光纖通信原理-相干光通信

第9章 相干光通信

引入：為什么要發(fā)展相干光通信？相干光通信的理論和實(shí)驗(yàn)始于20世紀(jì)80年代。9.1相干光通信9.1相干光通信 9.2高級(jí)光調(diào)制格式 9.3光信號(hào)的相干檢測(cè) 9.4集成可調(diào)諧窄頻激光器 9.5集成相干接收器 9.6高速數(shù)字信號(hào)處理 9.7光子集成芯片 9.8100G/400G光模塊9.1相干光通信

9.1.1光調(diào)制技術(shù)9.1.2相干光通信9.1.1光調(diào)制技術(shù)

幅移鍵控（ASK）是以基帶數(shù)字信號(hào)控制載波的幅度變化的調(diào)制方式。頻移鍵控（FSK）是以基帶數(shù)字信號(hào)控制載波頻率變化的調(diào)制方式。相移鍵控（PSK）是以基帶數(shù)字信號(hào)控制載波頻率變化的調(diào)制方式，基帶信號(hào)只控制光載波的相位變化，而振幅和頻率保持不變。9.1.2相干光通信

1.相干光通信系統(tǒng)在發(fā)送端，用外調(diào)制方式將電信號(hào)以調(diào)幅、調(diào)相、或調(diào)頻的方式調(diào)制到光載波上，調(diào)制后的光信號(hào)經(jīng)過(guò)光纖鏈路傳輸后到達(dá)接收端；在接收端，光信號(hào)與本振光在90°混頻器中進(jìn)行相干混合，經(jīng)過(guò)光檢測(cè)器轉(zhuǎn)換后的電信號(hào)被模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片（ADC）采樣，送進(jìn)數(shù)字信號(hào)處理芯片進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理（DSP），實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的恢復(fù)。2.相干光通信的關(guān)鍵技術(shù)(1)窄線寬光源(2)高級(jí)光調(diào)制MPSK，MQAM(3)平衡接收(4)高速數(shù)字信號(hào)處理(5)偏振控制(6)非線性串?dāng)_控制3.相干光通信的優(yōu)點(diǎn)(1)靈敏度高，中繼距離長(zhǎng)在相同的條件下，相干接收機(jī)比普通接收機(jī)提高靈敏度約10～20dB(2)波長(zhǎng)選擇性好，通信容量大(3)支持多種調(diào)制方式，提高了頻譜利用率(4)電域內(nèi)處理信號(hào)9.2高級(jí)光調(diào)制格式

9.2.1多進(jìn)制相移鍵控9.2.2多進(jìn)制正交幅度調(diào)制9.2.3脈沖幅度調(diào)制【思考與討論】我們?yōu)槭裁匆獙?duì)傳輸?shù)臄?shù)字信號(hào)進(jìn)行一些復(fù)雜的高級(jí)調(diào)制呢？9.2.1多進(jìn)制相移鍵控

1．MPSK的基本原理奈奎斯特定理（Nyquist'sTheorem）1924年，奈奎斯特推導(dǎo)出理想低通信下，最高碼元傳輸速率為2WBaud，其中W是理想低通信道的帶寬。也就是說(shuō)，每赫茲帶寬的最高碼元傳輸速率為每秒2個(gè)碼元。對(duì)于編碼方式的碼元狀態(tài)數(shù)為M，信道極限信息傳輸速率（信道容量）為奈奎斯特定理告訴我們要想增加信道的比特傳送率有兩條途徑，一方面可以增加該信道的帶寬，另一方面可以選擇更高的編碼方式。多進(jìn)制數(shù)字相位調(diào)制簡(jiǎn)稱多相制調(diào)制，它是用正弦波的M個(gè)相位狀態(tài)來(lái)代表M組二進(jìn)制信息碼元的調(diào)制方式，包括多相位相移鍵控信號(hào)（MPSK）和多相位差分相移鍵控信號(hào)（MDPSK）。M表示每個(gè)碼元可能的相位狀態(tài)數(shù)，每個(gè)碼元含有n比特，M滿足M=2n，故采用這種調(diào)制格式時(shí)，比特率是波特率的n倍。M相調(diào)制波的時(shí)域形式可以表示為：所有碼元的波形時(shí)序構(gòu)成M相調(diào)制波的信號(hào)時(shí)域波形。一般用帶箭頭的線條來(lái)表示正弦載波信號(hào)的波形變化，相當(dāng)于一個(gè)矢量以角速度逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的投影的變化。箭頭的長(zhǎng)度是正弦波的振幅，也就是矢量的模；是正弦波的角頻率；而模和橫軸的夾角是正弦波的瞬時(shí)相位。通常把調(diào)制信號(hào)矢量端點(diǎn)在空間中的分布形式稱為調(diào)制星座圖BPSK、QPSK和8PSK的調(diào)制星座圖QPSK規(guī)定了4種載波相位，分別為π/4、3π/4、5π/4、7π/4，每個(gè)載波相位攜帶2個(gè)二進(jìn)制碼元，調(diào)制器輸入的數(shù)據(jù)是二進(jìn)制數(shù)字序列，為了能和四進(jìn)制的載波相位配合起來(lái)，則需要把二進(jìn)制數(shù)據(jù)變換為四進(jìn)制數(shù)據(jù)，也就是說(shuō)，需要把二進(jìn)制數(shù)字序列中每2比特分成一組，共有4種組合，即00、01、10、11，其中每一組稱為雙比特碼元。每個(gè)雙比特碼元由兩位二進(jìn)制信息比特組成，它們分別代表四進(jìn)制4個(gè)碼元中的一個(gè)碼元。QPSK中每次調(diào)制可傳輸2個(gè)信息比特，這些信息比特是通過(guò)載波的4種相位來(lái)傳遞的，顯然，這比BPSK的比特率提高了一倍。2.IQ調(diào)制在該雙平行調(diào)制器中，輸入信號(hào)被平分為兩路，每一路都通過(guò)一個(gè)相對(duì)低速的相位調(diào)制器。其中一路信號(hào)經(jīng)過(guò)90°移相后與另一路相加，通過(guò)干涉效應(yīng)，得到的信號(hào)再結(jié)合后形成QPSK信號(hào)，這種調(diào)制也稱為IQ調(diào)制。I表示In-phase，是同相或?qū)嵅?，Q表示Quadrature，是正交相位或虛部，IQ調(diào)制器幅度IQ調(diào)制器相位3.QPSK信號(hào)在發(fā)射機(jī)中，基帶信號(hào)經(jīng)過(guò)串并轉(zhuǎn)化后得到I、Q兩路速率減半的二電平信號(hào)，分別通過(guò)MZM調(diào)制器，得到兩路BPSK信號(hào)，其中一路信號(hào)經(jīng)過(guò)90°相移后與另一路相加，得到QPSK調(diào)制的4個(gè)相位狀態(tài)。QPSK調(diào)制的實(shí)質(zhì)是輸入的碼對(duì)（00、01、10、11）對(duì)光載波做相移，最后得到相位分別為π/4、3π/4、5π/4、7π/4的光載波。4.偏振復(fù)用-正交相移鍵控第一路光信號(hào)正交偏振的第二路光信號(hào)攜帶獨(dú)立信息，在同一光纖上傳輸。這樣就實(shí)現(xiàn)了雙通道并行傳輸，傳輸帶寬加倍，而不需要第二個(gè)光纖PM-QPSK把1個(gè)光信號(hào)分離成2個(gè)偏振方向，再把信號(hào)調(diào)制到這兩個(gè)偏振方向上。相當(dāng)于數(shù)據(jù)做了“1分為“2”的處理，速率降低一半；QPSK，—個(gè)相位就表示2個(gè)數(shù)字比特，也相當(dāng)于對(duì)數(shù)據(jù)做了“1分為2”的處理，速率降一半?！居懻撆c創(chuàng)新】如果想再提高傳輸速率，能使用16PSK，32PSK，64PSK嗎？9.2.2多進(jìn)制正交幅度調(diào)制

1.多進(jìn)制正交幅度調(diào)制QAM是英文QuadratureAmplitudeModulation的縮略語(yǔ)，中文的意思為正交幅度調(diào)制，是一種數(shù)字調(diào)制方式。多進(jìn)制正交振幅調(diào)制（MQAM）的時(shí)域波形表達(dá)式為MQAM調(diào)制信號(hào)的矢量端點(diǎn)在信號(hào)空間中的分布有很多種形式，通常把調(diào)制信號(hào)矢量端點(diǎn)在空間中的分布形式稱為調(diào)制星座圖。4QAM、8QAM以及16QAM的調(diào)制星座圖16QAM是指包含16種符號(hào)的QAM調(diào)制方式，對(duì)于16QAM，n=4，因此有16個(gè)符號(hào)，每個(gè)符號(hào)是4bit，比如0000、0001、0010等，如圖9-9所示，16QAM星座圖是由I路和Q路信號(hào)組合所得到的16個(gè)點(diǎn)。2.MQAM調(diào)制的實(shí)現(xiàn)16QAM調(diào)制16QAM調(diào)制可以用下面的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)一種是使用任意波形發(fā)生器（AWG，ArbitraryWaveformGenerator），輸入的二進(jìn)制電信號(hào)通過(guò)AWG產(chǎn)生四階強(qiáng)度信號(hào)，通過(guò)IQ調(diào)制器，分別對(duì)相位差90°的I路光、Q路光進(jìn)行多階強(qiáng)度調(diào)制，這樣I路、Q路光混合后產(chǎn)生0～π/2區(qū)間的星座點(diǎn)，同時(shí)AWG輸出一路電信號(hào)驅(qū)動(dòng)級(jí)聯(lián)的相位調(diào)制器，使得IQ調(diào)制器輸出的光信號(hào)相位發(fā)生旋轉(zhuǎn)，最終生成16QAM光信號(hào)。第二種調(diào)制方案的通用模型如圖9-10所示，當(dāng)n=2時(shí)，實(shí)現(xiàn)16QAM調(diào)制，先產(chǎn)生QPSK信號(hào)，然后使用光衰減器，衰減信號(hào)具有不同的幅度，然后兩路QPSK信號(hào)耦合生成16QAM信號(hào)。目前，實(shí)驗(yàn)室里已經(jīng)實(shí)現(xiàn)1024QAM調(diào)制方式，先利用高精度AWG產(chǎn)生基帶1024QAM信號(hào)，然后再通過(guò)IQ調(diào)制器將基帶1024QAM信號(hào)調(diào)制到光上，實(shí)現(xiàn)光1024QAM的調(diào)制。目前，線路側(cè)單波速率400G/800Gb/s的相干光模塊，采用16QAM/64QAM調(diào)制技術(shù)?！居懻撆c創(chuàng)新】這里有一個(gè)有趣的問(wèn)題，在移動(dòng)通信4G和5G里面也有QPSK和QAM編碼技術(shù)，光纖通信也有這樣的編碼技術(shù)，它們到底有什么不同呢？9.2.3脈沖幅度調(diào)制

脈沖幅度調(diào)制（PAM，PulseAmplitudeModulation）是下一代數(shù)據(jù)中心高速信號(hào)互連的熱門(mén)的信號(hào)傳輸技術(shù)，可以廣泛應(yīng)用于200G/400G/800G接口的電信號(hào)或光信號(hào)傳輸。PAM4調(diào)制方式采用4個(gè)不同的信號(hào)電平來(lái)進(jìn)行信號(hào)傳輸，每個(gè)碼元可以表示2個(gè)bit的邏輯信息（0、1、2、3）。由于PAM4信號(hào)每個(gè)符號(hào)周期可以傳輸2bit的信息，因此要實(shí)現(xiàn)同樣的信號(hào)傳輸能力，PAM4信號(hào)的符號(hào)速率只需要達(dá)到NRZ信號(hào)的一半即可，因此傳輸通道對(duì)其造成的損耗大大減小。9.3光信號(hào)的相干檢測(cè)

9.3.1相干檢測(cè)原理9.3.2PM-QPSK的相干檢測(cè) 9.3.3信噪比和誤碼率引入直接檢測(cè)的光電流只提供光振幅的信息，因此我們需要用更復(fù)雜、更全面的方法來(lái)檢測(cè)包括相位信息在內(nèi)的完整光場(chǎng)信息，究竟該如何檢測(cè)一個(gè)光信號(hào)的相位呢？我們需要借助一個(gè)本地光源來(lái)檢測(cè)光信號(hào)的相位。9.3.1相干檢測(cè)原理

相干光檢測(cè)原理信號(hào)光的光場(chǎng)本振光的光場(chǎng)信號(hào)光和本振光混合后的輸出光功率1.零差檢測(cè)若零差檢測(cè)信號(hào)平均光功率與直接檢測(cè)信號(hào)平均光功率之比為由于本振光沒(méi)有經(jīng)過(guò)傳輸，所以，零差檢測(cè)接收光功率可以放大幾個(gè)數(shù)量級(jí)，使接收機(jī)的靈敏度大大提高，約為10～25dB。雖然噪聲也增加了，但是靈敏度仍然可以大幅度提高。2.外差檢測(cè)與零差檢測(cè)相似，外差檢測(cè)接收光功率放大了，從而提高了靈敏度。外差檢測(cè)信噪比的改善比零差檢測(cè)低3dB，但是接收機(jī)設(shè)計(jì)相對(duì)簡(jiǎn)單，因?yàn)椴恍枰辔绘i定。2.外差檢測(cè)9.3.2PM-QPSK的相干檢測(cè)【思考】在相干光通信中，相干檢測(cè)要求信號(hào)光束與本振光束必須有相同的偏振方向，也就是說(shuō)，兩者的電矢量方向必須相同，才能獲得相干接收所能提供的高靈敏度；否則，會(huì)使相干檢測(cè)靈敏度下降。在這種情況下，因?yàn)橹挥行盘?hào)光波電矢量在本振光波電矢量方向上的投影，才真正對(duì)混頻產(chǎn)生的中頻信號(hào)電流有貢獻(xiàn)。若失配角度超過(guò)60°，則接收機(jī)的靈敏度幾乎得不到任何改善，從而失去相干接收的優(yōu)越性。為了充分發(fā)揮相干接收的優(yōu)越性，在相干光通信中應(yīng)采取光波偏振穩(wěn)定措施：①偏振控制法，控制本振光的偏振態(tài)，使之始終與信號(hào)光保持一致；②偏振分集法，將信號(hào)光和偏振光都分成X、Y偏振方向的兩部分（矢量投影）并由兩個(gè)不同的光路傳輸，解調(diào)后再將信號(hào)合成。

1.相干接收與與平衡檢測(cè)接收到的偏振復(fù)用信號(hào)經(jīng)過(guò)偏振分束器（PBS），得到兩個(gè)偏振態(tài)相互垂直的信號(hào)，即X路信號(hào)和Y路信號(hào)。每路信號(hào)都與一個(gè)進(jìn)行90°混頻，得到個(gè)偏振態(tài)和相位都正交的光信號(hào)。每個(gè)分支上產(chǎn)生的信號(hào)由一個(gè)光電二極管檢測(cè)，進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換（檢測(cè)、放大器和濾波器），然后利用這兩種光電流之間的差，進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理。相干解調(diào)后的兩路并行碼元經(jīng)過(guò)并串轉(zhuǎn)換后成為原始的二進(jìn)制數(shù)據(jù)輸出。2.PM-QPSK信號(hào)的解調(diào)過(guò)程信號(hào)光本振光平衡光檢測(cè)器，最后所得到的差分電流平衡光檢測(cè)器之后得到的電信號(hào)，包括原來(lái)光信號(hào)的幅度和相位信息，這樣就將光學(xué)相位屬性轉(zhuǎn)移到電域中。接下來(lái)，就要將這4路電信號(hào)進(jìn)行ADC轉(zhuǎn)換（采樣和量化），并在DSP單元進(jìn)行處理，通過(guò)對(duì)電信號(hào)的后期數(shù)字處理，最終解調(diào)出所需的信息。9.3.3信噪比和誤碼率

系統(tǒng)總平均噪聲功率（均方噪聲電流）外差檢測(cè)的信噪比零差檢測(cè)的平均信號(hào)光功率是外差檢測(cè)的2倍，所以零差檢測(cè)的信噪比零差檢測(cè)誤碼率PSK的零差檢測(cè)誤碼率PSK在零差檢測(cè)的情況下，每比特光子數(shù)等于9，很容易實(shí)現(xiàn)。因此相干檢測(cè)接收機(jī)的靈敏度至少比直接檢測(cè)高20dB以上，這是因?yàn)榻柚黾颖菊窆夤β?，使散粒噪聲占支配地位的結(jié)果，提高了靈敏度，這也是相干光通信技術(shù)的真正的優(yōu)勢(shì)！9.4集成可調(diào)諧窄頻激光器

集成可調(diào)諧窄頻激光器（ITLA，IntegratableTunableLaserAssembly）一般采用半導(dǎo)體外腔激光器結(jié)構(gòu)，通過(guò)腔內(nèi)可調(diào)濾波器選擇工作波長(zhǎng)。腔內(nèi)可調(diào)濾波器可由一個(gè)高穩(wěn)定的柵格濾波器（ITU-TGridF-P）和一個(gè)基于微電子機(jī)械系統(tǒng)（MEMS）微鏡組成，同時(shí)通過(guò)一個(gè)低壓驅(qū)動(dòng)的PZT和基于反饋的控制方法，靈活調(diào)整腔長(zhǎng)，實(shí)現(xiàn)激光器輸出波長(zhǎng)可調(diào)諧。9.5集成相干接收器

集成相干接收器（ICR）包括偏振分束器、信號(hào)光和本振光輸入、90°混合器、單片集成平衡光檢測(cè)器以及線性帶差動(dòng)輸出的跨阻抗放大器（TIA）。器件一般會(huì)采用緊湊的表面安裝，在信號(hào)輸入端有一個(gè)用于輸入信號(hào)監(jiān)測(cè)的光電二極管以及可變光衰減器。9.6高速數(shù)字信號(hào)處理

高速數(shù)字信號(hào)處理（DSP）的主要功能如下：(1)高速模數(shù)轉(zhuǎn)換電路（ADC）(2)時(shí)鐘同步模塊(3)載波頻率恢復(fù)(4)數(shù)據(jù)恢復(fù)9.7光子集成芯片

9.7.1光子集成技術(shù)9.7.2100G光子集成芯片光子集成電路（PIC，PhotonicIntegratedCircuit）照集成的元器件是否采用同種材料，PIC可分為單片集成和混合集成。按集成方式上劃分，可以分為光子集成電路（PIC）和光電集成（OEIC）。光子集成電路技術(shù)是光纖通信最前沿、最有前途的領(lǐng)域，在未來(lái)的高速率、大容量信息網(wǎng)絡(luò)體系中，光子集成技術(shù)將成為關(guān)鍵技術(shù)。9.7.1光子集成技術(shù)

硅（Si）光子集成SOI基板由三層構(gòu)成：薄薄的單晶硅頂層，在其上形成蝕刻電路，相當(dāng)薄的絕緣二氧化硅中間層，非常厚的體型襯底硅襯底層，其主要作用是為上面的兩層提供機(jī)械支撐。2.磷化銦（InP）集成磷化銦是繼硅和砷化鎵之后又一重要的III-V族化合物半導(dǎo)體材料。9.7.2100G光子集成芯片

1.100G光子集成芯片偏振分束器把發(fā)送光分為X偏振和Y偏振兩路，利用兩個(gè)MZ干涉調(diào)制器和90°移相器實(shí)現(xiàn)IQ調(diào)制。InP-PIC光子集成芯片包括4ch高速模擬信號(hào)的DSP芯片信號(hào)的相干接收機(jī)（ICR）。包括一個(gè)偏振分束器（PBS），一個(gè)分束器（BS），兩個(gè)90°混頻器，八個(gè)光電二極管（PD），四個(gè)互阻抗放大器（TIA）。2.100G硅光子單芯片【討論與創(chuàng)新】光子集成電路（PIC）是如何設(shè)計(jì)和制造的？OptSimCircuit軟件為光子集成電路（PIC）提供了一個(gè)理想的技術(shù)仿真設(shè)計(jì)平臺(tái)，OptoDesigner軟件專注于可制造的集成設(shè)計(jì)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)高效、高質(zhì)量的PIC器件的開(kāi)發(fā)。OptSimCircuit和OptoDesigner之間的接口為用戶提供了從PIC設(shè)計(jì)到掩模版布局的無(wú)縫路徑。另外，在一個(gè)通用的制造方法中，還需要通過(guò)工藝設(shè)計(jì)工具包（PDKs）給用戶提供高性能的標(biāo)準(zhǔn)工藝，軟件供應(yīng)商已開(kāi)始與晶圓廠合作提供工藝設(shè)計(jì)工具包。9.8100G/400G光模塊

9.8.1客戶側(cè)光模塊9.8.2線路側(cè)光模塊9.8.1客戶側(cè)光模塊

1．100G光模塊標(biāo)準(zhǔn)命名規(guī)則：XXXGBASE-mRn，其中：XXX表示數(shù)據(jù)速率；m表示傳輸距離；n表示通道數(shù)。例如：100GBASE-LR4名稱中，LR表示LongReach，即10km；4表示四通道，即4×25Gb/s，組合在一起為可以傳輸10km的100G光模塊。100GBASE-SR10光模塊100GBASE-SR4光模塊100GBASE-LR4光模塊①100GBase-SR10光模塊100GBase-SR10標(biāo)準(zhǔn)使用10×10Gb/s并行通道實(shí)現(xiàn)100Gb/s的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸，電信號(hào)的傳輸速率為10Gb/s，光信號(hào)的傳輸速率也為10Gb/s，采用NRZ的調(diào)制方式及64B/66B的編碼方式。①100GBase-SR10光模塊。

②100GBase-SR4光模塊單個(gè)波長(zhǎng)的傳輸速率為25Gb/s，目前100GBase-SR4已經(jīng)取代100GBase-SR10成為主流的短距離100G光模塊標(biāo)準(zhǔn)。100GBase-SR4QSFP28光模塊在發(fā)送端傳輸信號(hào)時(shí)，電信號(hào)經(jīng)激光器陣列轉(zhuǎn)換為光信號(hào)，然后在帶狀多模光纖上并行傳輸，在到達(dá)接收端時(shí)，光檢測(cè)器陣列將并行光信號(hào)轉(zhuǎn)換成并行電信號(hào)。③100GBase-LR4光模塊其原理如圖9-21所示。100GBase-LR4QSFP28光模塊將4路25Gb/s電信號(hào)轉(zhuǎn)換為4路LAN-WDM（簡(jiǎn)寫(xiě)為L(zhǎng)WDM）光信號(hào)，然后將其復(fù)用為單通道，實(shí)現(xiàn)100Gb/s光傳輸。④100GBase-ER4光模塊傳輸速率為25Gb/s，采用單模光纖，傳輸距離為40km。100GBase-SR4和100GBase-LR4是IEEE定義的最常用的100Gb/s接口規(guī)范。但是對(duì)于大型數(shù)據(jù)中心內(nèi)部的互聯(lián)場(chǎng)景，100GBase-SR4支持的距離太短，不能滿足所有的互聯(lián)需求，而100GBase-LR4成本太高。因此，MSA為市場(chǎng)帶來(lái)了中距離互聯(lián)的解決方案，PSM4和CWDM4應(yīng)運(yùn)而生。①100GBase-PSM4QSFP28光模塊這是一款高速度和低功耗的產(chǎn)品，專門(mén)用于數(shù)據(jù)通信應(yīng)用中的光互聯(lián)。它符合100GPSM4MSA光接口規(guī)范，有可熱插拔的QSFP外形，內(nèi)置數(shù)字診斷功能，共有4個(gè)獨(dú)立的全雙工通道，每通道可達(dá)25.78Gb/s的傳輸速率，傳輸距離可達(dá)500m。②100GBase-CWDM4QSFP28光模塊它的傳輸速率為103.1Gb/s，主要應(yīng)用于計(jì)算中心等領(lǐng)域，其成本明顯高于100GBase-PSM4QSFP28光模塊。通過(guò)粗波分復(fù)用（CWDM）技術(shù)，該光模塊將1271nm、1291nm、1311nm和1331nm這4種波長(zhǎng)復(fù)用到一根單模光纖上進(jìn)行傳輸，傳輸距離為2km。2.100G光模塊的封裝CFP系列光模塊可插拔（CFP）是一個(gè)多源協(xié)議（MSA），是一種高速的可熱插拔的支持?jǐn)?shù)據(jù)通信和電信傳輸兩大應(yīng)用的新型模塊標(biāo)準(zhǔn)。其中拉丁文字母C用來(lái)表示數(shù)字100（Centum），因此這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)主要用于100G以太網(wǎng)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)。CFP2的尺寸僅CFP的一半，電接口可以支持單路10Gb/s，也可以支持單路25Gb/s甚至50Gb/s，通過(guò)10×10Gb/s、4×25Gb/s、8×25Gb/s和8×50Gb/s電接口實(shí)現(xiàn)100Gb/s、200Gb/s、400Gb/s的模塊速率。CFP4的尺寸又縮減為CFP2的一半，電接口支持單路10Gb/s和25Gb/s，通過(guò)4×10Gb/s和4×25Gb/s實(shí)現(xiàn)40Gb/s及100Gb/s的模塊速率。CFP4光模塊兼容MSA協(xié)議，支持CFP2，與CFP2同樣的速率，傳輸效率明顯提升，但耗電量大幅下降。(2)QSFP/QSFP28光模塊QSFP表示四通道SFP接口，是英文QuadSmallForm-factorPluggable的縮略語(yǔ)QSFP（QuadSmallForm-factorPluggable）表示4通道SFP接口，QSFP是為了滿足市場(chǎng)對(duì)更高密度的高速可插拔解決方案的需求而誕生的，這種4通道的可插拔接口的傳輸速率可達(dá)到40Gb/s。QSFP28光模塊即4通道小型可插拔光模塊，它提供4個(gè)通道的高速差分信號(hào)，數(shù)據(jù)傳輸速率從25Gb/s到潛在的40Gb/s，滿足100Gb/s以太網(wǎng)（4×25Gb/s）和100Gb/s4XInfiniBand增強(qiáng)傳輸速率（EDR）的要求。QSFP28光模塊的傳輸距離較短，成本相對(duì)CFP系列較低，體積比CFP4小30%左右。QSFP28光模塊和QSFP28互聯(lián)線纜是專為光通信、數(shù)據(jù)中心和網(wǎng)絡(luò)市場(chǎng)應(yīng)用而設(shè)計(jì)的高密度、高速率的產(chǎn)品解決方案。QSFP28封裝光模塊如圖9-23所示。目前，QSFP28是數(shù)據(jù)中心內(nèi)部100G光模塊的主流封裝形式。3.400G光模塊標(biāo)準(zhǔn)CFP8是專門(mén)針對(duì)400G提出的封裝形式，其尺寸與CFP2相當(dāng)。支持25Gb/s和50Gb/s的通道速率，通過(guò)16×25Gb/s或8×50Gb/s電接口實(shí)現(xiàn)400Gb/s模塊速率。OSFP（OctalSmallFormFactorPluggable）封裝，“O”代表“八進(jìn)制”，2016年11月正式啟動(dòng)。它被設(shè)計(jì)為使用8個(gè)電氣通道來(lái)實(shí)現(xiàn)400GbE（8×56GbE，但56GbE的信號(hào)由25Gb/s的DML激光器在PAM4的調(diào)制下形成），尺寸略大于QSFP-DD。OSFP和QSFP-DD封裝都可以提供8路電信號(hào)接口。QSFP-DD，DD指的是“DoubleDensity（雙倍密度）”。將QSFP的4通道增加了一排通道，變?yōu)榱?通道。電口側(cè)都是8路53Gb/sPAM4信號(hào)。光口側(cè)情況稍微復(fù)雜一些，對(duì)于400G-SR8/FR8/LR8等模塊來(lái)說(shuō)，光模塊內(nèi)部只是做CDR（時(shí)鐘恢復(fù)）以及電/光或光/電轉(zhuǎn)換，因此光口側(cè)與電口測(cè)一樣，也是8路53Gb/sPAM4信號(hào)。400G光模塊應(yīng)用分類如下：(1)機(jī)框間互聯(lián)以長(zhǎng)度為30～100m的多模光纖（MMF）作為傳輸通道，可以采用16×25Gb/s垂直腔表面發(fā)射激光器（PSM16），它們的中心波長(zhǎng)為840～860nm作為光模塊技術(shù)（400GBASE-SR16），以便形成400GE方案。(2)數(shù)據(jù)中心互聯(lián)以長(zhǎng)度為500m～2km的單模光纖（SMF）作為傳輸通道，通過(guò)4×l00Gb/s方式（PSM4）形成400GE方案，采用4×l00G并行單?；ヂ?lián)以滿足至少500m的傳輸。(3)運(yùn)營(yíng)商機(jī)房間互聯(lián)以長(zhǎng)度為2～10km的單模光纖作為傳輸通道，采用8×50Gb/s（PAM4方案）或4×l00Gb/s。(4)城域核心網(wǎng)及匯聚層以長(zhǎng)度為10～40km的單模光纖作為傳輸通道，采用8×50Gb/s（PAM4方案）或4×l00Gb/s。9.8.2線路側(cè)光模塊

1.100G線路側(cè)光模塊(1)發(fā)送部分100GPM-QPSK光模塊的光信號(hào)發(fā)送原理如下：發(fā)送單元通過(guò)FEC編碼器（FramerFECCoder）將需要傳輸?shù)目蛻魯?shù)據(jù)（Client）進(jìn)行編碼并分成X和Y兩路，QPSK編碼器（QPSKCoder）產(chǎn)生的數(shù)據(jù)輸出到驅(qū)動(dòng)器（Driver）上，驅(qū)動(dòng)器輸出信號(hào)加載到IQ調(diào)制器上。相干光纖傳輸系統(tǒng)線路側(cè)光發(fā)送光源使用窄線寬可調(diào)諧激光器ITLA（TuableLaser）?？烧{(diào)諧激光器輸出的連續(xù)光，集成式IQ調(diào)制器由兩個(gè)MZM和一個(gè)90°相移器組成，其集成器件已經(jīng)商用化。通過(guò)一個(gè)偏振分束器（PBS）后，激光器發(fā)出的信號(hào)被分為垂直和水平兩個(gè)偏振態(tài)，每個(gè)偏振態(tài)分別由一個(gè)IQ調(diào)制器對(duì)該光波進(jìn)行調(diào)制。兩路經(jīng)IQ調(diào)制器后輸出的光信號(hào)在偏振態(tài)正交化后由偏振合束器（PBC）匯聚為一路光波信號(hào)后，得到112Gb/s的信號(hào)，通過(guò)光纖發(fā)送出去。(2)接收部分100GPM-QPSK光模塊相干檢測(cè)接收部分框圖如圖9-26所示。相干檢測(cè)接收的關(guān)鍵組件是相干檢測(cè)光子集成芯片（PIC），PIC包括4通道高速模擬信號(hào)平衡接收器、一個(gè)偏振分束器（PBS）、一個(gè)分束器（BS）、兩個(gè)90°混頻器（HybrideMixer）、8個(gè)光電二極管（PD）和4個(gè)互阻抗放大器（TIA）。接收到的光信號(hào)（Signal）通過(guò)一個(gè)偏振分束器（PBS）分解成兩個(gè)正交信號(hào)。相干接收側(cè)使用一個(gè)高穩(wěn)定度的本地振蕩激光器（LO），該本振光的載波頻率控制精度為數(shù)百kHz。本振光的信噪比要遠(yuǎn)優(yōu)于輸入光信號(hào)的信噪比，改變本振光的“純度”，就可提升接收端光信噪比約2dB的改善，本振光通過(guò)偏振保持光纖（PMF）接入集成相干檢測(cè)接收機(jī)（ICR）。90°混頻器是相干光接收端進(jìn)行相位混頻以解調(diào)光信號(hào)的器件，每個(gè)正交信號(hào)都與一個(gè)本振光混頻?；祛l器輸出光信號(hào)經(jīng)平衡接收光電二極管轉(zhuǎn)換為模擬電信號(hào)，經(jīng)高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）采樣量化后轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。在完成高速、高分辨率的模數(shù)轉(zhuǎn)化后，接收器使用基于CMOS的數(shù)字信號(hào)處理（DSP）芯片來(lái)區(qū)分和跟蹤這些信號(hào)。數(shù)字信號(hào)通過(guò)DSP芯片數(shù)字均衡的方式實(shí)現(xiàn)定時(shí)恢復(fù)、信號(hào)恢復(fù)、極化和PMD跟蹤、色散補(bǔ)償。相干光接收模塊有DCO與ACO兩種不同之處是DCO模塊內(nèi)置了DSP芯片，而ACO模塊將DSP芯片放在線路卡上。ACO體積小了，功耗也低了，但后面的信號(hào)處理有不同的算法。DCO模塊的數(shù)字接口更容易集成到現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，并支持現(xiàn)場(chǎng)可插拔，不需要復(fù)雜的校準(zhǔn)，插拔式器件提供了更大的靈活性。2.400G線路側(cè)光模塊(1)4×100G傳輸方案，基于100GPM-QPSK多載波調(diào)制，在1個(gè)400G波道里包含4個(gè)100G子波，含F(xiàn)EC的符號(hào)速率為32GBaud。(2)2×200G傳輸方案，基于200GPM-1