400G光模塊技術淺析

隨著IEEE 100 Gbit/s(以下簡稱100G)乙太網標準討論與制定工作的結束，全球主流廠商正在推動100G的全球部署，並把目光聚焦到400G甚至1 Tbit/s系統上來。同40G/100G一樣，400G的部署應該是漸進的方式。為了更有效地利用現有的DWDM(密集波分復用)線路資源，降低投資成本，運營商希望400G能在現有的網絡上部署，而不是重新設計和建造一個新的網絡以適應400G的傳輸。這意味著400G必須適應100G/40G或10G的網絡設計規劃，以實現400G、100G/40G 的混合部署。

400G LAN接口光模塊的技術分析

400G LAN(區域網)接口光模塊可能將繼續採用100G 乙太網中獨有的並行傳輸方式。2011年2月，Finisar在"超越100GE"的研討會上提出了400 GE模塊標準建議，主要支持400 GE-LR16和400 GE-SR16兩種應用。其中400 GE-LR16採用16×25 G LAN WDM (1330、1310、1290 和1270 nm 4個波道)來實現，而400 GE～SR16則採用了16×25 G多模光纖接口。此外在物理層定義了CAUI(附加單元接口)-16、CPPI(並行物理接口)-16電接口標準。16×25 G僅僅是100GE的線性擴展，只要工藝達到要求就沒有其他技術難點。相比之下，光纖並行將有更多的發展空間，但需要密度更高的光子集成技術的支持才可以使400G商用成為可能。

此外，Finisar還提出了400G LAN 應用的其他可能方式：第1種是利用已商用化的4O G 的EML(電吸收調製雷射器)技術組成10×40 G架構;第2種是依靠提高EML技術，採用4電平幅度調製和DSP(數位訊號處理)進行色散補償的8×50 G的構架;第3種是4×100G的架構，這種架構必須採用複雜的幅度相位調製，如PM-QPSK(偏振復用-正交相移鍵控)，目前還沒有能夠商用化的技術演示。

NTT的研究報告也指出，在串行數據傳輸中，16×25 G、10×40G和8X 50 G這幾種架構都有可能。對於50 G，調製方式也有基於MZ(馬赫-曾德)的DQPSK(差分正交相移鍵控)調製、或者OOK(開關鍵控)調製。每種架構在體積、成本、功耗等方面都各有優缺點。從目前的研究成果來看，DML(直接調製雷射器)製作工藝簡單，功耗低，但是ER(消光比)很小。EML製作工藝複雜、功耗相對較大，但ER較大，可以獲得很清晰的眼圖。此外，基於InGaA1As的量子阱EAM(電吸收調製器)減小了由於價帶偏移造成的在調製過程中的空穴堆積，因此適合用做高速調製。圖1～ 圖3分別是NTT 在OFC 2011上展示的用於400 GE 的1300 nm、50 G EML的光譜，注入電流與出纖功率的關係以及傳輸10和40 km後的輸出眼圖。

對於400 GE系統而言，50 G 的OOK調製由於其整個發射端的體積優勢，是一種比較好的折中選擇。在這種調製方式下，DML相比而言實現起來更加困難。因此可以預言，EML和8×50 G 的OOK調製在400 GE系統中前景看好。

400G長距離傳輸光模塊的技術分析

在ITU-T/IEEE的聯合研討會中，Alcatel-Iucent的報告中提出：OTU5的接口線速率將達到449.219 Gbit/s。隨著速率的提高，系統對OSNR(光信噪比)、CD(色度色散)、PMD(偏振模色散)和非線性的要求越來越高。400G信號的色散容限只有0.5 ps/nm，為100G的1/16。400G在OSNR上也遇到了挑戰，比100G高了6 dB。尤其採用高於現行的7%的FEC(前向糾錯)開銷後，可以實現更遠距離的傳輸。目前討論得更多的是25% 的。400G在PMD方面比100G 遇到的挑戰更大，400G PMD容限只有0.25 ps，為100G的1/4。

● 雷射器線寬的要求

隨著數字相干接收技術的發展，高階多電平調製格式由於其高頻譜效率的特點在DWDM 系統中越來越引人注目。發射機雷射器和接收機本振光的相噪特性決定了系統的誤碼率性能。表1列出了在不同的調製格式下，400G 和100G對雷射器線寬要求的比較。表中，△fTX表示發射機雷射器線寬，△fLO表示接收機本振光線寬。

● 調製碼型與波道間隔特徵

為了滿足400G在當前DWDM 系統中傳輸的要求，全面提升系統容量，對調製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，並且有非常強的非線性容忍度。

單模光纖的理論容量為8 bit/s/Hz，在實際長距離傳輸的設備和光纖中，上限為4 bit/s/Hz。在現代光通信系統中，載波調製格式對系統性能影響很大，為了達到與現網的10 G、40 G混合部署，實現80波50 GHz間隔，必須達到高SE，這可以通過採用單載波高階調製或者多載波傳輸來實現。對於448 G 的傳輸系統，考慮器件頻率漂移和R0ADM(可重構光分插復用器)非理想特性，要求實際中必須採用45 G 的32QAM(正交幅度調製)調製或者28 G的PM(偏振復用)-256QAM。電域OFDM(正交頻分復用)也能夠取代單載波調製，兩者的DSP的複雜程度一樣，但是OFDM 由於循環前綴、前導符和訓練符號開銷等額外信息，通常比相應的單載波格式的SE要低。

為了儘量滿足50 GHz的DWDM 波道間隔，2010年的許多理論研究都是採用多電平幅度調製，即PM-256QAM，一共有65536個星座點，相比100G PM-QPSK而言，密度增加了8倍，並且對光噪聲和XPM(交叉相位調製)/SPM(自相位調製)非常敏感，傳輸距離非常短。從目前報導的單載波高速QAM 的演示情況看來，短期內在448 G傳輸中，無論是單載波PM～256QAM 還是電OFDM 的32QAM，都還無法實現商用化。

第2種解決方法：用32QAM 或者更高階調製的低速光子載波正交復用來代替單載波448 G信號。這種方法被稱為相干WDM 或者相干光OFDM。它與DWDM 逆復用性質不同，因為它可以獲得與特定調製格式下單載波相同的SE以及相干接收的OSNR容忍度。一個448 G的發射機可以用10個單獨調製的正交光子載波。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***可能的子載波速率，可以在電域上進行處理，保持並行的光路數最小會是一個更實際且更經濟的方案。表2列出了OFDM 與單載波在400G系統中的性能比較。

由於相比單載波極高的靈敏度和優異的CD/PMD容忍度，多極化數字相干接收的CO(相干光)-OFDM 變得越來越有前景而開始受到業界的普遍關注。在對未來基於OFDM 調製的400G光模塊結構的探索中，主要有3種架構：基於FFT(快速傅立葉變換)的OOFDM (光正交頻分復用)、全光OFDM 和電光OFDM。

傳統的OOFDM 採用基於DSP/DAC的IFFT(快速傅立葉逆變換)的信號合成和FFT 的解調，CD和PMD容限可以通過插入的循環前綴或者保護間隔、訓練符號獲得提升，但是這樣會造成10%或者20%的額外開銷，並且會增加線速率。尤其是在需要周期CD補償的傳輸線路中，基於DSP的多載波OFDM 的傳輸性能會受到光纖非線性特性的限制。利用矽基PLC(平面光波導)和LN(鈮酸鋰)光波電路的混合集成技術，已經可以製作雙載波的QPSK(正交相移鍵控)調製器來實現單偏振態100G的調製(25 G)以及雙偏振態111 G 調製(13.9 G)。考慮到發射機的複雜度，不像傳統的基於DSP的OFDM，子載波的個數必須比較少(一般為2～4)，因為子載波的數量較少可以有效降低PAPR。此外，發射端也不需要DSP和DAC。由於少量載波的使用，循環開銷會導致額外的開銷或者限制補償能力。因為，我們需要在接收機採用基於CD/PMD補償的線性濾波器。

全光OFDM，必須插入GI(保護間隔)用以提高、CD和PMD容忍度，並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 的架構來解決這一問題，電光OFDM 的架構可以滿足更高速率的要求。表3列出了400G系統中各種不同調製碼型的性能比較。

綜上所述，由於採用了較少的子載波，全光OFDM 有以下兩個優點：不需要發射端的DSP/DAC，具有相對較低的電、光複雜度;由於採用了較少的子載波，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、性能和實現的複雜度等來看，全光OFDM 調製技術(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。

第1种放寬SE要求的解決方法：摒棄50 GHz WDM 間隔的硬性要求，如採用56 G PM一16QAM和靈活的70～80 GHz的WDM 間隔，SE為6～5 bit/s/Hz，並且需要有足夠多的ROADM 系統支持。數據中心用戶偏向於採用這種靈活的解決方案，而擁有大規模、多業務的網狀網的電信運營商堅持採用50 GHz的間隔標準。為了兼容50 GHz的邊界條件，可以採用逆復用448 G 信道成兩個224 G波長。28 G PM-I6QAM 的調製方式可達到4 bit/s/Hz淨SE，相比100G PM-QPSK，加倍增大了WDM 每根光纖的容量。另外，為了實現10G、40G/100G到400G的無縫升級部署，對WSS(波長選擇開關)提出了可調帶寬的要求。

400G檢測技術

● 微光學及混合集成技術

由於400G系統採用了更高階的星座調製，在線路的接收端則需要更大量數位訊號的解決方案。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ADC的純數位化。

對於相干探測而言，採用分立的自由空間的90°混頻器和光平衡探測器搭建相干接收系統，這種複雜的配置方法要實現商用化是很難的。從2009年的ECOC上，U2T 和HHI演示了單片集成的PLC 90°。混頻器和兩對高速平衡PD 的接收機，到2010年的ECOC上，U2T和HH1再度演示了單片集成的兩路PLC 90°。混頻器和8個高速平衡PD的接收機。從近幾年100G傳輸技術的演進和發展趨勢看來，400G線路接收技術也逐漸走向集成化。

集成的接收機多採用單片集成和自由空間光學器件，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 採用了矽基PLC技術將PBS(偏振分束器)和90°光混頻器集成為單片DPOH(雙極化光混頻器)。另外採用一個新的多通道準直儀使DPOH和PD之間的耦合損耗更低，並且抑制溫度變化引起的耦合偏差。此外，NTT還研製出一種晶片級緊湊型高速光電轉換器結構，並運用這些技術製作出了集成相干接收機。微光學準直技術使得基於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。

由於微電子是矽基平面工藝，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，節約封裝成本，並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。目前Bell實驗室已經對單片矽集成相干探測技術有所研究，但是還有很多技術難關有待突破。在400G早期，矽基PLC與自由空間光學器件混合集成還會是比較成熟的商用方案。

● 分帶探測技術

數字相干接收技術在高速傳輸領域被普遍認為是一種很有前景的技術，因為它可以提高系統的OSNR靈敏度，補償CD和PMD線路傳輸損傷。由於電速率的"瓶頸"，ADC的採樣率很長一段時間內將被限制在100 GS/s以內。為了有效地解決在400G甚至T bit/s信道傳輸中的這一問題，採用多載波調製格式是一種有效的方法。

採用波長無關探測，接收機硬體複雜度可通過探測多個載波分帶來降低，不僅可以不受ADC採樣率瓶頸的約束，而且可減輕DSP的負荷。圖4所示為光收發合一模塊的結構框圖。

● 處理能力與功耗

目前在100G系統中，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中，關鍵的ADC和DSP晶片量產商用的***問題就是處理能力和功耗。儘管在2010年，Alcatel-Lucent已經在112 G的長距離系統採用了70M+門的56 GS/s的ADC/DSP，但預測在400G系統中將面臨同樣的瓶頸。

現在更小工藝尺寸的CMOS(互補金屬氧化物半導體)技術可以達到低功耗、高速高密度的結合，但是它是以更高的噪聲和更多的失配為代價的。最常用的解決方案是增加電晶體的尺寸(門長度或者寬度)，但是在這裡不太現實，會引入額外的帶寬減小和帶來更大的功耗。然而小尺寸的電晶體意味著不僅在信號鏈路上，而且在時鐘鏈路上，S/H(採樣保持)和ADC電路都存在著失配。可以通過單片校準來減少失配引入的誤差。此外，採用全新的採樣/解復用架構和實時的簡單的幅度、時序校準，可以在不需要極短溝道電晶體的情況下滿足光模塊對線性度、噪聲以及帶寬的需求，並且ADC的功耗< 0.5W。

由於其低成本、高集成度以及低功耗，Si CMOS工藝目前已經開始在一些應用中取代III-V族元素的器件。在已經商用部署的光傳輸系統產品中的信號處理單片ASIC(專用集成電路)晶片中已經採用了現有的90或65 nm 的CMOS工藝，並且能滿足長距離光網絡系統的性能與功耗要求。在未來採用40 nm或者更小尺寸的工藝設計中，將使其能在短距離和更高速的400G系統中實現商用。

結束語

400G長距離傳輸使光通信又進人一個嶄新的時代，光通信正從單載波調製相干探測向偏振復用的多載波多電平相位調製和陣列相干探測轉變。光子集成和電子集成、ADC/DSP技術將是400G光通信模塊以及系統商用化的關鍵。隨著乙太網標準化的迫切需求，光並行化的要求將對光子集成技術產生巨大的推動作用。在未來2～3年內，400G 電光OFDM 相關的技術會逐漸成熟，雖然這些器件在成本和功耗方面離商用還有一定的距離，但是隨著這些技術逐漸走向成熟以及相關標準的討論和制定，400G系統商用的序幕也即將拉開。

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【責任編輯：

林琳

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