100G 大城市网络

将更多不同颜色或波长的 10 Gb/秒通道在现有正在使用的10 Gb/ 秒线路上进行叠加、并实现协同传播已经成为常规做法。由于急于增加容量，而又不去租赁更多的新光纤，网络运营商已经开始将 40 Gb / 秒的通道叠加到了现在正在使用的光纤上，并将其作为最佳且实用的方法。随着 100G 技术的出现，人们现在的兴趣已经从 40G 转移到了 100G。本文内容是 100G 技术开发的入门知识，并研究了实现一种实用 100G 大城市网络解决方案需要的重要参数和先决条件。这里还讨论了以新的 100Gb / 秒的 WDM 通道来补充现有的 10 Gb / 秒线路的示例。

直接或相干检测:哪一个可以用于大城市?

发射信号强度会受激光散热和功耗的限制。因此，我们已在研发方面作出重大的努力，以提高接收器的敏感性。有两种技术方案可以利用：直接检测或相干检测。

相干检测主要适用于跨洋水下或陆地长途应用，无可否认，相干检测的性能优于直接检测。在相干检测的情况下, 光电转换过程是线性的。这里, 在光信号中嵌入的相位信息得到了保留，从而容易地实现光纤线性效应的电气补偿，包括色散 (CD) 和偏振模色散 (PMD)。然而, 执行相干检测所需的硬件是比较复杂的，其中包括一个本地振荡器, 一个 90的、区分所接收的光信号的正交相位所需要的混合模块，和四个从单一的极化信号中检测信号的平衡光电二极管，如图 2 所示。

而直接检测技术只需要一个延时干涉仪和两个单光电二极管，这些都是低成本和不太复杂的装置。相干方法在长距离传输（在几千公里范围内）方面具有的优势，但是，对于更短的距离的部署（在几百公里范围内）使用相干方法确实是大材小用。
因此，对于大城市网络、企业和数据中心等的环境，大家都认为直接检测技术是一个具有吸引力的替代选择，因为在这些地方，经济可行性起着至关重要的作用。

采用极简主义的方法，在大多数情况下，无需额外的设备就可以使用直接检测。当应用范围接近直接检测技术的极限时，只要简单地增加一些色散补偿和采取放大措施就可以增强信号的检测能力，从而扩展检测范围。

技术要求

与 10G 多路复用网络类似，100G 网络开始时候也要使用 100G 收发器和密集波分复用器(DWDM)多路复用器或多路信号分配器。根据应用场景的不同，100G 网络可能需要光纤放大器、色散补偿模块和启用 FEC 功能的转发器卡。在本节中，我们将深入研究这些组件的具体内容。

100G DWDM-CFP 收发器目前可以使用在最高距离 20 公里的应用中。100G CFP 则使用四束激光，每束可以在 DWDM 网格上进行调整，这样，产生的链接就会实现 4 x 25 Gb/秒的速率，每个 25 Gb/秒信号则在一个单独的单模双光纤中传播。

DWDM 多路复用器或多路信号分配器是这里的核心技术，其为现有的 10G 和 40G 通道提供了无限的协同传播通道，并可提供 100G 的升级，而最终会使得所有通道都升级到 100G。在 DWDM 中，系统使用多波长通过相同的光纤传输光信号，从而提高了每个光纤的光谱效率。通带宽度、通带平直度、停止带抑制比、从通带过渡到停止带的过渡斜率和插入损耗等是决定多路复用器和多路信号分配器选择的关键技术参数。

基于传统薄膜滤光片的 DWDM 多路复用器具有极好的波长选择性。然而, 由于这些都是自由空间光学器件, 因此，在对准单个光学子元件的时候必须非常小心, 以实现光束的完美对准。此外，复杂度会随着通道数的增加而增加。


因此，基于平面光波电路 (PLC) 技术的阵列波导光栅 (AWG) 被广泛应用于多个通道的多路复用。AWG 由集成的多波导延迟线组成，以提供多路径光的干涉。如图 4 所示， AWG 包括输入和输出的波导、两个星型耦合器和一个连接两个星型耦合器的波导阵列。阵列中的每个波导都有略微不同的光学长度，当不同的路径重新组合时，会导致不同的输出干扰。该 AWG 可安装到 19 机架式系统中, 如图 5 所示。


根据收发器提供的传输功率预算 (例如, 当前的 DWDM 100G CFP 具有相当于大约 20km 的功率预算), 可以使用一个光信号放大装置来克服从光纤中光信号衰减、光功率分路等因素所产生的额外损失。在 DWDM 应用中, 掺铒光纤放大器 (EDFA) 是高增益、高光信号功率、波长通道之间的低串扰和光纤耦合等方面方便进出光纤的最佳选择。
该 EDFA 放大器由掺铒光纤、泵浦激光器、光隔离装置和波长分复用装置等组成。放大器需要在 WDM 带宽中有宽的光带宽和平坦的光增益。根据应用和长度的不同，必须对放大器的增益进行调整，以便使得接收器的功率不超过接收器灵敏度限制，否则会破坏收发器。

当信号通过光纤传播时，信号的时间范围扩大的现象称为色散。一个 DWDM 100Gb /秒 CFP 具有典型的色散公差为 400ps / nm，通常允许在 20 公里内不需要进行补偿。这一光学现象会造成脉冲重叠，并被称为符号间干扰(ISI)，如图 6 所示。由于 ISI 的原因，探测器会无法正确检测数据，并增加了误差位的数量，从而限制了可行的传输距离。



色散补偿光纤 (DCF) 模块广泛被用来克服 ISI 造成的障碍。DCF 模块由一种特殊的光纤组成, 其会在 1550 nm 波长窗口中产生一个大的负 (正常) 色散值。DCF 给 DWDM 应用带来的优点在于，DCF可以应用于较宽窗口的波长，并允许调整色散的斜率，使其与 C 波段通道的 SMF-28 相匹配。

正向纠错 (FEC) 是一种减小数据传输误差的手段，其能够有效地改善 OSNR（光信噪比），从而扩展高数据速率光学系统的传输范围。信号中会添加冗余，以提供额外的控制位，以便让接收器能够识别和纠正接收信号中的错误。FEC 编码可以在收发器本身或在管理收发器的转发器网卡中实现。


通过升级到 100 Gb/秒来对现有的 10 Gb/秒系统进行补充

云服务、远程医疗、视频点播等新应用领域出现的显著增长, 爆发了史无前例的围绕整个光纤网络的数据速率升级。核心网络已经部署了 DWDM 来应对这种带宽的爆炸。DWDM 在大城市中的应用的部署并没有像在核心网络中那样迫切，因为就大城市的距离而言，问题往往不那么严重。基于 DWDM 的架构能够以具有成本效益的方法满足带宽提升需求，并根据不断变化的市场需求进行灵活地扩展。因此，对于服务提供商来说，问题不是他们是否需要在大城市网络中使用 DWDM，而是如何使用以及何时使用。
在一个典型的大城市网络场景中，其现象是现有基础设施经常依赖于多个 10 Gb/秒或 40 Gb/秒线路，并将其多路复用到单对光纤。在为现有的线路补充更高的数据率的时候，需要进行认真的网络规划。利用本文提出的具体内容，就可以构建最优的网络解决方案，具体架构则依赖于特定的地理位置、流量和预期的网络增长。

例如，在一个 100 GHz 频率网格中，假设有一个具有完全功能的提供 DWDM 10G 线路的老系统。通过 100GHz DWDM 多路复用器，线路卡上的 10G 线路实现了聚合，如图 7 （上半部分）所示。


为了最大限度地提高带宽利用率，并防止发生更高的成本，您可以选择通过在未使用的波长中部署新线路的方式，利用相同的 DWDM 多路复用器在相同的光纤中添加一个或多个100 G 的线路。然而，由于现有 100G 收发器的距离限制，为了使传输距离达到 100km 以上，最优网络结构将是如图 7 所示（下半部分）的结构。

由于 100G 的线路更容易出现色散，所以它们需要额外的色散补偿和光功率的提升。因此，首先要使用一个额外的 100GHz DWDM 多路复用器来将所有的 100G 线路结合在一起，然后进入组合的色散补偿和放大阶段。然后通过使用 50/100 GHz 的梳状分波器将成组的 10G 和 100G 的线路组合在一起。这样的结构会使桥接距离可以大于 100 公里，条件是现有的 10G 通道已经能够支持上述的距离。然而，准确的距离取决于放大器增益、色散补偿量和收发器性能。为了进一步保证该系统具有良好传输距离，可以在 100G 交换机（转发器）或收发器中启用 FEC 功能。

此外，该架构还可以方便地为服务提供商提供 按需付费 的模式。在带宽耗尽后，现有的老 10G 通道可以与 100G 线路进行无缝交换。同样的剩余组件甚至可以被再次用来将数据速率扩展到 2.4 Tb/秒。


这个情况需要 24 个不同颜色的 100 Gb/秒 DWDM CFP 收发器，并与现有的 48 个通道 100 GHz DWDM 和梳状分波器一起布置，如图 8 所示。所有 100G 的线路都要首先多路复用在一起，以便只需要一个色散补偿和放大阶段就能够满足要求。显然，这样的网络架构具有更高的密度，并能够在保持成本可控的同时，以灵活的方式挽救现有的基础设施。

结论

快速增长的流量需求会很快使运营商面临一个老旧问题：或者租赁更多的新光纤，或者找到一种增加现有光纤容量的方法。随着 100G 收发技术的不断发展和对安装 100G 产品的兴趣的增加，从当前网络架构蜕变到 100G 系统是不可避免的，并只是一个时间问题。因此，本文研究了 100G 技术和网络解决方案，以便支持到 100G 的无缝进化，同时做到很容易与之前的 10G 线路共存。然而，正如所概述的那样，在最大限度地重新使用现有设备的同时，必须注意减少现有的 10G 线路出现的中断。