技術(shù)干貨 | 相干光模塊技術(shù)概述及其優(yōu)勢

  什么是相干光模塊？

  ICC訊 直到最近，大多數(shù)光模塊都基于直接檢測技術(shù)。直接檢測僅關(guān)注入射光信號的光幅度。這是最簡單且最常見的調(diào)制技術(shù)之一。非歸零（NRZ），也稱為PAM2和PAM4（4級脈沖幅度調(diào)制），是直接檢測調(diào)制的典型例子。由于該技術(shù)比較簡單，所以更容易受到噪聲影響。因此，直接檢測光模塊設計用于短距離鏈路和客戶端接口。這類光模塊廣泛應用于運營商的核心交換網(wǎng)絡、樓宇設備、個人電腦、企業(yè)網(wǎng)絡及數(shù)據(jù)中心。

圖1:?NRZ和PAM4二進制電平及對應的眼圖。

  對于長距離通信，傳輸可靠性和信號完整性至關(guān)重要，僅靠PAM4往往不足以克服在長距離傳輸中維持高性能的挑戰(zhàn)。系統(tǒng)可能面臨噪聲、失真和光纖損傷等問題，這些問題會顯著降低長鏈路中的信號質(zhì)量。然而，通過采用相移鍵控（PSK）和偏振復用等先進調(diào)制技術(shù)，相干光模塊可抑制光纖損傷并幫助維持信號的完整性。

  相干光模塊是一種先進的光通信模塊，采用相干檢測技術(shù)來傳輸和接收數(shù)據(jù)。它結(jié)合了高速激光器和復雜的數(shù)字信號處理技術(shù)，實現(xiàn)信號的調(diào)制和解調(diào)，從而在長距離傳輸中實現(xiàn)高數(shù)據(jù)速率和高光譜效率。相干光模塊在抑制色散和非線性等因素引起的信號劣化方面特別有效，因此成為現(xiàn)代光網(wǎng)絡的理想選擇。

  100 Gbit/s相干光模塊被稱為100ZR， 400 Gbit/s相干光模塊被稱為400ZR，而800 Gbit/s相干光模塊則被稱為800ZR。 100ZR和100ZR+通常采用QSFP28封裝外形，從而適用于企業(yè)網(wǎng)、城域網(wǎng)和短距離DCI鏈路。 100ZR專為短距離應用優(yōu)化，傳輸距離可達約10 km；而100ZR+則將傳輸距離擴展至城域網(wǎng)級別，約40 km –120 km。對于更高速率，如400ZR和800ZR，相干光模塊采用雙密度四通道小型可插拔光模塊（QSFP-DD）和八通道小型可插拔光模塊（OSFP）封裝外形，因此適用于高速網(wǎng)絡交換機和路由器。兩臺ZR光模塊之間的傳輸距離為80 km。 400ZR+是400ZR標準的擴展，設計用于比標準80 km更長的傳輸距離，最高可達數(shù)百公里。

  ZR相干光模塊支持更廣泛的調(diào)制格式，如正交相移鍵控（QPSK）和更高階的正交幅度調(diào)（QAM），可根據(jù)鏈路要求（如傳輸距離和頻譜效率）進行調(diào)整。

圖2:?400ZR QSFP-DD相干光模塊示例。

  相干光模塊的工作原理是什么？

  相干光模塊的關(guān)鍵組成部分（圖3）包括可調(diào)諧激光器、調(diào)制器和偏振管理器。可調(diào)諧激光器作為發(fā)射端的光源，以精確的波長生成穩(wěn)定的激光束。該波長可在一定范圍內(nèi)調(diào)整，使激光器具備“可調(diào)諧”的特性，從而適應光網(wǎng)絡中不同DWDM通道的需求。

  激光器生成光束后，光束通過調(diào)制器。調(diào)制器負責將數(shù)據(jù)編碼到光束中。它根據(jù)輸入數(shù)據(jù)修改光束的相位和幅度，使光模塊能夠使用復雜的調(diào)制格式，如正交相移鍵控（QPSK）或正交幅度調(diào)制（QAM）。這些格式使每個符號都能夠傳輸多個比特，從而顯著提高數(shù)據(jù)傳輸能力。

圖3:?相干光模塊的功能圖。

  除了調(diào)制，偏振在相干傳輸中也起著關(guān)鍵作用。光經(jīng)過偏振，這意味著其電場在特定方向上振蕩。通過在兩個正交偏振（垂直和水平）上對獨立的數(shù)據(jù)流進行編碼，偏振復用可將傳輸容量翻倍。圖4顯示的是16 QAM相干信號星座圖。

圖4:?16 QAM星座測量及相應的二進制值。

  相干接收器必須能夠區(qū)分這些偏振態(tài)并將其分開，以準確恢復傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。當光信號到達接收器時，光模塊使用與發(fā)射器所用可調(diào)諧激光器相同的本地振蕩器激光器，進行相干檢測。它將入射信號與本地振蕩器的光結(jié)合起來，這個過程被稱為干涉。此過程使接收器能夠提取接收信號的幅度和相位信息，隨后這些信息由數(shù)字信號處理器（DSP）進行處理。 DSP通過補償信號損傷和優(yōu)化信號質(zhì)量，在精確重建傳輸?shù)臄?shù)據(jù)方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。

  通過將可調(diào)諧激光器、先進調(diào)制技術(shù)和偏振管理技術(shù)結(jié)合起來，相干光模塊實現(xiàn)了高效且可靠的數(shù)據(jù)傳輸。它可提供更高的靈敏度，支持更高的數(shù)據(jù)速率和更長的傳輸距離，使其成為現(xiàn)代高容量光網(wǎng)絡的理想選擇。

  相干光模塊的主要優(yōu)勢是什么？

  01高帶寬： ZR光模塊支持的傳輸速率高達800 Gbit/s——足以支持同時傳輸約100,000個高清（1080p）視頻流。

  02ZR光模塊的信號可直接用于DWDM系統(tǒng)，因為該模塊是一個根據(jù)特定通道進行調(diào)諧的線路側(cè)模塊（見圖5）。與客戶端側(cè)光模塊相比，它存在顯著差異。

圖5：使用相干光模塊在DWDM系統(tǒng)中進行測試。

  03通過使用相位和幅度調(diào)制，相干光模塊能夠更好地處理色度色散（CD）和偏振模色散（PMD）等信號損傷問題。這使得相干光模塊能夠在數(shù)百公里距離上傳輸數(shù)據(jù)，而無需頻繁使用光放大器或再生器，因此非常適合長距離數(shù)據(jù)中心互聯(lián)和海底光纜系統(tǒng)。

  04100ZR、400ZR和800ZR等標準為相干光模塊帶來了互通性，使網(wǎng)絡運營商能夠混合使用來自不同供應商的光模塊而不會出現(xiàn)兼容性問題。這被稱為開放式線路系統(tǒng)（OLS）。

  05ZR相干光模塊可以減少放大器和傳輸設備的使用數(shù)量，為網(wǎng)絡擴展提供了經(jīng)濟高效的解決方案。運營商商可部署這些光模塊來擴展網(wǎng)絡覆蓋范圍，而無需承擔部署更多設備帶來的高昂成本。

  目前有哪些類型的相干光模塊？

  光互連論壇（OIF）負責確定ZR相干光模塊的規(guī)格，通過促進制造商和運營商等行業(yè)利益相關(guān)者的合作，確定光接口、數(shù)據(jù)速率、協(xié)議和調(diào)制格式等方面的標準化技術(shù)要求。通過嚴格的標準化流程， OIF開展測試來驗證不同廠商產(chǎn)品之間的兼容性和互通性，確保這些產(chǎn)品能夠互通。 EXFO也參與了這一過程。這種協(xié)作努力使ZR規(guī)格與市場需求保持一致，從而促進高性能光模塊在數(shù)據(jù)中心和電信等各種應用中的采用。此外， OIF致力于持續(xù)改進，定期更新規(guī)格以反映技術(shù)進步和不斷涌現(xiàn)的行業(yè)需求。

  此外， OIF已將100ZR和100ZR+標準化。這些光模塊將相干技術(shù)擴展至PAM4難以勝任的短距離應用場景，例如企業(yè)網(wǎng)、邊緣數(shù)據(jù)中心及5G xHaul。 100ZR適用于最長10 km的鏈路傳輸，而100ZR+將傳輸距離擴展至40 km – 120 km，填補了短距離直接檢測光器件與長距離400ZR解決方案之間的技術(shù)空白。

  400ZR標準旨在支持高達80 km的點對點（P2P）高速光傳輸，而無需進行光放大，使其成為數(shù)據(jù)中心互聯(lián)（DCI）和城域網(wǎng)的理想選擇。在無放大器的P2P場景中，傳輸距離受信號丟失、色度色散（CD）和偏振模色散（PMD）等因素限制，這些因素可能導致信號在更長距離傳輸中劣化。然而，通過使用光放大器，如摻鉺光纖放大器（EDFA）， 400ZR的傳輸距離可增加至80 km以上，具體取決于放大器的質(zhì)量和網(wǎng)絡配置。盡管如此，對于距離更長的傳輸， PMD仍然是主要的限制因素，需要采用先進的數(shù)字信號處理（DSP）技術(shù)來緩解其影響并保持信號完整性。因此，盡管通過使用放大器， 400ZR可實現(xiàn)更長的傳輸距離，但其效率和性能更適合中長距離傳輸。下表列出了ZR的類型及相關(guān)規(guī)格。 800GBASE?ZR光模塊仍處于早期采用階段，其規(guī)格尚未完全標準化。

  *QSFP-DD 800G ZR計劃推出。

  EXFO的解決方案如何提供幫助？

  EXFO提供全面的測試解決方案，特別適用于部署相干光模塊，如基于100ZR、 100ZR+、400ZR和800ZR標準的相干光模塊。相干光模塊是比較復雜的設備，需要精準驗證其性能及兼容網(wǎng)絡基礎(chǔ)設施的能力。 EXFO的解決方案可幫助確保這些光模塊在各種條件下都能以最佳狀態(tài)運行，降低部署風險并提升整體網(wǎng)絡可靠性。

  EXFO的光測試設備包括誤碼率測試儀（如FTBx-88480和FTBx-88100系列）和光譜分析儀（如FTBx?5255），這些設備對于鑒定相干光模塊的性能非常關(guān)鍵。

  FTBx-88100系列和FTBx-88480系列可驗證光模塊在高數(shù)據(jù)速率（如100G、 400G或800G）時的性能，使運營商能夠評估無錯誤傳輸能力并確保前向糾錯（FEC）功能正常工作。這對于采用復雜調(diào)制格式（如QPSK和16-QAM）的相干光模塊尤為重要。

  EXFO還提供先進的OSA，能夠精確地測量光信噪比（OSNR）、波長穩(wěn)定度和功率水平，這些參數(shù)對于評估相干信號的質(zhì)量至關(guān)重要，尤其是在密集波分復用（DWDM）環(huán)境中。

  此外， EXFO的自動化功能可簡化測試流程，讓網(wǎng)絡運營商能夠?qū)碗s的測試序列和遠程監(jiān)測流程自動化，從而加速相干光器件的部署。這樣就可以確保更快地開通服務，減少排障時間，為在實際網(wǎng)絡中部署先進的相干光模塊技術(shù)提供了可靠的框架?？傮w而言， EXFO的解決方案可幫助運營商驗證相干光模塊的性能、兼容性和長期可靠性，最終確保部署過程順暢并實現(xiàn)網(wǎng)絡性能優(yōu)化。

  結(jié)束語

  對于部署和維護高速網(wǎng)絡的運營商來說，掌握相干光模塊至關(guān)重要。借助EXFO的高速測試解決方案和支持，運營商可以有效地應對100G、400G、800G乃至更高速率的測試挑戰(zhàn)，確保網(wǎng)絡始終高效、可靠并準備好滿足未來需求。

  EXFO/ 應用說明

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