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100G与超100G的调制格式
Eugen Lach, Wilfried Idler
摘要
本文综述了100Gb/s与超100Gb/s速率的连续光传输中,对于调制格式的技术性辨析。
第一部分概述了100Gb/s的各种不同的调制格式,构造一个典型二进制非归零电信号传输的100 Gbit/ s时分复用系统,并以最高速率运行,并且提出了系统的解决方案，可以在接收机处，运用四进制相移键控，偏振复用，相干技术与数字信号处理技术，来实现更低符号率的运行。
第二部分聚焦于以高于100Gb/S（比如400Gb/s,高达1Tb/s或更高）的信道比特率传输数据的下一代传输系统，该系统可应用于单载波或多路电信号子载波架构的高等星座图M-QAM调制，以及可构造WDM的“Super-Channel”。
在以上评述100 Gbit / s与更高比特率的两个部分中,也从性能上比较了调制格式的主要特点，并指出其在未来传输技术中的合理运用。
1.引言
一直不断增加的光网络带宽需求，催生了新一级的传输层次，却超出当下以2.5,10到40 Gb / s波长通道为主的应用基础。这迫使加快对新的传输技术与下一代单通道光传输系统的研发，而单通道系统包括适用于当下的100 Gb / s通道,以及未来可用的400 Gb / s及更高。
“100 Gb / s”是首个IEEE以太网机构和ITU-T光学传输网络(OTN)标准化机构共同设定，分别适用于用户端和线路侧接口的光学传输比特率层次。对于用户端100 Gb / s以太网(GbE)接口的标准，在2010年已经发表于IEEE 802.3ba[1]，适用于10km与20km长度的4*25GB/S通道。标准里德所罗门选举委员会（standard Reed Solomon FEC）在2009年发表了ITU-T standard G.709 [2]，其中定义了速率约112 Gb/s(OTU4比特率)的线路侧接口，和连接用户端数据的OTN多路复用的标准。
此外,为了加深对减少网络资源消耗的工作，以实现显著减少每年由于不断提高的网络流量产生的ICT产业碳排放，提出了新的工作方向。
自2010年以来，一些光网络的服务供应商一直在进行着100 Gb/s系统的商业部署。而超100 Gb/s的光系统目前还在调查研究阶段，至于400 Gb / s传输速率的以太网，甚至1 Tbit / s的以太网的标准化预计很快就要开展。10*10 Gb/s或4*25 Gb/s的并行100Gb/s传输[1]是目前应用最广泛的技术，适用在短距离用户侧的应用，以及不需高频谱效率，以成本效率为首要目标的光互联。而对于城市网络与要求高传输容量的核心网，以狭窄的信道间隔来实现串行密集波分复用，才是关键要求。
本文进行了关于串行传输的100Gb/s与超100Gb/s的调制格式的技术性分析。
第一部分,主要关注100 Gb/s系统，并概述两种系统，以最高速率运行的电子器件和光电组件状态下的时分多路复用(ETDM)下的二进制100 Gb/s系统，以及在发射端使用四相相移键控和偏振复用,接收机应用相干技术和数字信号处理技术，以运行在更低符号率的先进系统,并分别概述了二者的调制格式。
第二部分，主要研究超100 Gb / s传输速率的下一代传输系统，并将应用单通道或多路电信号载波传输的高等星座图下的M-QAM调制格式，和可实现密集波分复用的“Super channel”。
最后部分，进行总结并且提出关于未来网络使用的传输技术的建议。
2. 100 Gb/s的调制格式
表1描述了各种处于研究阶段与已经实用的100 Gb/s调制格式，列出了它们的属性，是否相干，单个符号代表的比特值，比特率，偏振复用与否下的星座图，密集波分复用中单通道设置，以及频谱效率。随着符号率的降低，调制格式的实现显然变得越来越复杂。而选择低符号率的最主要优势在于，可以使用更低功耗和更低成本的较低运行速率的组件（a），也可以应用50Ghz的通道网络（b）。
注意,拥有两路正交偏振的偏振分复用(PDM)，已被广泛的应用,包括PDM,偏振复用(PM)，双偏振(DP)和正交偏振（OP）。在下面,我们实现了调制格式的传输实验，总结在表1中。
2.1 100Gbaud二进制振幅调制
在光纤链路中，数据传输的典型方法为，在发送端使用以0和1输出的二元强度调制技术，即二进制启闭键控（OOK）。为了通道速率高于10 Gb/s，一个DFB激光器发送的连续光会被
外部马赫曾德耳调节器(MZM)或电吸收调制器(EAM)调制。在接收端，使用高速检测器和高速电子处理技术检测数据信号。图1表示的是，一个基于OOK系统的调制方案。
为了实现1000Gb/s的OOK系统，高速电子元件，光电子组件以及集成技术都需要达到当下技术能实现的极限。而为了达到二进制100Gb的速率，2:1的信号合成器需要使用“InP technology”[3,4]或者锗硅技术[5]。
多种技术可以实现1.55 lm波长下的马赫曾德耳调节器。而最广泛的调制技术是在马赫曾德耳结构上使用铌酸锂材质，它可以在最大程度上降低调制电压，根据行波原理实现高阶调制的45-50Ghz带宽。另一方面，EA调制器在尺寸上更紧凑，可以在符合半导体工艺的标准下，将DFB激光器[6,7]集成到单片电路上。
在接收端，使用一个高速光电二极管用来直接检测100 Gb/s的光路数据。而在100 Gb/s OOK接收端使用的磷化铟光敏二极管，在商用上要求带宽大于60 GHz。并且还将对二极管输出的电信号进行处理。用于电信号解复用的锗硅高速判决器[5]与磷化铟解复用器[8]，也适用于1:2多路解复用和混合时钟提取电路[5,9]。而且，100 Gb/s的光电二极管和电信号1:2解复用器已经实现初步集成[10]。最近，报道了集成时钟恢复电路和电信号解复用器的100 Gb/s-ETDM接收器[11-13]。也有文报道了，一个完整地单片集成了发射机和接收机模块的ETDM系统 [14]。
不同的研究小组研究了，基于OOK [5,15–18]与Duo-Binary格式的100 bit/s系统。由于驱动放大器与MZ调制器在100Gb/s OOK系统中调制带宽的局限，光眼图只能部分张开，需要使用光均衡器提高发射机输出信号的质量[21,22]，或接收机的输入质量。
在100 Gb/s的传输格式中，二进制OOK调制信号表现出最短的比特周期和最大容限的光带宽。在使用中，OOK调制系统的光带宽是符号率和比特率的两倍。并且在Nx100 Gb/s DWDM网络中，ITU-T通道网络的信道间隔达到200 GHz成为可能[18]。在10*107 Gb/s DWDM网络的传输实验中，低至144 GHz信道间隔可被实现[21]。
并且使用可得到残留边带信号(VSB)的光滤波器，在100 Gb/s的光滤波中可以得到更窄的通道间隔。至于VSB滤波，不仅可以通过使用在通道中的可调平面均衡器实现[23],也可以使用周期性结构，比如滤波陡峭且可在密集波分复用通道中同步滤波的光纤梳状滤波器[24]。
经过VSB滤波的100 Gb/s OOK调制信号，能够实现100 GHz信道间隔；还可以通过在密集波分复用通道中同步使用光均衡器，改善信号质量，这是因为它的高通特性抵消了发射机的带宽限制。
在给定的比特率下，OOK调制系统对于光纤传输中的色散(CD)和偏振模色散(PMD)等信号失真是最灵敏的。对比10 Gb/s OOK调制系统，100 Gb/s的色散失真容限低100倍，偏振模色散容限(PMD)则低了10倍(见参考[25])。所以说，如果没有信号补偿，100 Gb/s OOK系统的色散(CD)容限低于10 ps/nm，偏振模色散(PMD)容限低至1 ps。
文献中已报道，使用100 Gb/s OOK调制或100Gb/s PSBT调制的不同单通道和密集波分复用的传输实验。在实验室光纤实验下，OOK传输已经达到400公里到1000公里[26-28]。
在实验室环境下，107 Gb/s OOK-VSB传输已经在光纤上实现 [29-31]，同时也在CD和PMD补偿的光纤基础设施实现[23,32,33]。
2.2 使用多级调制格式的100 Gb/s系统技术
为了减轻对电子电路与光学器件的高速带宽要求，可以使用多级编码(例如DQPSK)。可以用一个符号表达多个比特的多级编码技术，能够在发送端和接收端变得更复杂的代价下，降低系统的符号率。另一方面，多级编码可以降低通道的带宽消耗，让密集波分复用以更窄的通道传输。在本章，我们将主要探究系统供应商已经测试，研究和部署的多级调制格式。
2.3 归零DQPSK调制与直接检测
比之一个符号代表两个比特的OOK调制，四相相移键控(QPSK)是它的比特率的两倍，可以用于50 Gbaud达到100 Gb / s的速率。发射端的输出信号主要是发出连续光的激光器，数据被调制到有四种相位的发射光中。由两个分别在同相和正交相位调制的二进制电信号，驱动的单个MZ-I/Q集成调制器，可以用来实现QPSK调制 (见图2)。
另一种调制DQPSK的方法为，使用串联的两相位调节器（0 . .pi;/ 2和0 . .pi;/ 4）来实现二进制调制，也可以使用一个可以生成四种相位的电调制器。这些方法，都没有充分考虑到尺寸、成本和能耗等因素,而且后者还需要一个高性能的四相电调制器。
在接收端，一比特延迟的双光学延迟线干涉仪(DLI)可应用于解调相位差为plusmn;pi;/ 2的同相正交相位分量。两个解调器的差分光信号，将输入差分二极管或者差分光接收器，来实现QPSK信号的相位检测。至于经典电子时钟恢复,硬判决和电子解复用，都由高速电路实现。
为了在接收机恢复两路初始数据，发送端需要进行预编码来产生正确的I和Q调制信号。文献中有，各种形式的DQPSK预编码器。
DQPSK信号的频谱为56 Gbaud，可以运行信道间隔为100 GHz的波分复用。比之OOK，DQPSK降低了符号率，色散和PMD容限也提高了[33]。表2中,我们比较了各种100 Gb/s调制格式的系统容限。
使用DQPSK调制格式的100 Gb/s的传输系统，以及在实验室或试点光纤环境中被测试成功34-36]，以及使用FEC技术的107 Gb/s环境[37-41]，和111 Gb/s环境[42]，还有使用112 Gb/s OTU4信道比特率的环境下[43,44]。在实时传输速率为53.7 Gbaud 下，DQPSK预编码器被用FPGA技术实现[45,47]，并且被应用在话务速率达至10 Gb/s的高清电视直播的试点运行中[48,49]。
2.4 RZ-DPSK-3ASK调制格式和直接检测
这种方法结合了混合振幅键控和相位调制。这种方法的思想来自于，已经成熟商用的40 Gb/s系统。为了达到OTU4线率[2]的112 Gb/s，将一个符号表示2.5个比特，也就实现了43 Gbauds[50-53]的符号率。图.3左侧为，一个主要由三个光调制器构成的发射机。第一个MZM会生成一个种相位的调幅信号,而第二MZM会生成适用另外一种相位调制,也就是形成了DPSK-3ASK调制格式。最后，使用归零调制抵消码间干扰。表1为，这种调制格式的星座图。
在接收端，会分路光信号，分别进入各自的DPSK接收机，而接收机主要由ASK接收机和由DLI构成的解调器组成。
由于振幅调制的消光比的局限，RZ-DPSK-3ASK调制格式的信噪比极为有限，最终，会极大的限制传输[54,55]。
2.5 偏振多路分配的PM-DQPSK(DP-DQPSK)和直接检测
通过使用可以加倍线路速率和减半符号率的偏振复用(PM)，能够进一步降低符号率。这也就时100 Gb/s偏振多路复用的DQPSK信号或者符号率为28 Gbaud的双线偏振(DP)，可以实现OTU4线率。而28 Gbaud调制格式的关键优势，在于100G DWDM信道间隔为50 GHz。
在PM-DQPSK发射端，需要由两个集成MZ-I / Q调制器各调制一半的光源。而这两个DQPSK信号需要采用偏振光束合路器实现正交极化。相比单路偏振DQPSK，这里需要两个运行速率为28 Gbaud的预编码器。即使是比之单路偏振的DQPSK调制，它的色散容限大四倍，在光纤传输中还是需要色散补偿。
端，使用偏振解复用器分成两路正交的DQPSK数据信号，将它们传输到集成DLI二极管或者对应25–28 Gbaud的一比特延迟的集成DLI光接收机(见图4)。
为了保持运行稳定，避免明显错误，可以使用由一个或两个极化组件控制的快速自动偏振解复用器[56,57]。另一方面，偏振解复用状况不好的情况下，光电二极管与检测二极管的相干串扰会产生低频拍频噪声，可以被控制电路的反馈信号消除[58,59]。在100G传输中使用DP-DQPSK调制，已经在实验室验证[60,61]，最近也在光学基础设施中验证[62]。
2.6 OP-FDM-RZ-DQPSK调制与直接检测
如果要替代快速自动光学偏振解复用器,也可以使用两路偏振去传输两路光载
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