近两年，伴随着家庭宽带接入方式从xDSL逐步升级为PON，以及有线、无线宽带用户量的持续快速增长，高速互联网、IPTV、3D高清视频、云计算、云存储、物联网等宽带应用的不断涌现，促使传输网络从骨干到城域网络带宽需求成倍增长。未来数年，干线网络还将长期面临巨大的带宽压力，100G WDM/OTN大容量传输网路将是缓解运营商带宽压力的唯一有效手段。
100G的市场预期
随着100G标准的完备和100G 调制技术的成熟，100G相关的产业链更加完整，业内普遍预测100G 相关产品的成本将会大幅降低， 100G系统将具备8-10年的生命周期。
图1 100G 线路模块成本大幅降低
日前据Dell‘Oro发布最新预测报告《2013-2017 Optical Forecast Report》中指出（见图2），2012年到13年， 100G开始在市场上取代40G，成为传输的主流应用。预计到2017年，WDM/OTN产品出货中，100G占比将超过60%。2013年到2017年，全球100G出货量年复合增长率高达47%。
图2 预测2013年-2014年100G 发货量将超过40G
100G 关键技术
100G WDM/OTN系统可在C波段提供80 x 100G的传输容量。100G关键技术包含100G线路发送端调制技术、100G相干接收和DSP技术、SD-FEC以及100G 客户侧技术等。
- 100G线路调制技术
DWDM的长距传输主要受限于以下物理限制：1）OSNR；2）色散；3)非线性效应；4） PMD。这些物理受限因素和调制信号速率密切相关，调制速率越高，影响越明显。
QPSK（Quadrature Phase Shift Keying）是100G调制方式的最佳选择，100G信号比特率是112Git/s或者更高。如果直接采用QPSK调制，会对系统的光/电器件提出非常高的技术要求。所以引入了光偏振复用（Polarization Multiplexed）方案。偏振复用采用两路独立的光偏振态来承载56GHz业务。每路偏振态都采用QPSK调制方式，可以将波特率进一步降低到28Gbit/s。从而可以降低光/电器件的带宽要求，并降低了系统功耗和成本。国际标准化组织综合此两种技术选择“偏振复用-正交相移键控码”( PM-QPSK)做为标准100G光调制方式。
图3 PM-QPSK光发射机模块原理框图
在发送端， 100G信号被分为4路低速信号，加上OTN和FEC开销，每路信号为28Gbit/s。激光器发出的光分解为垂直和水平两个偏振态。用两个频率相同的偏振态来承载信号使速率降低一半，降低带宽，适应更紧凑的通道间隔。QPSK采用4个传输相位调制每个偏振态的光信号。然后，两个偏振态的QPSK调制光信号会被耦合在一起输出。偏振复用(PM)和QPSK将调制速率降为1/4，从而使100G系统成本降低。
- 相干接收和DSP技术
由于经过长距离传输后的PM-QPSK光信号其偏振态会随机变化，接收端的本地光振荡器与接收光信号存在频率差以及相位差，成熟的解决方案是采用高速电信号处理（DSP）技术来处理接收的信号。通过采用复杂的高级电信号处理补偿技术，100G系统PMD容限和CD容限优于10G系统，并且可降低了PMD和CD引入的传输代价，具有较高的光接收灵敏度。
100G接收的相干接收和电域补偿技术原理框图如下图所示。
图4 相干接收DSP原理框图
相干平衡光接收机从光信号还原出两路偏振态，并从中解调出4路相位信息，经过A/D转换为数字信号，然后通过电补偿处理模块来补偿信号由于长距传输造成的一些物理损伤，可去掉由于CD 和PMD所带来眼图上的失真和码间干扰。相比NRZ直接接收，DSP补偿技术可提升OSNR容限到近6dB。采用DSP补偿技术，系统色散容限可以达到40000-60000 ps/nm，PMD容限可以达到25-30ps，实现了100G系统中将不再需要色散补偿模块，且PMD也不再是传输距离的限制因素。网络部署更简单。
- 软判决SD-FEC
10G NRZ在纠错前误码率为2x10-3(超强纠错编码纠错门限)时OSNR容限小于12dB，100G的PM-QPSK的纠错前误码率为2x10-3时的OSNR容限在15.5dB左右，也就是说采用相同能力的FEC，100G系统的传输距离只有10G系统的一半。因此需要更高效率的FEC技术来提高100G系统能力，也就是软判决SD-FEC。
在10G/40G系统，采用的硬判决FEC中，解码器判断信号的标准是在二进制的0和1之间进行选择的，这种编码模式丢弃了信号的一些统计特性。而软判决SD-FEC最大限度使用信号中包含的信息，会精细化分信号的判断标准。如图5所示，应用更丰富的采样信息来判断接收到的信号是“1”还是“0”。使用更多的采样信息，解码器可以提供更高的解码准确率以此提高系统性能。软判决FEC比硬判决FEC的净编码增益高2dB。
图5 软判决示意图
100G的PM-QPSK信号调整，选择了冗余度为15%~20%的软判决纠错编码技术（SD-FEC，线路速率接近126Gbps），净编码增益达10.5dB，100G B2B OSNR容限在13dB左右，基本达到了与10G相同量级的传输能力。
软判决SD-FEC可有效提高系统性能，但需要有高速ADC硬件来采样和高速DSP处理信号。100G接收器的高速ADC和DSP保证软判决SD-FEC技术的应用。
- 100G客户侧CFP模块
IEEE定义了100GE的速率为103.125Gb/s。IEEE和ITU-T定义了100GE的4种物理层接口(见下表)。
尽管10 x 10G的100GE客户侧相关标准还在讨论中，OIF定义了100G客户侧可热插拔光模块CFP类型有4波长（4*25G，100GBASE-LR4/ER4）和10波长（10*10G，100GBASE-LR10/ER10）。 其中100GBASE-LR4和100GBASE-LR10的CFP客户侧模块已广泛应用于高速路由器、交换机和WDM系统的Client侧。 100GE客户侧CFP模块采用光子集成技术（PIC），实现了小体积、低功耗。CFP模块原理参考图6。
在100G WDM/OTN系统中，广泛采用了CFP封装的客户侧模块来接入100GE或OTU4业务。其中100GBASE-LR4 和100GBASE-LR10应用最为广泛。100G BASE-ER4和100GBASE-ER10 技术还不成熟，有待进一步研发。
图6 100GE客户侧CFP模块原理框图
传统40G的没落和相干40G的遗憾
传统40G系统采用了P-DPSK和RZ-DQPSK编码技术，由于调制编解码技术简单，其色散容限和PMD容限都劣于10G系统，导致其系统传输能力较差，仅定位于传输过渡技术。
部分厂家将100G相干的PM-QPSK技术引入到40G 系统，通过降低对高速处理芯片的依赖，试图在低成本和高性能上取得平衡。有关40G和100G PM-QPSK传输性能比较的实验研究(系统为G.652光纤，传输7×80km，有DCM)发现，100G PM-QPSK和40G DPSK混传，传输代价较小（参考图6左）。但若和10G NRZ混传，代价较大。从右图可以看出，在小于-4dBm入纤功率的线性区间时，100G PM-QPSK比40G PM-QPSK的Q2值差大约4dB，符合信号速率增加的预期，但是随着入纤功率的增大，进入非线性区间，两者的Q2值差异逐渐缩小，可以看出100G PM-QPSK的非线性性能优于40G PM-QPSK，且100G与10G混传的影响比后者与10G混传要小。特别是在标准要求的0~+1dBm功率下，40G PM-QPSK引入的非线性已高于100G系统。100G PM-QPSK的非线性性能优于40G PM-QPSK的原因在于前者符号速率高，色散导致的符号脉冲展宽速度快，迅速降低了峰值功率，从而非线性性能相对较好。[1]
图7 40G和100 PM-QPSK的非线性性能比较
从产业链角度来看，大多数研发机构将重点放在了100G模块的开发，40G模块基本上维持现状。40G的芯片集中在40nm芯片工艺。全球光模块厂家在40G模块和100G模块产品的开发和生产的现状是，100G的投入远远高于前者，100G需要的高速处理新品已经进入28nm时代，并将进一步应用22nm芯片工艺。100G系统的功耗将会持续降低，最终会低于现有的40G系统。
因此，对于大量存在10G WDM/OTN系统的国内运营商来说，应避免选择40G PDM-QPSK技术，以减少对已有传输系统的影响，直接过渡的100G系统是更加明智选择。
100G发展展望和超100G的挑战
从2012年开始，国内三大运营商都组织并完成了对100G系统传输设备的全面测试，并在国内建设了多条100G实验网络。并且三大运营商从今年开始在全国部署100G网络，国内100G传输网络建设将进入飞速发展期。
随着100G技术的成熟商用，多个设备厂家发在超100G技术的研发上也投入了巨大精力，主要致力于400G和1T的传输技术，并取得不少技术突破。基于现有的技术研发水平，设备厂家更倾向于400G。由于400G还面临大量技术瓶颈，同时相关产业链还处于萌芽阶段，业内专家预测到2020年国内市场才能实现400G的小规模商用[2]。
参考文献：
[1] J.Renaudier, ”Performance comparsion of 40G and 100G coherent PDM-QPSK for upgrading dispersion managed legacy systems”, OFC/NFOEC 2009 NWD5.
[2] 张成良 "省际光网络发展的几个问题" 光网络论坛-2013年6月14日 
