CN102355304A

CN102355304A - 以太网波分复用传输系统及其发射端

Info

Publication number: CN102355304A
Application number: CN2011102041322A
Authority: CN
Inventors: 张达敏; 董毅; 孙东宁; 义理林; 何浩; 胡卫生
Original assignee: Shanghai Jiaotong University
Current assignee: Shanghai Jiaotong University
Priority date: 2011-07-20
Filing date: 2011-07-20
Publication date: 2012-02-15
Anticipated expiration: 2031-07-20
Also published as: CN102355304B

Abstract

本发明公开了一种以太网波分复用传输系统及其发射端，该发射端包括多个信源和一个波分复用器，还包括多个光双二进制发射机，多个光双二进制发射机的数量与多个信源的数量相同，一个信源与一个光双二进制发射机对应相连，多个光双二进制发射机都与波分复用器相连，每个光双二进制发射机包括一个激光器，至少一个二进制预编码器，至少一个宽带驱动器，至少一个低通滤波器和一个马赫-曾德光调制器，激光器与马赫-曾德光调制器相连，一个二进制预编码器、一个宽带驱动器、一个低通滤波器顺次相连。本发明的以太网波分复用传输系统可实现无色散补偿的、无光放大的、可支持40千米传输距离的100G以太网物理层传输。

Description

以太网波分复用传输系统及其发射端

技术领域

本发明涉及以太网并行传输领域，尤其涉及一种以太网波分复用传输系统及其发射端。

背景技术

近年来，网络视屏、卫星图像传送、端到端及交互式网络电视方面的发展正在不断推动以太网向100G技术演进。随着互联网技术与电子商务的不断发展，以及用户数量的不断增加，企业和用户对数据传输和接入带宽的需求也越来越大。自从1990年以来，因特网的流量以每12个月提升1倍的幅度快速增长，而且这个趋势目前并没有减缓的迹象。现有的10G以太网技术已不足以满足当前和未来的需求。因此，更高速的100G以太网技术的研究势在必行。

当然，100G以太网技术的实现也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。100G以太网标准建议的并行传输方式包括：10×10Gb/s并行传输和4×25Gb/s并行传输，传输距离为2千米至40千米。10×10Gb/s传输方式的优点是：所需器件速率低，系统色散容纳大；缺点是：通道数多，收发模块结构复杂，不利于管理维护。10×10Gb/s传输方式主要用于短距离的100G局域网中。相对而言，4×25Gb/s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。

目前，100Gb/s城域网长距离传输的主要实现方式是采用非归零码型(NRZ)调制的4×25Gb/s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100G以太网的城域网传输。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，25Gb/s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4×25Gb/s 100G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。

经对现有的技术文献检索发现，美国电气和电子工程师协会(IEEE)于2010年6月22日颁布的关于局域网和城域网的802.3ba标准中有关于100G以太网的40千米无色散补偿传输方案。该方案在标准单模光纤ITU-T G.652上，采用NRZ码型调制的波分复用技术，同时在通道间隔为800GHz的4个波长通道上传送。单路通道速率25Gbps，4路光信号中心波长分别为1295.56nm、1300.05nm、1304.58nm和1309.14nm。该技术方案的特点在于利用1310nm波段色散小的优点，提高被传送光信号的色散容限以保证40千米的无色散补偿传输。但是，由于光纤在1310nm波段的损耗要远远大于在1550nm波段上的损耗，因而在IEEE802.3ba标准中规定：对于传输距离在30千米至40千米的网络应用，需要事先对此类网络路径进行特定的功率规划和设计。而为了要弥补光信号在1310nm波段上的损耗，实际系统中需要使用高发射功率的激光器、高灵敏度的接收机和半导体光放大器(Semiconductor Optical Amplifier，SOA)，因而导致系统复杂、成本增加。该解决方案虽能克服光纤色散问题，但同时对激光器和接收机，以及网络传输路径的选取和设计都提出了更高的要求。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种以太网波分复用传输系统及其发射端。本发明的以太网波分复用传输系统可实现无色散补偿的、无光放大的、可支持40千米传输距离的100G以太网物理层传输。

为实现上述目的，本发明提供了一种发射端，包括多个信源和一个波分复用器，还包括多个光双二进制发射机，所述多个光双二进制发射机的数量与所述多个信源的数量相同，一个信源与一个光双二进制发射机对应相连，所述多个光双二进制发射机都与所述波分复用器相连，每个所述光双二进制发射机包括一个激光器，至少一个二进制预编码器，至少一个宽带驱动器，至少一个低通滤波器和一个马赫-曾德光调制器，所述激光器与所述马赫-曾德光调制器相连，一个所述二进制预编码器、一个所述宽带驱动器、一个所述低通滤波器顺次相连，所述低通滤波器都与所述马赫-曾德光调制器相连。

进一步地，其中所述光双二进制发射机和所述信源的数量为4个，所述发射端具有4个光波长通道，每个所述光波长通道的带宽为25Gbps，所述发射端的工作波段为1550nm，所述4个光波长通道的间隔为100GHz。

进一步地，其中每个所述光双二进制发射机具有两个二进制预编码器，两个宽带驱动器、两个低通滤波器；第一二进制预编码器、第一宽带驱动器、第一低通滤波器顺次相连；第二二进制预编码器、第二宽带驱动器、第二低通滤波器顺次相连；所述第一低通滤波器、所述第二低通滤波器都与所述马赫-曾德光调制器相连，所述马赫-曾德光调制器为双驱动马赫-曾德光调制器。

进一步地，其中每个所述光双二进制发射机具有一个二进制预编码器，一个宽带驱动器、一个低通滤波器；所述二进制预编码器、所述宽带驱动器、所述低通滤波器顺次相连；所述低通滤波器与所述马赫-曾德光调制器相连，所述马赫-曾德光调制器为单驱动马赫-曾德光调制器。

进一步地，其中所述二进制预编码器包括一个非门，一个与门和一个T触发器，所述信源的数据流先经所述非门取反之后，再通过所述与门和输入所述与门的同频时钟相与，然后经由所述T触发器翻转触发后，输出被双二进制预编码的数据。

进一步地，其中所述低通滤波器为8GHz的3阶贝塞尔低通滤波器；所述宽带驱动器所驱动的带宽为25GHz，最大输出功率峰峰值为8V。

为实现本发明的另一目的，本发明提供了一种以太网波分复用传输系统，包括单模光纤和接收端，还包括如权利要求1至6中任一权利要求所述的发射端。

进一步地，其中所述单模光纤为G.652单模光纤，传输距离小于或等于40千米。

进一步地，其中所述接收端包括一个波分解复用器、多个光接收机和多个信宿，所述光接收机和所述信宿的数量与所述发射端中的信源和光双二进制发射机的数量相同。

进一步地，其中所述光接收机包括用于将光能转换为电信号的光电检测器和用于时钟提取和数据恢复的时钟数据恢复模块。

本发明的以太网波分复用传输系统及其发射端的技术效果如下：

本发明的以太网波分复用传输系统及其发射端包括了光双二进制发射机，光双二进制发射机采用光双二进制编码调制方式来提高系统的色散容纳能力，以实现40千米的无色散补偿传输。

进一步地，本发明的以太网波分复用传输系统及其发射端采用双二进制预编码，进一步降低了对高速光电子器件的带宽需求，降低了实现成本。

本发明的以太网波分复用传输系统及其发射端的工作波段为1550nm，利用光纤在1550nm波段上的低光损特性，避免了系统对光放大的需求。因此，本发明在提高系统性能的同时又降低了系统的实现成本，更好地满足了以太网的需求。

本发明的以太网波分复用传输系统及其发射端采用了双驱动马赫-曾德光调制器。由于双二进制编码调制深度较深，而目前市场上光调制器的半波电压参数又普遍较大，因而本系统采用差分信号输入，通过双驱动光调制方式克服上述不足，以保证调制信号的传输质量。

光双二进制编码属于相关编码技术，2路25Gb/s数据流经双二进制预编码器进行预编码，和经宽带驱动器、低通滤波器进行相关编码之后，送入双驱动马赫-曾德光调制器。本发明的以太网波分复用传输系统及其发射端利用10Gb/s双驱动马赫-曾德光调制器本身的带限特性进行再一次成型滤波。本发明只需10G带宽的光调制器，实现成本低，性价比高。

另外，光双二进制编码能使调制谱宽得到有效压缩，而且不包含光载波分量。因此，本发明的以太网波分复用传输系统及其发射端获得了比普通的NRZ编码更大的色散容限。

本发明的以太网波分复用传输系统及其发射端通过改变编码方式直接解决了1550nm波段，100Gb/s，40千米的无色散补偿无光放大传输问题。另外，本发明的以太网波分复用传输系统及其发射端充分利用了双二进制编码光相位的相关性，压缩了信源数据的频谱宽度，有效提高了100G系统对G.652单模光纤的色散容纳能力，在进一步降低系统对于光调制器的带宽要求的同时避免了在接收端引入前置放大，不但缩减了系统的实现成本，更有效地避免了现有技术对于通信波段、光放大器和传输路径设计的局限，更有效地满足了100G城域网发展的实际需求。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1为本发明实施例的以太网波分复用传输系统的结构示意图。

图2为本发明实施例的光双二进制发射机的结构示意图。

图3为本发明实施例的双二进制预编码器的结构示意图。

图4为本发明实施例的光接收机的结构示意图。

图5为本发明实施例的双二进制预编码的时序图。

图6为本发明实施例的双二进制相关编码的时序图。

图7为本发明实施例的100GHz间隔的波分复用传输光谱图。

图8a为本发明实施例的通道1的实施效果图。

图8b为本发明实施例的通道2的实施效果图。

图8c为本发明实施例的通道3的实施效果图。

图8d为本发明实施例的通道4的实施效果图。

图9为本发明实施例的四通道功率代价分析图。

具体实施方式

本发明的以太网波分复用传输系统及其发射端主要应用于以以太网技术为核心的典型网络架构，包括面向终端用户的宽带接入网、内容分发网；面向企业和数据中心的内部网；面向高性能计算的教育科研网以及城域网。

图1为本发明实施例的以太网波分复用传输系统的结构示意图。以太网波分复用传输系统包括：发射端，单模光纤和接收端。

如图1和图2所示，发射端包括四个信源，分别为：第一信源1、第二信源2、第三信源3、第四信源4；四个光双二进制发射机，分别为第一光双二进制发射机5、第二光双二进制发射机6、第三光双二进制发射机7、第四光双二进制发射机8；和一个波分复用器9。

对应地，接收端包括四个光接收机，分别为第一光接收机12、第二光接收机13、第三光接收机14、第四光接收机15；四个信宿，分别为第一信宿16、第二信宿17、第三信宿18、第四信宿19；和一个波分解复用器11。

单模光纤10，可以采用目前市场应用最普及的G.652单模光纤，本发明的传输链路的距离范围涉及40千米及以下。当然，本发明并不限于G.652单模光纤，还可以采用其他类型的单模光纤。

以太网波分复用传输系统通过波分复用技术实现四个光波长通道、每通道带宽25Gbps的100G以太网的并行传输。当然，本发明并不限于此，本发明的以太网波分复用传输系统可以采用大于4个或小于4个的通道，以实现大于100G或小于100G的以太网的并行传输。

发射端的四个信源(1、2、3、4)由物理媒体附属子层(Physical MediumAttachment，PMA)产生，由网络上层接口提供四路25Gb/s的数据流。四个光双二进制发射机(5、6、7、8)分别实现四路25Gb/s的数据流的光双二进制调制发射功能，四路发射机的结构相同。四路数据流经四个光双二进制发射机分别调制发射之后，再由波分复用器合成一路100Gb/s光信号送入网络传输链路(也即单模光纤)。波分复用器9采用波导光栅阵列(arrayed waveguidegrating，AWG)。

每路光源都使用了分布式反馈激光器(Distributed Feedback Laser，DFB)，光源的中心波段分别位于：1554.94nm、1555.75nm、1556.55nm和1557.36nm，信道间隔为100GHz。网络传输链路选用G.652单模光纤，传输范围涉及40千米及以下。

请参阅图1和图4，接收端的波分解复用器11也采用波导光栅阵列。四个光接收机(12、13、14、15)均包括集成前置放大的宽带光电检测器32和时钟数据恢复模块(CDR)34。四个信宿(16、17、18、19)隶属上层物理媒体附属子层，四路25Gb/s数据经接收后交由上层处理。

图2为本发明实施例的光双二进制发射机5的结构示意图。光双二进制发射机5包括两个双二进制预编码器，分别为第一双二进制预编码器21、第二双二进制预编码器24；两个双二进制相关编码单元(也即宽带驱动器和低通滤波器)，分别为第一宽带驱动器22和第一低通滤波器23、第二宽带驱动器25和第二低通滤波器26；以及一个双驱动马赫曾德光调制器28。

双二进制发射机5通过双二进制预编码器(21、24)、双二进制相关编码单元和双驱动马赫曾德光调制器28三个单元级联而成。双二进制发射机5的输入信号为差分信号，信号20为25Gb/s同相信号，信号30为25Gb/s反相信号。差分信号分别通过第一双二进制预编码器21和第二双二进制预编码器24后，再采用性能优化的宽带驱动器级联低通滤波器的设计方式进行相关编码。宽带驱动器(22、25)的带宽为25GHz，最大输出功率峰峰值为8V。低通滤波器(23、26)选用8GHz的3阶贝塞尔低通滤波器。信号47和信号48分别经第一低通滤波器23和第二低通滤波器26输出后，输入双驱动马赫曾德光调制器28。10Gb/s双驱动马赫曾德光调制器28采用双驱动调制方式，偏置在消光态，调制深度为半波电压。通过使用双驱动调制方式可以克服现有市场上的光调制器半波电压偏大的不足，从而保证调制信号的传输质量。另外，本发明只需10G带宽的光调制器，实现成本低，性价比高。

光双二进制编码属于相关编码技术，在传输过程当中引入了光相位的相关性，在接收端采用直接幅度检测。光双二进制编码采用3光强编码：0，+1和-1，其中+1和-1表示逻辑“1”；0表示逻辑“0”。每当两个逻辑“1”之间有奇数个逻辑“0”间隔的时候，光相位就会发生反转。光双二进制编码能使调制谱宽得到有效压缩，而且不包含光载波分量。本系统正是利用光双二进制编码的此特性来获得比普通的NRZ系统更大的色散容限。

如图3所示，第一双二进制预编码器21包括：非门38、与门39、T触发器40。第一双二进制预编码器21包括2个输入端，1个输出端。25Gb/s数据流41先经非门38取反之后，通过与门39和输入同频时钟44相与，相与的输出信号46经由T触发器40翻转触发后，实现25Gb/s数据流的双二进制预编码，输出信号43。对于T触发器40，当输入数据是高电平时，计数器改变状态，进行加1模2的运算；当数据是低电平时，计数器保持不变。

如图4所示，为本发明实施例的第一光接收机13结构图。包括：光电检测器32和时钟数据恢复模块34。前级波分解复用之后，分别对4个波长的25Gb/s光信号进行接收。光接收机(12、13、14、15)包括：集成前置放大的光电检测器32和时钟数据恢复模块34。接收光信号31首先通过25GHz带宽的光电检测器32，转换为差分电信号(其中同相数据33，反相数据35)输出，该差分电信号一并被送入时钟数据恢复模块34进行时钟提取和数据恢复，获得25G数据36和同频时钟37，一并交由上层物理媒体附属子层处理。

如图5所示，为本发明实施例的双二进制预编码的时序图。信源输入信号41的示例数据码流：1001101101110001；经非门取反后输出信号45：0110010010001110；与同频时钟信号44相与(倍频)，相与的输出信号46：00101000001000001000000010101000；经T触发器触发(分频)，输出信号43：1011100011110100。

如图6所示，为本发明实施例的双二进制相关编码的时序图。信源输入信号41的示例数据码流：1001101101110001；经图5所示双二进制预编码，输出信号43：1011100011110100；经相关编码调制后转变为光信号47：100110(-1)(-1)0111000(-1)；接收端幅度检测转化为电信号33：1001101101110001。该电信号33与信源输入信号41的数据码流一致，即证明满足编解码逻辑关系。

如图7所示，为本发明实施例的100GHz间隔波分复用传输光谱图。本发明采用波分复用技术，分别将4个单波长25Gb/s信号复用成1个100Gb/s多波长光信号，激光器中心波段分别位于：1554.94nm、1555.75nm、1556.55nm和1557.36nm，信道间隔为100GHz。

如图8a～8d所示，为本发明实施例的四通道实施效果图。其中，图8a为通道1实施效果图，对应波长1554.94nm；图8b为通道2实施效果图，对应波长1555.75nm；图8c为通道3实施效果图，对应波长1556.55nm；图8d为通道4实施效果图，对应波长1557.36nm。

图中，X轴为光接收功率，线性刻度，单位是dBm；Y轴为通信误码率，对数刻度。在各图中，5条拟合直线分别表示出从背靠背到40千米的误码率传输特性。本系统在传输20千米以内，误码特性较好，这一特点在各图中都有所表现。传输20千米后系统会出现负的功率代价，该特性得益于信号中的相关相位特性。而当传输距离进一步增加时，误码性能变差，在40千米处，功率代价增大至3到5dB，但并未出现明显的误码平台，因而可以依据现有误码率推算出10^-12误码率的光接收功率，以此保证网络通信的误码率要求。由此可以验证出：本发明的系统及其发射端能满足网络通信的误码率要求。通过比较图8a、图8b、图8c、图8d四个图，通道1和通道4的整体性能会略好于通道2和通道3，此特点十分符合波分复用系统特性。

如图9所示，为本发明实施例的四通道功率代价分析图。图中，X轴为传输距离，线性刻度，单位是千米；Y轴为传输功率代价，线性刻度，单位是dB。图中的四条折线分别描述了四路通道在不同传输距离下，维持1×10^-10误码率的系统功率代价参数，具体如表1所示。

表1

通道序号	0千米	10千米	20千米	30千米	40千米
						通道1	0dB	-0.55dB	-1.62dB	0.77dB	4.38dB
通道2	0dB	0.31dB	-0.11dB	1.63dB	4.87dB
						通道3	0dB	-0.36dB	-0.68dB	0.63dB	5.14dB
通道4	0dB	-0.85dB	-0.53dB	-0.69dB	3.52dB

由表可以验证得出：本发明的系统及其发射端符合网络通信的系统功率代价的要求。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域的技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims

1.一种发射端，包括多个信源和一个波分复用器，其特征在于，

还包括多个光双二进制发射机，所述多个光双二进制发射机的数量与所述多个信源的数量相同，

一个信源与一个光双二进制发射机对应相连，

所述多个光双二进制发射机都与所述波分复用器相连，

每个所述光双二进制发射机包括一个激光器，至少一个二进制预编码器，至少一个宽带驱动器，至少一个低通滤波器和一个马赫-曾德光调制器，

所述激光器与所述马赫-曾德光调制器相连，

一个所述二进制预编码器、一个所述宽带驱动器、一个所述低通滤波器顺次相连，所述低通滤波器都与所述马赫-曾德光调制器相连。

2.如权利要求1所述的发射端，其中所述光双二进制发射机和所述信源的数量为4个，所述发射端具有4个光波长通道，每个所述光波长通道的带宽为25Gbps，所述发射端的工作波段为1550nm，所述4个光波长通道的间隔为100GHz。

3.如权利要求1或2所述的发射端，其中每个所述光双二进制发射机具有两个二进制预编码器，两个宽带驱动器、两个低通滤波器；第一二进制预编码器、第一宽带驱动器、第一低通滤波器顺次相连；第二二进制预编码器、第二宽带驱动器、第二低通滤波器顺次相连；所述第一低通滤波器、所述第二低通滤波器都与所述马赫-曾德光调制器相连，所述马赫-曾德光调制器为双驱动马赫-曾德光调制器。

4.如权利要求1或2所述的发射端，其中每个所述光双二进制发射机具有一个二进制预编码器，一个宽带驱动器、一个低通滤波器；所述二进制预编码器、所述宽带驱动器、所述低通滤波器顺次相连；所述低通滤波器与所述马赫-曾德光调制器相连，所述马赫-曾德光调制器为单驱动马赫-曾德光调制器。

5.如权利要求3所述的发射端，其中所述二进制预编码器包括一个非门，一个与门和一个T触发器，所述信源的数据流先经所述非门取反之后，再通过所述与门和输入所述与门的同频时钟相与，然后经由所述T触发器翻转触发后，输出被双二进制预编码的数据。

6.如权利要求3所述的发射端，其中所述低通滤波器为8GHz的3阶贝塞尔低通滤波器；所述宽带驱动器所驱动的带宽为25GHz，最大输出功率峰峰值为8V。

7.一种以太网波分复用传输系统，包括单模光纤和接收端，其特征在于，还包括如权利要求1至6中任一权利要求所述的发射端。

8.如权利要求7所述的以太网波分复用传输系统，其中所述单模光纤为G.652单模光纤，传输距离小于或等于40千米。

9.如权利要求7或8所述的以太网波分复用传输系统，其中所述接收端包括一个波分解复用器、多个光接收机和多个信宿，所述光接收机和所述信宿的数量与所述发射端中的信源和光双二进制发射机的数量相同。

10.如权利要求9所述的以太网波分复用传输系统，其中所述光接收机包括用于将光能转换为电信号的光电检测器和用于时钟提取和数据恢复的时钟数据恢复模块。