復(fù)用，并結(jié)合使用電子色散補(bǔ)償來抑制偏振模式色散的影響。在超高速相干光接收機(jī)中，最主要核心器件是高速模數(shù)轉(zhuǎn)換(ADC)器件和高速DSP芯片，采用算法實(shí)現(xiàn)電域均衡和色散補(bǔ)償。

相干光檢測技術(shù)，除了檢測光信號(hào)的幅度，還能檢測光信號(hào)的相位和偏振態(tài)。在相干光系統(tǒng)中，光信號(hào)的相位信息可用來高效地補(bǔ)償光傳輸所引起的信號(hào)在電域內(nèi)的劣化，光傳輸引起的失真也可以很好地通過電均衡器來補(bǔ)償，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)更遠(yuǎn)的傳輸距離。

相干光接收技術(shù)具有如下優(yōu)點(diǎn)。

a)可以充分利用光的相位、偏振等信息，實(shí)現(xiàn)多電平檢測，可以大幅度提高現(xiàn)有光纖鏈路的傳輸容量。

b)在電域就能有效地對(duì)色度色散和偏振模色散進(jìn)行補(bǔ)償，可以省去復(fù)雜的光域補(bǔ)償。

c)相同誤碼指標(biāo)下，相干光接收機(jī)具有更高的靈敏度，所需的光信噪比也更低，這將提高系統(tǒng)的傳輸距離，減少中繼點(diǎn)數(shù)目。如果采用PSK技術(shù)，這個(gè)效果會(huì)更加明顯。

d)能升級(jí)WDM網(wǎng)絡(luò)，一種接收機(jī)就能應(yīng)對(duì)不同的調(diào)制方式。

相干探測相比直接探測復(fù)雜得多，但該方法卻特別適合具有偏振復(fù)用的DQPSK解調(diào)應(yīng)用，因?yàn)榭梢杂行Ю孟喔商綔y高光學(xué)增益以及能夠?qū)ο辔惶綔y的特性及調(diào)制格式做高靈敏的探測解調(diào)。因此偏振復(fù)用＋DQPSK＋相干檢測是40、100 Gbit/s及以上速率超高速系統(tǒng)最佳組合方案。目前很多廠商已經(jīng)推出或正在推出40G、100G QPSK相干檢測光收發(fā)模塊。

將相干光接收技術(shù)與先進(jìn)的調(diào)制方式以及電信號(hào)處理技術(shù)相結(jié)合，可以大大提高現(xiàn)有光傳輸鏈路的容量和傳輸距離，提高頻譜效率，降低建設(shè)成本以及運(yùn)維成本；同時(shí)，相干接收技術(shù)可以使用電均衡技術(shù)來準(zhǔn)確補(bǔ)償光傳輸造成的劣化，網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)也因此可以變得更為靈活。

烽火通信100 Gbit/s系統(tǒng)采用相干檢測的偏振復(fù)用PM-QPSK技術(shù)，可以將100 Gbit/s對(duì)OSNR要求降低到13 dB以下，并結(jié)合采用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)均衡線路傳輸損傷，提升色散容忍能力達(dá)40 000 ps／nm，DGD容限超過100 ps，全面緩解了色散和PMD對(duì)高速傳輸?shù)南拗啤?/p>

5 光子集成(PIC)技術(shù)

如前文所述，在40/100 Gbit/s及以上速率的超高速系統(tǒng)中，必須采用多相位調(diào)制(如DQPSK)、多電平正交幅度調(diào)制(M-QAM)等技術(shù)，提高光信號(hào)傳輸?shù)念l譜效率，降低信號(hào)傳輸?shù)姆?hào)率，降低光信號(hào)傳輸?shù)姆蔷€性、色散、光信噪比等方面的影響，來實(shí)現(xiàn)長距離傳輸。以上技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用與PIC技術(shù)是分不開的。

PIC技術(shù)是將多個(gè)分立的光器件集成在一塊基片上，從而減小了器件體積和應(yīng)用復(fù)雜度。對(duì)低成本、低功耗和小尺寸的需求是推動(dòng)PIC技術(shù)發(fā)展一個(gè)重要因素。傳統(tǒng)的光通信器件和子系統(tǒng)由分離的器件組成:單獨(dú)的激光器、調(diào)制器和控制單元，或是獨(dú)立的濾波器和波導(dǎo)，這些器件都是分別生產(chǎn)的，然后通過某種方式組裝起來，需要大量人工操作，成本高且體積大。

多電平接收機(jī)中，多比特符號(hào)的檢測器不再僅是簡單地檢測信號(hào)電平，而是對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行更加復(fù)雜的分析。因此，多電平調(diào)制的調(diào)制器和解調(diào)器都比傳統(tǒng)的光解調(diào)器復(fù)雜得多，實(shí)現(xiàn)成本也高得多，必須采用PIC技術(shù)，降低體積、生產(chǎn)成本，利于實(shí)現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)。

相干光接收技術(shù)的應(yīng)用也依賴于PIC技術(shù)的發(fā)展，為了充分發(fā)揮相干光接收技術(shù)的潛能，實(shí)現(xiàn)該技術(shù)的商業(yè)化應(yīng)用，必須采用一定的集成技術(shù)，在相干光接收機(jī)內(nèi)集成本振激光器、鎖相環(huán)、光耦合器、平衡光檢波器以及用于控制激光器偏置電路等的電信號(hào)處理器等，以達(dá)到縮小器件的體積，降低成本。

在相干光接收機(jī)中，相位解調(diào)器是無源系統(tǒng)，其基本原理是把相位和偏振編碼信息轉(zhuǎn)換為普通光檢測器可以檢測的強(qiáng)度信息，它是由耦合器和分光器組成的干涉裝置，光路信息被精確地設(shè)定，也多是由集成光子器件實(shí)現(xiàn)的。

對(duì)于100 Gbit/s相干系統(tǒng)以及性能更高的40 Gbit/s差分系統(tǒng)，信號(hào)失真度和其他性能的高要求也需要采用將解調(diào)器和檢測器集成在一起的方案，基于硅集成技術(shù)的平面集成光電路為應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)打下了基礎(chǔ)。

平面光波導(dǎo)技術(shù)(PLC)是近幾年發(fā)展起來的PIC技術(shù)。平面集成光器件的實(shí)現(xiàn)方式是在平面基底上制出光波導(dǎo)，一般是由硅基底上玻璃波導(dǎo)組成，所用技術(shù)和制造工藝與DWDM系統(tǒng)中使用的陣列波導(dǎo)光柵(AWG)相同。平面光集成技術(shù)是半導(dǎo)體工業(yè)中大規(guī)模、低成本的生產(chǎn)制造技術(shù)，因此非常適用于制作相干系統(tǒng)中的解調(diào)器。

混合集成技術(shù)已能夠?qū)⒐怆姸O管或激光器等半導(dǎo)體器件直接安裝在集成光基底上。該技術(shù)目前正應(yīng)用到把光電二極管直接安裝在相干混頻器和DQPSK解調(diào)器基底上?；诠璨▽?dǎo)的無源PIC是以最低成本大規(guī)模制作復(fù)雜解調(diào)器的理想方案。

PIC技術(shù)正越來越多地被運(yùn)用在光器件的設(shè)計(jì)制作上，光器件以PIC的封裝方式已成為現(xiàn)實(shí)并開始得到應(yīng)用。PIC光器件的封裝可以做到TO、SFF、SFP等封裝形式所不能做的高密度集成封裝，且其小尺寸、低功耗、低成本等特點(diǎn)更易于被客戶接受，在實(shí)際部署中也更加便捷和降低成本。PIC光器件可以在一定的空間內(nèi)集成更多的通道，提高光器件接口的容量和密度(目前已有可集成500 Gbit/s傳輸容量的PIC)。

不同器件的集成，不同功能的集成將是光器件技術(shù)的發(fā)展主流。PIC是光器件必然的演進(jìn)方向，光器件發(fā)展將更加集成化。

6 結(jié)束語

超高速光通信有很多關(guān)鍵技術(shù)，除前述介紹的新技術(shù)外，還有電子色散補(bǔ)償技術(shù)、超級(jí)FEC技術(shù)等。這些新技術(shù)的出現(xiàn)，為超高速光通信又打開了另外一扇門。在400 Gbit/s和1 Tbit/s光傳輸中，可以結(jié)合多電平調(diào)制、偏振復(fù)用、OFDM和相干接收這幾方面的技術(shù)，使光信號(hào)傳輸?shù)姆?hào)率仍然保持在60 Gbit/s以下，能夠抗更多的非線性影響，容忍更大的傳輸色散，實(shí)現(xiàn)更遠(yuǎn)的傳輸距離。同時(shí)這幾方面技術(shù)的應(yīng)用，還必須依賴于PIC技術(shù)的發(fā)展，只有做到更大的集成度、更小的體積，更低的成本，才能實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用。

40GE/100GE采用了MLD的并行處理方式，PMA層與PMD層之間采用4×10 Gbit/s(40GE)或10×10 Gbit/s的XLAUI/CAUI接口，以及在PMA層采用多通道延時(shí)校正機(jī)制等，該架構(gòu)為更高速率的以太網(wǎng)(如400G或1T)的開發(fā)奠定了基礎(chǔ)。400G或1T以太網(wǎng)將會(huì)繼續(xù)采用該體系架構(gòu)，只不過通道數(shù)會(huì)更多，接口位寬和速率更高(如400G以太網(wǎng)PMA層與PMD層之間可能會(huì)采用16×25 Gbit/s接口)。

烽火通信在超高速光傳輸方面進(jìn)行了深入研究，取得了重大進(jìn)展和突破，成功實(shí)現(xiàn)了1 Tbit/s相干光正交頻分復(fù)用1 040 km的普通單模光纖無誤碼傳輸。該成果從現(xiàn)有的電子和光電器件水平出發(fā)，提出多波長同源低相位噪聲光子載波信號(hào)產(chǎn)生的模型，利用頻率循環(huán)搬移的多頻帶復(fù)用方式實(shí)現(xiàn)了1 Tbit/s的超高速傳輸速率。該成果還采用了基于正交頻分復(fù)用的調(diào)制方式和數(shù)字相干接收技術(shù)，通過16-QAM的高階調(diào)制和高冗余度的低密度奇偶校驗(yàn)(LDPC)碼相結(jié)合的方法。

本文介紹的新技術(shù)仍在不斷發(fā)展中，在超高速光通信系統(tǒng)中，這些新技術(shù)的應(yīng)用，不僅僅取決于該技術(shù)對(duì)傳輸性能的影響，還依賴于相關(guān)器件技術(shù)的發(fā)展。隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)、PIC技術(shù)、高速DSP、ADC等技術(shù)的逐步成熟，器件的復(fù)雜性和成本將大幅度降低，這些新技術(shù)將會(huì)得到廣泛應(yīng)用。

[1]IEEE P802.3ba/D3.2-2010 Telecommunications and information exchange between systems-Local and metropolitan area networks-Specific requirements Part 3:Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection(CSMA/CD)Access Method and Physical Layer Specifications[S/OL].[2011-10-10].http://ieeexplore.ieee.org/xpl/mostRecent Issue.jsp?punumber=4816156.

[2]Altera Corporation.Innovating With a Full Spectrum of 40-nm FPGAs and ASICs With Transceivers[EB/OL].[2011-10-10].http://www.altera.com/literature/wp/wp-01078-stratix-iv-gt-40nm-transceivers.pdf，3/2009.

[3]Altera Corporation.Using 10 Gbit/s Transceivers in 40G/100G Applications [EB/OL]. [2011-10-10].http://www.altera.com/literature/wp/wp-01080-stratix-iv-gt-40g-100g.pdf，3/2009.

[4]中國通信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì).CCSA技術(shù)報(bào)告:40G/100G以太網(wǎng)承載和傳輸技術(shù)研究[R].北京:中國通信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)，2009.

[5]中國通信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì).CCSA技術(shù)報(bào)告:N×100 Gbit/s光波分復(fù)用(WDM)系統(tǒng)技術(shù)要求[R].北京:中國通信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)，2010.

[6]曹云，馮勇華.商用100 Gbit/s系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)分析 [J].網(wǎng)絡(luò)電信，2011(4).