相干传输：应对带宽需求的关键技术

 随着物联网、AR/VR、5G 等全新应用场景的不断演进和落地，目前全球数据量增长迅速。据思科最新报告显示，目前全球数据中心的数据量增速为 27%CAGR，预计到 2020 年将达到 15.3ZB。数据量的激增给网络传输带来了更高的要求，目前 100Gb/s 的技术已经成熟并且实现规模商用部署，而这还是不够的。技术厂商正在向更高传输速率标准迈进。

图 全球数据中心数据增长(来源:思科)

持续增长的带宽需求与业界应对

目前 400Gb/s 的网络传输技术已经逐渐从幕后的技术研究走向了商用前台，尤其是最近几年发展更为迅速。从 400Gb /s 标准化进展来看，国内标准化组织——中国通信标准化

协会(CCSA)、国际电信联盟(ITU-T)、国际电气电子工程师学会(IEEE)、光互联论坛(OIF)等均得了明显进展。现阶段从全球范围内来看，100G 以太网速率已经在数据中心有大量的应用，400G 速率作为下一代速率在产业内已经开始广泛的研究，相关标准组织的研究和讨论也在推进中。400Gb /s 技术和标准最新进展进一步推动了 400Gb /s技术步入商用化的进程，如何合理部署 400Gb /s 成为业界关注的焦点。由于物理极限,在 100Gb/s 以及更高速度的系统中,相干传输技术逐渐成为利用现有设备来克服技术极限的关键.相干传输技术可用于 100G 和 400G 应用，因为它使得服务提供商能够通过现有的光纤发送更多的数据，减少为带宽扩展而进行网络升级的成本和复杂性。当前用于相干光的定时解决方案在成本和尺寸方面还未达到最优化，需要 VCSO、时钟发生器和分立器件的多样化组合。

图 带宽的增长与对应的支撑技术

众所周知，随着传输距离和数据容量的加大，在光传输过程中的损耗也就越大，数据中心互联需要克服远距离上的信息传输问题，于是相干技术就成为了实现数据中心互联中相当重要的一个环节。据与 Microsemi 合作的 ClariPhy 亚太区高级总监Andrew 介绍：“相干技术是业界一致公认的 100G 及以上传输的首选，也是单光纤(L+C 波段)从 10Tbps 升级到 70Tbps 的唯一选择。将相干技术用于数据中心互联能够极大地降低每比特光传输中损耗，从而提高数据传输效率。”不仅如此，相干技术也可以在 100G 和超 100G 上实现最低总体拥有成本，弃用传统昂贵的色散补偿模块(DCM)，使用基于 CMOS 的 DSP 芯片对光纤噪声损耗进行数字补偿。利用相干技术能够灵活地调整光纤长度，同时也能够保障数据传输量可扩展到每波长 400G，即用更大的容量来降低每比特成本。

图 当前光通信的主要标准及其参数

相干传输 简介(coherent transmission)

在相干光通信中主要利用了相干调制和外差检测技术。所谓相干调制，就是利用要传输的信号来改变光载波的频率、相位和振幅(而不象强度检测那样只是改变光的强度)，这就需要光信号有确定的频率和相位(而不象自然光那样没有确定的频率和相位)，即应是相干光。

图 电磁波的极化

激光就是一种相干光。所谓外差检测，就是利用一束本机振荡产生的激光与输入的信号光在光混频器中进行混频，得到与信号光的频率、位相和振幅按相同规律变化的中频信号。数字相干接收技术使得光传输系统具有足够的色散容限和偏振模容限，无需考虑线路传输上的色度色散和偏振模色散的影响，这给网络建设和运维带来一系列好处，主要包括：

1. 简化了传输线路上的光学色散补偿和偏振解复用设计，线路设计更简单;

2. 消除了低 PMD 光纤的依赖，适用于各种规格的传输光纤，方便光纤线路速率升级;

3. 消除了传输线路 DCF 光纤非线性效应的影响，减少了线路放大器的数量和ASE 噪声的影响，降低了线路成本，提升了系统长距传输能力;

4. 减小了线路传输时延，按照 1km 光纤 5us 的时延计算，消除 DCF 光纤所带来的时延减少非常可观，这对时延敏感的应用环境意义重大;

5. 保护恢复时间小于 50ms，(不同于 40G 系统)100G 数字信号处理自适应色散补偿算法收敛迅速，完全满足电信级恢复时延要求。

基于数字相干接收 PM-QPSK 调制的 100G 光传输技术在长距离光传输技术史上具有里程碑意义，这不仅仅体现在 100G 光传输性能的巨大提升和建网运维的显著优势上，更是由于其为后续超 100G 传输技术的发展奠定了基础。超 100G 光传输将继承 100G 光传输系统的设计思想，采用偏振复用、多级调制提高频谱效率，采用 OFDM 技术规避目前光电子器件带宽和开关速度的限制，采用数字相干接收提高接收机灵敏度和信道均衡能力。然而，超 100G 光传输由于非线性效应的限制，传输距离和频谱效率之间的矛盾非常显著，选择更高级别的 QAM 调制提高频谱效率和传输速率，其传输距离可能远低于目前 100G 系统。这决定了 100G速率在长距离光传输应用上会占据一个比较长的时间窗口，其大规模在网应用时间保守估计在 10 年以上。[!--empirenews.page--]

图 相干发射机原理图

图 相干接收器原理图

传统光调制

传统光调制采用功率调制技术，来自信息源的电信号按规定的时间间隔抽样，由一些分立的抽样信号代替了连续信号。这些抽样信号被转译为二元数字：数字 1 表示 1 个光脉冲，数字 0 表示没有脉冲。为了易于传输，可以用不同形式的脉冲表示 1 和 0，这称为脉冲代码。这些脉冲在光纤中传输后到达输出端被接收，通过放大后重新生成与原来信号一样的脉冲。这种调制方式的优点是微弱信号再生与探测的可能性。它可以通过改变光源的注入电流来调制光源的输出功率 。

相干光调制

相干光调制，通过较低频率的电磁场来调制光场的振幅(AM)、相位(PM)和频率(FM)，这种调制技术需要的条件有以下几条：

1) 光源的振幅、频率和相位是稳定的，无波动的;

2) 通常利用电光效应进行外调制;

3) 接收器需采用外差检测系统。

当相干调制光信号传输到达接收端时，首先与─本振光信号进行相干耦合，然后由平衡接收机进行探测。根据本振光频率与信号光频率不等或相等，可分为外差检测和零差检测。前者光信号经光电转换后获得旳是中频信号，还需二次解调才能被转换成基带信号。后者光信号经光电转换后被直接转换成基带信号，不用二次解调，但它要求本振光频率与信号光频率严格匹配，并且要求本振光与信号光旳相位锁定。

图 相干通信常用的调制方式与其参数

相干通信的关键器件: 线性调制器

近年来, 业界在光器件方面取得了很大的进步，其中激光器的输出功率，线宽，稳定性和噪声，以及光电探测器的带宽，功率容量和共模抑制比都得到了很大的改善，微波电子器件的性能也大幅提高。这些进步使得相干光通信系统商用化变为可能。在发送端，采用外调制方式将信号调制到光载波上进行传输。当信号光传输到达接收端时，首先与一本振光信号进行相干耦合，然后由平衡接收机进行探测。相干光通信根据本振光频率与信号光频率不等或相等，可分为外差检测和零差检测。前者光信号经光电转换后获得的是中频信号，还需二次解调才能被转换成基带信号。后者光信号经光电转换后被直接转换成基带信号，不用二次解调，但它要求本振光频率与信号光频率严格匹配，并且要求本振光与信号光的相位锁定。

图 一个完整的相干传输收发系统

业界领先的光通信器件厂商 MACOM 最近推出了能在单个波长上达到 600Gbit 传输带宽的线性驱动器: “MAOM-00641X 系列器件。此器件能在使用 64GHz 的频率上使用64QAM 的调制方式，且能输出差分与单端信号。“

图 器件框图

展望

随着短距离通信的带宽进一步增长,相干传输技术应用将更加普遍。对于超长波长(2～10μm)光纤通信来说，相干光通信最具吸引力。因为在超长波段，由瑞利散射决定的光纤固有损耗将进一步大幅度降低(瑞利散射损耗与 1/λ^4 成正比)，故从理论上讲，在超长波段可实现光纤跨洋无中继通信。而在超长波段，直接探测接收机的性能很差，于是相干探测方式自然而然地成为唯一的选择了。

超长波长光纤通信系统是以超长波长光纤作为传输介质，利用相干光通信技术实现超长距离通信。在该系统中超长波长光纤是至关重要的。它是一种更为理想的传输媒介，其主要特性是损耗特低，只有石英材料的千万分之一。因此，超长波长光纤可以实现数万公里传输，而不要中继站。它可以大幅度降低通信成本，提高系统的稳定性和可靠性，对海底通信和沙漠地区更具有特别重要的意义。

研究的超长波长光纤主要是氟化物玻璃光纤，其理论损耗值非常低，如 Ba-F2-Gd-ZrF4-ALF3 光纤在 3μm 左右的理论最低损耗为 10-3dB/km，GaF2-BaF2-YF2-ALF3 光纤的透明范围为 27μm，在 3μm 左右的最低理论损耗为 10-2dB/km。

从光纤的色散特性来看，氟化玻璃材料光纤也可以实现零色散。例如，由镐、铝和镧组成的氟化物光纤，在 1.7μm 可实现零色散，在 4μm 波长的色散也很小，只有 45ps/nmkm。而且，氟化物玻璃光纤在较宽的波长范内，比石英光纤的色散要低。这样，可在大范围内实现波份复用。

随着光纤通信技术的发展，利用超长波长光纤实现超长距离通信是今后光纤通信发展的重要方向之一。在不久的将来，传统光通信系统过于简单的结构必定无法满足高速增长的带宽需求，而相干光通信技术作为一个研究相对成熟，潜在优势明显的选择，必定会受到学术界和企业越来越多的关注。