流量增长给长途传输带来带宽压力 网络流量的增长导致传输网络上端口带宽的增加。对于长距离和高带宽传输，基于波分复用器（WDM）的相干传输技术提供了最佳解决方案。历史文章：400G+光传输系统：波特率，调制和频谱技术
随着400G相干解决方案的成熟，对400G相干端口的需求将快速增长。推动400G相干端口增长的动力有两个：
- 网络带宽增长；
- 客户端400GE端口数量的增加。
用一个400G波长承载400GE业务被证明是最具成本效益的方法。根据LightCounting的预测报告，400G相干端口将在越来越多的网络中使用，并将在未来 5 年内出现最快的增长。随着网络流量、总波长、单网波长数的不断增加，网络运营商也将提高网络管理和调度的灵活性要求，从而推动可重构光分插器的大规模部署。多路复用器（ROADM）和光交叉连接（OXC）。通过波长选择交换（WSS）技术，运营商可以根据需要动态配置波长路径，通过光路实现点对点连接，降低时延和功耗。由于这些好处，越来越多的运营商正在采用这种解决方案。例如，2017年中国T运营商在长江中下游沿线建设了多达364个波长的ROADM网络。灵活速率调制和灵活网格技术使 DWDM 网络更加灵活和弹性，而传统的 DWDM 系统使用固定的 50/100 GHz 网格、中心频率和通道宽度。如果灵活调制和网格技术可用，每个端口的调制格式和通道宽度可以根据容量和传输距离进行定制，提高频谱效率和传输容量。下图是灵活网络配置的灵活速率和网格示意图。
网络架构的变化需要支持 Flex Rate 和 Flex Grid 的更灵活的线路侧光模块。目前光网络的趋势向着更高的光谱效率，接近香农极限 相干光模块向三个方向发展：
- 频谱效率：根据oDSP算法的进步，提高频谱效率和单纤容量；
- 波特率：提高单波长波特率，获得更高的单端口带宽，降低每比特成本和功耗；
- 体积更小、功耗更低：采用集成光电元件、先进的制造工艺和专用的oDSP算法。
由于香农限制，64 Gbaud 400G 波长无法达到长距离光传输所需的性能。需要使用更高的波特率和更复杂、更强大的oDSP算法来满足城际（区域）和长途骨干网的要求。例如，对于长距离链路（> 1000 km），400G 波长的波特率应在90 Gbaud以上，并且需要同时提高oDSP中的ADC和DAC速率。然而，随着波特率的提高，光纤传输的代价更高，更难以补偿。因此，需要更强的补偿算法来补偿物理车道损伤。鉴于ROADM已经被广泛使用，一条端到端的波长链路需要通过几个甚至几十个ROADM，其中包含波长选择开关（WSS）。WSS滤波叠加效应缩小了链路的有效带宽，对oDSP中的补偿算法提出了更高的要求。下图为多级 ROADM 对光通道带宽的影响
此外，许多运营商希望根据端口速率和传输距离灵活配置调制格式和波特率。例如，为400G长距离传输部署400G 16QAM，为数十公里城域数据中心互连部署800G 64QAM，以提高频谱效率并降低每比特成本。借助这种灵活的调制技术和光层的柔性网格，可以最大限度地提高光纤容量，从而节省光缆投资。长距离大容量传输网络400G光模块 海思光电长距离大容量400G相干光模块解决方案满足不同客户的需求，每个模块都支持灵活速率调制（100G/200G/400G），采用CFP2和微封装。为满足客户大容量需求，同时支持40nm C波段谱宽和48nm Super C波段，最大支持120个波长。小尺寸硅光子元件或高性能高带宽InP元件用于满足一系列不同的应用场景。不同封装的400G相干光模块原理相同。400G相干光模块的Tx端由oDSP、数据驱动器、波长可调激光器和PDM-I/Q调制器组成。首先，来自主板的数据被映射和编码。然后，Tx-oDSP对数据链路带宽进行频谱整形和补偿。之后，数据驱动器放大幅度并将放大后的数据输入调制器。然后调制器将数据转换为光信号以供输出。在Rx侧，光信号进入ICR，与本振波长发生干涉，实现光电转换。高速ADC对电信号进行采样后，对色散（CD）、偏振态（SOP）进行补偿，下图是相干光模块框图。
针对用于400G大容量远距离传输的400G CFP2模块，有如下建议：
- 符合CFP2协议（MSA）；
- 使用CFP2封装；
- 编译符合400G CAUI-8和FlexO接口规范；
- 支持多种调制格式，包括QPSK和16QAM；
- 支持400G 16QAM 500 km @ 75 GHz和200G QPSK 2000 km @ 75 GHz。
400G CFP2是可插拔光模块，提供最优性能，融合多项创新技术，提升400G传输性能。下图为400G CFP2框图。
● 高性能低功耗oDSP为增加传输距离，采用Turbo Product Codes (TPC) FEC技术——高性能、低功耗——不断逼近香农极限。还支持从 200G 到 400G 的弹性速率。此外，采用低功耗IP/DSP架构实现可插拔和低功耗特性。对于400G CFP2，支持多种调制格式，包括 400G 16QAM、200G QPSK 和 DQPSK。对于大容量传输，推荐16QAM实现单波长400G@75GHz传输。对于新网络，建议使用 QPSK 进行 200G@75 GHz 传输，传输距离为 2000 公里。相反，DQPSK适用于混合场景的现有网络，以减少对线性的影响。● 超强C波段能力在波分复用系统中，单纤系统容量直接受传输波长数的影响。该CFP2模块是业界首款Super C波段光模块，支持80个波长的400G@75G，实现32T的单纤光传输能力。Super C波段的实现依赖于其他能力，包括底层激光器、ICTR和内置光放大器（OA）。为了实现 CFP2 封装的低功耗紧凑设计，Tx 和 Rx 共用一个激光器，在此过程中使用的激光器更少。此外，海思独特的激光器设计采用紧凑型纳米激光器，具有高输出光功率。下图为超宽带光谱（120 个波长）。
● 输出光功率调节范围大在长距离传输中，需要对输出光功率进行微调以获得更好的性能。400G CFP2的输出光功率可以在+1dBm到+4dBm的范围内精确调节，以满足不同光层的输入功率要求。 ● 硅光子集成 ICTR400G CFP2光模块中采用了硅光子ICTR技术，以最小化物理尺寸。由于其独特的光学特性，硅光子具有更大的光场限制，从而产生更紧凑的波导结构。此外，硅光子支持偏振处理，可以实现双偏振16QAM信号的调制和相干检测，同时最大限度地减小ICTR芯片的尺寸。● 光电多芯片封装从oDSP到光调制器的射频链路性能经过优化，可降低对驱动器的要求，从而降低功耗。此外，光学芯片和电子芯片封装在一起以减小物理尺寸。 ● 高性能紧凑型OA硅光子 ICTR 技术用于实现紧凑的尺寸，但会导致相对较大的插入损耗。为满足高性能光传输的要求，输出端采用海思自主研发的小型OA放大光信号。此外，OA的NF针对高质量的放大光信号进行了优化。针对长距离、超大容量传输的400G MSA光模块，有如下建议。● 高性能oDSP为增加传输距离，采用高性能 FEC 技术不断逼近香农极限，同时支持 200-800G 的弹性速率。当全光网络架构中ROADM数量和级联滤波器数量增加时，采用快于奈奎斯特（FTN）算法来增强滤波器的直通能力，确保多级滤波器不会造成损失。将光纤链路数据采集分析模块集成到网管系统中，提升全生命周期运维能力下图400G MSA 传输性能。
● 高性能激光器在相干400G系统中，可调激光器在Tx处提供光信号以进行调制。在Rx处，另一个可调激光器提供光信号，用作相干检测的本地参考信号。激光器应具有以下特点：
- 高输出光功率：保证模块的高入射光功率，提高传输性能；
- 窄线宽：非线性相位噪声是光信号通过光纤传输后引入的，线宽与相位噪声直接相关。对于高正交幅度调制 (QAM) 传输尤其如此，它进一步提高了对线宽的要求。采用具有SOA的独特InP集成激光器来确保高输出光功率。
此外，采用独特的光栅设计和波长控制方案，实现超窄线宽和高稳定性波长锁定。此外，通过优化激光器的增益介质和可调光栅，覆盖了超C波段的可调激光器。下图为高性能激光器。
● 高性能调制器通常，调制器是通过使用以下三种技术之一创建的：铌酸锂 (LiNbO 3 )、铟磷 (InP) 或硅光子技术。每个人都有自己的长处和短处。LiNbO 3是成熟的光学元件平台，可以实现高带宽和低驱动幅度，但元件尺寸相对较大。InP支持高带宽调制，可集成SOA实现高输出光功率。但是InP对温度很敏感，温度控制需要TEC。另一方面，硅光子调制器在减小物理尺寸的同时，在芯片级集成了偏振复用功能单元，但需要较大的驱动电压。400G MSA使用半绝缘基板和独特的Mach-Zehnder调制器，实现高带宽InP I/Q-MZ和SOA集成。这样，就实现了高调制带宽和高输出光功率。如下图为InP 调制器支持的高调制带宽。
● 高性能光电orRFIC在相干光接收器的Tx处，需要一个驱动器来放大电信号以驱动光调制器。在Rx端，需要一个TIA将电流信号转换为电压信号并放大电压信号。相干系统采用QAM；因此，Driver 和 TIA 需要具有更高的带宽和更好的线性度。基于创新的电路架构和有源均衡设计，实现了超高带宽、超高线性度、超低噪声的线性驱动器和TIA。相干驱动调制器 (CDM) 和 ICR 还提供高带宽。如下图为TIA和驱动。
● 高性能ICR在相干光接收器中，在Rx处使用ICR来接收光信号。此过程还涉及用于将光信号转换为电信号的光混频器和PD。ICR相关技术包括：用于ICR集成的绝缘体上硅 (SOI) 技术；用于光学混频器的平面光波电路 (PLC) 技术；和一个InP PD。基于SiN技术的光混频器可用于实现良好的光纤耦合和偏振处理，以获得最佳的光混频效果。具有高带宽和高灵敏度的 InP PD 通过独特的倒装芯片封装安装在SiN芯片上，形成了高集成度、高性能和小尺寸的ICR。ICR图如下。
● 高性能封装400G MSA使用高性能充电设备模型 (CDM) 封装。高带宽驱动器和调制器封装在一个组件中，减少了高速射频信号的走线长度，从而确保了高速信号的完整性和组件的高带宽。一些电口使用管脚来保证接入信号的稳定连接和带宽，从而提高CDM组件的性能。如下图为高性能组件封装示意图。
● 200-800G弹性速率，单波800G大容量传输凭借强大的oDSP和高带宽光学元件，该微模块支持高阶QAM。同时，星座整形2.0用于支持200-800G调整。此外，内置OA可以保证更高阶调制下的输出光功率。下图展示灵活的调制格式。
对更高容量、更低每比特成本和更低功耗的需求正在推动光模块的传输速率越来越高。100G作为上一代的主流技术，已经进入生命周期的成熟稳定阶段，单位成本降低极为有限。目前，主流的400G光模块已经应用于数据中心组网、城域综合承载网、大容量长距离传输网等多种网络场景。
本文来源于网络，由“通信百科”公众号整理发布。
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