100G及以上超高速光通信系统关键技术浅析

随着社会信息化进程的不断推进，超高清视频、云计算、物联网等新兴业务的萌芽与发展对带宽的需求急剧增长。业务需求驱动技术进步，光传输系统单通道传输速率经历了从2.5Gbit/s→10Gbit/s→40Gbit/s→100Gbit/s的提升，下一代的超100G光传输系统也在酝酿突破。

100G及以上的超高速光通信系统是如何获得传输速率的极大提升？相对于低速率光通信系统，100G光系统的创新之处在于哪里？本文试着为你一一解读。

传统光通信系统采用强度调制/直接检测(IM/DD)，即发送端调制光载波强度，接收机对光载波进行包络检测。这种系统结构简单、容易集成且成本较低，但是它仅能采用幅度调制，频带利用率很低，系统的传输容量和中继距离也因此受到很大的限制。借鉴无线通信系统中对电磁波进行多种方式的调制以提高频谱利用率的思路，我们能否也对光载波进行频率和相位的调制呢？答案是肯定的，但前提是，这种光载波必须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）。于是，研究者们将目光投向了相干光。相干光是指频率相同、振动方向不垂直，且相位差恒定的光。利用这一特性，可以在发送端通过调幅、调频、调相的方式采用外光调制技术把发送信号调制到光载波上。在接收端，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。这就是相干光通信技术，也即100G及以上超高速光通信系统背后的关键技术。

图：相干光通信系统原理框图

由于充分利用了光信号的可调制维度（幅度、相位、偏振态）来承载数据，以相干光代替普通光源可以极大地提高频谱效率，在可用频带资源不变的情况下进一步提升单根光纤的传输容量。总结起来，相干光通信技术的主要优势有：可以使用PSK、DPSK、QAM等多种调制格式，利于灵活的工程应用；在相同的通信条件下，相干检测接受机比普通的接收机的灵敏度可提高大约20dB，进而可延长光传输系统的中继距离；相干检测具有优良的波长选择性，相干接收机可以使频分复用系统的频率间隔大大缩小，即密集波分复用（DWDM），取代传统光复用技术的大频率间隔，具有以频分复用实现更高传输速率的潜在优势。

在实际运用中，基于成本和兼容性等方面的考虑，可以充分利用已铺设的光纤光缆，在现有光传输系统上通过升级和改造光收发单元以提高单个波长通道传输数据率的方式来提升系统容量。通过上述方式改造后的100G光通信系统具有最优的性价比和可行性。

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