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【摘要】现有的以太网技术已无法满足当前需求，更高速的100GE技术研究正在进行。100GBASE-LR4 是 100GE 的重要传输方式，该传输方式要求支持的传输距离为 40 千米。目前，在 1310nm 波段实现 100GBASE-LR4 的主要挑战是光纤损耗，需要光放大才能支持 40 千米传输；在 1550nm 波段实现该传输的主要挑战是光纤色散，如果使用非归零码型调制，需要采用色散补偿才能支持 40 千米传输，因而导致系统复杂、成本增加。因此，实现 100GBASE-LR4 以太网的无光放大、无色散补偿的 40 千米传输是目前 100G 以太城域网所面临的主要问题，本文一下内容将针对光双二进制编码调制的100GBASE-LR4以太网技术展开分析探讨。
【关键词】高速光纤；色散；光双二进制码；VPI 仿真；100GBASE-LR4
中图分类号：O436.3文献标识码： A
100G 以太网技术的实现给当前的产业界提出了很大的挑战，这需要充分考虑传输系统的复杂度、成本及硬件可实现性等多方面的问题。目前，100GBASE-LR4 的主要实现方式是采用非归零码型（NRZ）调制的 4×25Gbps 波分复用传输技术，即在国际电信联盟远程通信标准化组织（ITU-T）所定义的标准单模光纤 ITU-T G.652 上，通过波分复用技术实现 4 个光波长通道、每通道带宽 25Gbps 的 100G 以太网并行传输，实现 100GBASE-LR4 传输。在1310nm 波段实现该传输的主要挑战是光纤损耗，因而需要光放大才能支持 40 千米传输；在 1550nm 波段实现该传输的主要挑战是光纤色散，如果使用普通的非归零码型（NRZ）调制，25Gbps 光信号的色散限制距离约 20 千米，需要采用色散补偿才能支持 40 千米的传输，因而导致系统复杂、成本增加、适应性差。因此，实现 100GBASE-LR4 的无光放大、无色散补偿的 40 千米传输是目前所面临的主要问题。
一、高速光纤传输特性
高速传输光纤系统中会出现由于光纤传输链路本身产生的信号失真，包括色度色散，偏振模色散及一些非线性效应。色度色散产生的原因主要有两个，一种是材料色散，即由于纤芯中材料的折射率随波长发生变化导致信号展宽；另一种是波导色散，即由于光纤中纤芯与包层的折射率不同造成的脉冲展宽。针对这两种色散效应，可以通过选用窄线宽光源，合适的工作波长以及高级的码型调制加以改善。
非線性效应的产生的原因主要可分为两类：受激散射和依赖于光强的折射率变化。受激散射取决于光强的增益或损耗，其中最有害的效应是受激拉曼散射（SRS），可以通过增大信道间隔，降低每信道输入功率等方式，将 SRS 的功率代价控制在一定范围之内；与受激散射不同，第二类光纤非线性效应称为克尔效应，它表现为介质折射率随光场强度变化而变化，这种变化又反过来附加在依赖于强度的相位上。自相位调制（SPM），和四波混频（FWM）的起因都源于此。
二、光双二进制码型技术
ODB 是一种光通信中的部分响应码型调制及传输技术。其高速传输特性的优势在于提高色散容限、降低通道间隔和对非线性效应的抑制三个方面。ODB 通过相邻脉冲间相位翻转在所传输的信号中引入光相位的相关性，使其拥有色散容限高、带宽窄的传输特性从而增加了信号的传输距离，减小了 WDM 的通道间隔，ODB 信号没有载频分量的特点则更好地抑制了非线性效应。
ODB 的编解码实现主要分为三个部门：预编码、编码以及解码部分。其中，预编码部分主要完成对输入码流的差分编码；编码部分主要实现相关编码功能；解码部分对编码后码流进行模 2 运算。预编码有两种实现方式，传统预编码方案采用延时反馈异或实现，该方案只适用于低速通信系统，对于进行 10Gbps 及其以上的高速率数据信号传输时，严格 1bit 延时很难实现；第二种实现方式使原始信号经过逻辑非门后与时钟进行与运算，等效于将原始信号幅度调制到时钟信号上，再通过一个 T 触发器完成预编码功能，此方式省去了延时反馈，只需简单的逻辑电路就可以实现，所以在高速系统中优势明显。
ODB 有三种编码调制实现方式。非对称延时双驱动 MZM 调制，低通滤波单臂 MZM 调制和低通滤波双臂 MZM 调制。非对称延时双驱动 MZM 调制实现基于数字域相关编码，考虑到高速系统受限于延时精度，该调制方式无法应用于实际高速通信系统。低通滤波单臂 MZM 调制和低通滤波双臂 MZM 调制采用模拟方式实现相关编码功能。不同点在于双驱动模式成本高，但降低了对于前级信号驱动的要求，可配合宽带驱动加成型滤波的编码方案，ODB 编码性能好；而单臂MZM 模式成本较低，但加重了对于前级信号驱动的要求，采用窄带驱动编码方案，ODB 编码性能欠佳。具体实现方式应当依据系统性能和成本进行折中和取舍。
三、100GBASE-LR4 系统级 VPI 仿真
100GBASE-LR4 标准建议的并行传输方式包括：10×10Gbps 并行传输和 4×25Gbps 并行传输，传输距离为 2 千米至 40 千米。4×25Gbps 传输方式在通道数和信道速率上取得最佳折中，少的通道数简化了光收发结构且利于管理，而不太高的信道速率又降低了器件制作工艺难度和成本。
图1100GBASE-LR4 光双二进制波分复用传输系统框图
如图1针对 100GBASE-LR4传输方式进行系统建模，并以实际光双二进制发射机参数对系统进行设定，运用 VPI 软件进行误码传输实验仿真。使用光双二进制发射机的优点在其实现成本相对较低，而系统性能又相对较好。由于光双二进制编码所需的模拟低通滤波部分使得 25Gbps 信号高频分量得到抑制，从而对于调制器的带宽要求仅限在 12GHz，相比普通 NRZ 码型所需的 25Ghz 以上要求的调制器，成本大大降低。本仿真当中编码滤波器带宽确定在 8Ghz 是经过反复调试验证的最佳值，在此带宽 Bessel 滤波器的作用下，编码效果和传输眼图效果较好。VPI 仿真结果给出了通道间隔 50GHz、传输光纤为 G.652 标准单模光纤、工作波长为 1550nm 的 WDM 系统在不同传输距离下的误码率和眼图情况。很明显发现，随着传输距离的增加，眼图张开度开始逐渐恶化，眼高眼宽变小，jitter 抖动增加，特别是在传输 40km 之后，眼图恶化的成度已无法用于网络物理层传输，误码率过大。
四、结语
采用宽带驱动成型滤波双臂 DDMZ 调制的 ODB 实现方式相比窄带驱动单臂调制方式误码性能大大提升，但实现成本也相对加大，传输距离大于 30km 时，不需要前向纠错(FEC)误码率也可低于 10-12。由于 ODB 编码以及调制效果的改进使得其对色散有更强的抑制作用，ODB 在传输 20km 以内误码特性会变好，出现负的功率代价。传输 30km 后误码特性接近背靠背情况，功率代价小于 1dB。传输 40km 后，功率代价可小于 5dB，且未出现误码平台。
参考文献：
[1] 柳大伟, 100G Ethernet 物理层传输技术研究[硕士论文], 上海：上海交通大学电子信息与电气工程学院, 2009
[2] 王亮星, 100G Ethernet 物理层传输技术研究[硕士论文], 上海：上海交通大学电子信息与电气工程学院, 2009
[3] Gerd Keiser 著 李玉权，崔敏，蒲涛 等译 光纤通信[M] 电子科学出版社
【关键词】高速光纤；色散；光双二进制码；VPI 仿真；100GBASE-LR4
中图分类号：O436.3文献标识码： A
100G 以太网技术的实现给当前的产业界提出了很大的挑战，这需要充分考虑传输系统的复杂度、成本及硬件可实现性等多方面的问题。目前，100GBASE-LR4 的主要实现方式是采用非归零码型（NRZ）调制的 4×25Gbps 波分复用传输技术，即在国际电信联盟远程通信标准化组织（ITU-T）所定义的标准单模光纤 ITU-T G.652 上，通过波分复用技术实现 4 个光波长通道、每通道带宽 25Gbps 的 100G 以太网并行传输，实现 100GBASE-LR4 传输。在1310nm 波段实现该传输的主要挑战是光纤损耗，因而需要光放大才能支持 40 千米传输；在 1550nm 波段实现该传输的主要挑战是光纤色散，如果使用普通的非归零码型（NRZ）调制，25Gbps 光信号的色散限制距离约 20 千米，需要采用色散补偿才能支持 40 千米的传输，因而导致系统复杂、成本增加、适应性差。因此，实现 100GBASE-LR4 的无光放大、无色散补偿的 40 千米传输是目前所面临的主要问题。
一、高速光纤传输特性
高速传输光纤系统中会出现由于光纤传输链路本身产生的信号失真，包括色度色散，偏振模色散及一些非线性效应。色度色散产生的原因主要有两个，一种是材料色散，即由于纤芯中材料的折射率随波长发生变化导致信号展宽；另一种是波导色散，即由于光纤中纤芯与包层的折射率不同造成的脉冲展宽。针对这两种色散效应，可以通过选用窄线宽光源，合适的工作波长以及高级的码型调制加以改善。
非線性效应的产生的原因主要可分为两类：受激散射和依赖于光强的折射率变化。受激散射取决于光强的增益或损耗，其中最有害的效应是受激拉曼散射（SRS），可以通过增大信道间隔，降低每信道输入功率等方式，将 SRS 的功率代价控制在一定范围之内；与受激散射不同，第二类光纤非线性效应称为克尔效应，它表现为介质折射率随光场强度变化而变化，这种变化又反过来附加在依赖于强度的相位上。自相位调制（SPM），和四波混频（FWM）的起因都源于此。
二、光双二进制码型技术
ODB 是一种光通信中的部分响应码型调制及传输技术。其高速传输特性的优势在于提高色散容限、降低通道间隔和对非线性效应的抑制三个方面。ODB 通过相邻脉冲间相位翻转在所传输的信号中引入光相位的相关性，使其拥有色散容限高、带宽窄的传输特性从而增加了信号的传输距离，减小了 WDM 的通道间隔，ODB 信号没有载频分量的特点则更好地抑制了非线性效应。
ODB 的编解码实现主要分为三个部门：预编码、编码以及解码部分。其中，预编码部分主要完成对输入码流的差分编码；编码部分主要实现相关编码功能；解码部分对编码后码流进行模 2 运算。预编码有两种实现方式，传统预编码方案采用延时反馈异或实现，该方案只适用于低速通信系统，对于进行 10Gbps 及其以上的高速率数据信号传输时，严格 1bit 延时很难实现；第二种实现方式使原始信号经过逻辑非门后与时钟进行与运算，等效于将原始信号幅度调制到时钟信号上，再通过一个 T 触发器完成预编码功能，此方式省去了延时反馈，只需简单的逻辑电路就可以实现，所以在高速系统中优势明显。
ODB 有三种编码调制实现方式。非对称延时双驱动 MZM 调制，低通滤波单臂 MZM 调制和低通滤波双臂 MZM 调制。非对称延时双驱动 MZM 调制实现基于数字域相关编码，考虑到高速系统受限于延时精度，该调制方式无法应用于实际高速通信系统。低通滤波单臂 MZM 调制和低通滤波双臂 MZM 调制采用模拟方式实现相关编码功能。不同点在于双驱动模式成本高，但降低了对于前级信号驱动的要求，可配合宽带驱动加成型滤波的编码方案，ODB 编码性能好；而单臂MZM 模式成本较低，但加重了对于前级信号驱动的要求，采用窄带驱动编码方案，ODB 编码性能欠佳。具体实现方式应当依据系统性能和成本进行折中和取舍。
三、100GBASE-LR4 系统级 VPI 仿真
100GBASE-LR4 标准建议的并行传输方式包括：10×10Gbps 并行传输和 4×25Gbps 并行传输，传输距离为 2 千米至 40 千米。4×25Gbps 传输方式在通道数和信道速率上取得最佳折中，少的通道数简化了光收发结构且利于管理，而不太高的信道速率又降低了器件制作工艺难度和成本。
图1100GBASE-LR4 光双二进制波分复用传输系统框图
如图1针对 100GBASE-LR4传输方式进行系统建模，并以实际光双二进制发射机参数对系统进行设定，运用 VPI 软件进行误码传输实验仿真。使用光双二进制发射机的优点在其实现成本相对较低，而系统性能又相对较好。由于光双二进制编码所需的模拟低通滤波部分使得 25Gbps 信号高频分量得到抑制，从而对于调制器的带宽要求仅限在 12GHz，相比普通 NRZ 码型所需的 25Ghz 以上要求的调制器，成本大大降低。本仿真当中编码滤波器带宽确定在 8Ghz 是经过反复调试验证的最佳值，在此带宽 Bessel 滤波器的作用下，编码效果和传输眼图效果较好。VPI 仿真结果给出了通道间隔 50GHz、传输光纤为 G.652 标准单模光纤、工作波长为 1550nm 的 WDM 系统在不同传输距离下的误码率和眼图情况。很明显发现，随着传输距离的增加，眼图张开度开始逐渐恶化，眼高眼宽变小，jitter 抖动增加，特别是在传输 40km 之后，眼图恶化的成度已无法用于网络物理层传输，误码率过大。
四、结语
采用宽带驱动成型滤波双臂 DDMZ 调制的 ODB 实现方式相比窄带驱动单臂调制方式误码性能大大提升，但实现成本也相对加大，传输距离大于 30km 时，不需要前向纠错(FEC)误码率也可低于 10-12。由于 ODB 编码以及调制效果的改进使得其对色散有更强的抑制作用，ODB 在传输 20km 以内误码特性会变好，出现负的功率代价。传输 30km 后误码特性接近背靠背情况，功率代价小于 1dB。传输 40km 后，功率代价可小于 5dB，且未出现误码平台。
参考文献：
[1] 柳大伟, 100G Ethernet 物理层传输技术研究[硕士论文], 上海：上海交通大学电子信息与电气工程学院, 2009
[2] 王亮星, 100G Ethernet 物理层传输技术研究[硕士论文], 上海：上海交通大学电子信息与电气工程学院, 2009
[3] Gerd Keiser 著 李玉权，崔敏，蒲涛 等译 光纤通信[M] 电子科学出版社