40G-100G相干光通信原理与关键技术

在以太网标准中，MAC层与PHY层之间的10Gbps/40Gbps/100Gbps速率等级所对应的接口分别为XGMII/XLGMII/CGMII，由于XGMII/XLGMII是并行总线，而且采用的是单端信号，HSTL电平，最大传输距离只有7cm。

所以在实际应用中，X GMII/XLGMII基本上被XAUI/XLAUI替代。

XAUI/XLAUI是四通道串行总线，采用的差分信号，CML逻辑传输，并且进行了扰码，大大增强了信号的抗扰性能，使得信号的有效传输距离增加到50cm。

XAUI/XLAUI总线的的物理结构如下图所示。

XAUI/XLAUI在物理结构上是一样的，收发通道独立，各四对差分信号线。

对于XAUI总线，每对差分线上的数据速率为3.125Gbps，总数据带宽为12.5Gbp s，有效带宽为12.5Gbps*0.8=10Gbps （因为XAUI总线数据在传输前进行了8B/10 B变换，编码效率为80%）。

对于XLAUI总线，每对差分线上的数据速率为10.3 125Gbps，总数据带宽为41.25Gbps，有效带宽为41.25Gbps*(64/66)=40Gbps（因为XLAUI总线数据在传输前进行了64B/66B变换，编码效率为96.97%）。

超高速光通信的新技术及应用(上)吕建新2012-4-11 9:08:37 来源：《现代电信科技》 2011年第10期摘要：文章介绍了40 Gbit/s、100Gbit/s及以上速率超高速光通信中将会用到的新技术，包括相位调制、正交幅度调制、多电平调制等新型调制技术；偏振复用和正交频分复用这两种新型复用技术；相干接收技术原理、优点和应用必要性；光子集成技术的应用和技术发展。

最后介绍了这些新技术在400 Gbit/和1Tbit/s 等超高速光通信上的应用。

关键词：相位调制，正交幅度调制，多电平调制，偏振复用，正交频分复用，相干接收，光子集成无线3G、高清视频、高速宽带上网和云计算等业务的需求推动了网络IP流量的快速增长，人们对通信带宽的需求也在不断增长，提高传输速率是提高传输带宽的一项重要技术。

前言本研究报告从40Gb/s光通信系统的发展背景和发展趋势入手，详细介绍了40Gb/s 光系统标准制订、设备研发及测试的基本情况，对其关键技术及其实现方式进行了深入的研究，提出了40Gb/s SDH系统技术方案建议，并对40Gb/s技术发展进行了分析和比较。

本研究报告的编写单位：信息产业部电信研究院通信标准研究所本研究报告的主要编写人：张佰成、赵文玉1目 录1、 概述 (1)1.1 40Gb/s技术发展背景 (1)1.2 本报告内容安排 (3)2、40Gb/s SDH系统研发的相关基本情况 (4)2.1 40Gb/s的标准制定情况 (4)2.2 40Gb/s光电器件产品 (6)2.2.1 40Gb/s SDH系统功能结构 (7)2.2.2 40Gb/s SDH系统主要光电器件产品 (7)2.2.3 40Gb/s光电器件简要分析 (9)2.3 40Gb/s SDH 设备商研发情况 (9)2.4 40Gb/s SDH测试设备研发情况 (13)3、40Gb/s SDH关键技术及其实现 (13)3.1 电子特性限制及其克服 (13)3.2 光学特性限制及其克服 (14)3.2.1 色散效应及其克服 (14)3.2.2 非线性效应及其克服 (15)3.2.3 光信噪比及其解决方法 (15)3.2.4 光器件封装技术限制及其克服 (16)3.3脉冲的调制格式 (16)4、40Gb/s SDH系统技术方案建议 (17)4.1 系统结构与方案 (17)4.2 复用结构与方案 (19)4.3 调制格式及方案 (20)4.3.1 调制格式种类 (20)4.3.2 调制格式比较 (21)4.3.3 调制器及调制格式的选择 (25)4.4色散补偿方案 (26)4.4.1色度色散及其补偿方案 (26)4.4.1.1色度色散基本补偿方法及其比较 (26)4.4.1.1.1 线性补偿 (26)4.4.1.1.2 非线性补偿 (27)4.4.1.2色度色散补偿方案的选择 (27)24.4.1.2.1 40Gbit/s色度色散补偿简要分析 (27)4.4.1.2.2补偿方案选择 (28)4.4.2偏振模色散及其补偿方案 (29)4.4.2.1偏振模色散基本补偿方法及其比较 (29)4.4.2.2偏振模色散补偿方案的选择 (30)4.4.2.2.1 40Gbit/s偏振模色散补偿简要分析 (30)4.4.2.2.2补偿方案选择 (31)4.5同步与定时要求 (32)4.5.1 SDH传输设备时钟的性能要求 (32)4.5.2 SDH传输系统传送定时的功能要求 (32)4.5.3 SDH传输设备的SSM功能要求 (34)5、40Gb/s SDH发展分析 (36)5.1 SDH与以太网的比较 (36)5.2 40Gb/s技术发展分析 (38)340Gbit/s光通信系统关键技术及其应用研究1、 概述1.1 40Gb/s技术发展背景从2000年开始，整个通信与信息行业超高速发展的泡沫经济破产后，作为通信行业主体之一的光纤通信，面临着有史以来最严峻的考验。

用于40G／100G光传输的色散补偿技术作者：FredrikSjostromProximionFiberSystemsAB公司对电信行业的光系统供应商和网络运营商来说，对更快更高性价比的光传输网络的追求是没有止境的。

就像20世纪90年代末期从2.5G(千兆位)到10G的转变一样，电信行业目前正在面临从10G到40G容量转变的技术挑战。

这种转变的步伐大小很大程度上取决于具有合理成本的合适技术。

本文介绍了基于光纤布拉格光栅(FBG)的色散补偿技术如何能节省成本，并满足更高位速率光传输网络所需的技术要求作者：Fredrik SjostromProximion Fiber Systems AB公司对电信行业的光系统供应商和网络运营商来说，对更快更高性价比的光传输网络的追求是没有止境的。

就像20世纪90年代末期从2.5G(千兆位)到10G的转变一样，电信行业目前正在面临从10G到40G容量转变的技术挑战。

这种转变的步伐大小很大程度上取决于具有合理成本的合适技术。

本文介绍了基于光纤布拉格光栅(FBG)的色散补偿技术如何能节省成本，并满足更高位速率光传输网络所需的技术要求。

在过去几年中，基于FBG的色散补偿器已经成为色散补偿光纤(DCF)的实用替代技术。

随着DCF技术的不断成熟，对DCF技术只能进行量变而非质变的改进，因此这一领域如今已充分开放给具有突破性和高性价比的FBG技术。

就像任何突破性技术一样，FBG技术最初也受到种种怀疑，但利用FBG进行色散管理的优点最终变得非常突出而无法让人释怀，这从过去几年全球众多系统所部署的成千个FBG-DCM可以明显地看出来。

基于FBG的色散补偿色散，即短的光脉冲在沿光纤传输时产生的即时失真(扩展或拖尾)，是光传输系统中的一个基本问题。

这种信号的失真如果没有得到正确的补偿将导致码间干扰，最终引起数据丢失和/或业务中断。

克服色散问题的传统方法是在整个光网络中采用多束DCF。

基于DCF的补偿技术是一种非常简捷的技术，它基于的原理是：与实际传输中使用的标准单模光纤相比，这种光纤的色散系数具有相反的符号。

光缆的技术方案光缆作为一种传输光信号的重要设备，将光纤作为传输介质，广泛应用于通信、互联网、电视等领域。

光缆的技术方案是保证光纤传输性能和稳定性的关键，下面将介绍光缆的常用技术方案。

一、单模光缆与多模光缆单模光缆和多模光缆是光缆技术方案的两种基本类型。

单模光缆适用于长距离传输，具有较小的传输损耗和较高的带宽，适合于长距离的光纤通信。

多模光缆适用于短距离传输，具有较大的传输损耗和较低的带宽，适合于局域网和短距离通信。

二、光缆的保护层光缆的保护层是保护光纤不受外界物理损害的重要技术方案。

常见的保护层包括 PVC （聚氯乙烯）、LSZH（低烟无卤）和Armored（钢丝增强）。

PVC保护层具有良好的防水和耐化学物质侵蚀性能，适用于室内环境。

LSZH保护层在着火时能减少有害烟雾的产生，适用于各类公共场所。

而Armored保护层通过钢丝增强光缆的机械强度，提高了光缆的抗拉性能，适用于户外或恶劣环境中的安装。

三、光缆的接口类型光缆的接口类型是光缆技术方案的重要组成部分。

常见的接口类型有SC、LC、FC和ST等。

SC接口具有插拔方便、稳定性好等特点，广泛应用于光纤通信和数据中心。

LC 接口是一种小型化的光纤连接器，适用于高密度的光缆连接。

FC接口采用金属插芯和螺纹锁定机构，具有较好的耐用性和可靠性，适用于特殊环境。

ST接口采用扭转式的锁定机构，适用于长距离传输和多模光纤连接。

四、光缆的传输速率光缆的传输速率是衡量光缆性能的重要指标。

常见的传输速率有10G、40G、100G 和400G等。

10G传输速率适用于长距离的单模光纤传输，广泛用于光纤通信和数据中心。

40G传输速率适用于高带宽需求的通信领域，如数据中心和云计算。

100G传输速率适用于高密度的长距离传输，如智慧城市和物联网。

400G传输速率适用于超高速率的数据传输，如高清视频和虚拟现实。

五、光缆的故障定位技术光缆的故障定位技术是保证光缆可靠性的关键。

常见的故障定位技术有OTDR（光时域反射仪）、光纤局部放电定位技术和光纤光缆测量技术等。

光放大器类型光纤放大器掺稀土元素放大器非线性效应放大器特性。

泵浦和增益系数光放大器的能源是由外界泵浦提供的。

根据掺杂物能级结构的不同，泵浦可以分为三能级系统和四能级系统。

在两种系统中，掺杂物都是通过吸收泵浦光子而被激发到较高能态，再快速驰豫到能量较低的激发态，使储存的能量通过受激辐射被释放出来放大光信号。

两种泵浦原理示意图泵浦激光发射放大器增益随输出功率的变化放大器噪声所有光放大器在放大过程中都会把自发辐射（或散射）叠加到信号光上，导致被放大信号的信噪比（低，其降低程度通常用噪声指数式中的SNR 是由光接收机测得的，因此所得n F =铒的吸收和辐射特性EDFA 增益特性增益特性表示了放大器的放大能力，其定义为输出功率与输入功率之比。

EDFA的增益大小与多种因素有关，通常为15～EDFA 噪声特性EDFA的输出光中，除了有信号光外，还有自发辐射光，它们一起被放大，形成了影响信号光的噪声源，的噪声主要有以下四种：①信号光的散粒噪声；②被放大的自发辐射光的散粒噪声；③自发辐射光谱与信号光之间的差拍噪声；④自发辐射光谱间的差拍噪声。

以上四种噪声中，后两种影响最大，尤其是第三种噪EDFA基本结构EDFA的内部按泵浦方式分，有三种基本的结构：即同向泵浦、反向泵浦和双向泵浦。

同向泵浦信号光与泵浦光以同一方向从掺铒光纤的输入端注入的结构，也称为前向泵浦。

反向泵浦泵浦光WDM系统中的增益带宽增益平坦增益特性优化噪声系数和饱和输出功率EDFA对光纤传输系统的影响非线性问题光浪涌问题色散问题光纤线路的长期可靠性问题受激拉曼散射原理FRA工作原理在许多非线性介质中，受激拉曼散射将一小部分入射功率由一光束转移到另一频率下移的光束，频率下移量由介质的振动模式决定，此过程称为受激拉曼效应。

量子力学描述为入射光波的一个光子被一个分子散射成为另一个低频光子，同时分子完成振动态之间的跃迁，入射光作为泵29混合拉曼/掺铒光纤放大器拉曼放大器和掺铒光纤放大器各有其独特的特点，将FRA 和EDFA 结合起来构成混合拉曼大器（HFA ），也是提高拉曼放大器性能的一种重要方法。

OFDM原理和DOCSIS3.1的OFDM信号产生和分析看到越来越多的通信标准运用OFDM技术，比如：40G/100G的光传输，802.11AC，DOCSIS3.1，UWB，WirelessHD，LTE等，有必要对OFDM的原理要点有一个比较清晰的了解，所以整理了这个材料，供需要时参考。

最后以DOCSIS3.1为例，介绍最新的DOCSIS3.1的OFDM信号的产生和分析的架构和方法。

一、概述正交频分复用技术(OFDM)被设计为一种无线环境下高速传输技术。

信道的频率响应大多是非平坦的，OFDM技术的主要思想就是在频域内将所给信道分成许多正交子信道，在每个子信道上使用一个子载波进行调制，各个子载波并形传输。

这样，尽管总的信道是非平坦的，但每个子信道是相对平坦的，并且每个子信道上市窄带传输，信号带宽小于信道的相应带宽，可以大消除信号波形间的干扰。

又由于各子信道的载波间相互正交，于是它们的频谱是相互重叠，这样既减小了子载波间干扰同时又提高了频谱利用率。

OFDM技术具有较强的抗信道频率选择性衰落的性能，是抗信道多径的有效方法。

OFDM技术的主要优点：1）带宽利用率高。

在传统的并行传输系统中，整个带宽经分割后被送到子信道中，各子信道频带间严格分离，接收端通过带通滤波器虑除带外的信号来接收每个子信道上的数据，频谱利用率低。

OFDM系统中由于各个子载波之间存在正交性，允许子信道的频谱相互混叠，因此与常规的频分复用系统相比，可以最大限度的利用频谱资源。

当子载波个数很大时，系统的频谱利用率趋于2Band/Hz（baud 即波特；1 Baud = log2M (bit/s) ，其中M是信号的编码级数）。

图1 OFDM的带宽利用2)把高速数据流通过串并转换，调制到每个子载波上进行并发传输，使得每个子载波上的数据符号持续长度相对增加，有效地减小由于无线信道的时间弥散所带来的ISI。

此外，OFDM采用了循环前缀技术，即将OFDM符号的后几个样值复制到OFDM符号的前面，有效的抵抗多径衰落的影响。

浅述信噪比（OSNR）在WDM 40G中的重要性梁永庆李东升摘要：随着通信技术的发展，人们对增加带宽的要求越来越强烈，在庞大的业务流量面前，以10G传输技术为基础的承载网带宽将耗尽，这使得通信运营商将网络平滑升级到40G/100G成为承载网的必然选择。

本文主要阐述了OSNR在40G系统中的性特性以及其测试方法。

关键词：OSNR 信噪比40G DWDM一、40G波分复用系统的应用现状及前景目前，大规模商用光传输系统速率已达到了10Gb/s。

短短20年,它的增长速度甚至超过了由摩尔定律定义的微电子技术集成增长速度。

尽管如此,10Gb/s的光传输带宽仍然有限,只要对因特网信息传输速率增长的需求存在,扩大带宽需求就依然是光传输技术需要解决的主要任务之一。

IP业务迅猛发展、路由器40G POS接口的出现、干线网络容量需求极速增长、40G技术日趋成熟，使得40G波分复用顺应技术发展的潮流，在我国通信一级干线、二级干线逐渐投入建设和运行。

二、40G波分的关键技术，OSNR性能指标为重中之重。

在同等物理条件下与DWDM 10G传输系统相比，DWDM 40G 应用的主要技术限制因素有：偏振模色散（PMD）劣化4倍、信噪比（OSNR）劣化4倍（6dB）、色度色散容限降低16倍；非线性效应变得更加明显等，因此，要在同等物理条件下，40G要达到现有DWDM 10同等性能，有如下关键技术：1、新型的调制编码技术，用于提升传输性能，降低OSNR 、PMD 、非线性、色散等各方面的限制。

2、动态色散补偿技术（如：TDC ），用于提高色散容限，消除色散窗口代价。

3、PMD 管理技术，用于提高系统PMD 容限。

码型技术是解决40G DWDM 长距传输的关键技术！4、Raman 放大技术，用于降低非线性效应、提高OSNR 。

5、EFEC 技术，用于提高克服白噪声的纠错能力，降低系统OSNR 要求。

有此可看出，OSNR 是DWDM 40G 网络一个非常重要的技术指标，下面将详细介绍OSNR 以及其再DWDM40G 系统中的测试。