随着IEEE 100 Gbit/s(以下简称100G)以太网标准讨论与制定工作的结束，全球主流厂商正在推动100G的全球部署，并把目光聚焦到400G甚至1 Tbit/s系统上来。同40G/100G一样，400G的部署应该是渐进的方式。为了更有效地利用现有的DWDM(密集波分复用)线路资源，降低投资成本，运营商希望400G能在现有的网络上部署，而不是重新设计和建造一个新的网络以适应400G的传输。这意味着400G必须适应100G/40G或10G的网络设计规划，以实现400G、100G/40G 的混合部署。
　　1、400G LAN接口光模块的技术分析
　　400G LAN(局域网)接口光模块可能将继续采用100G 以太网中独有的并行传输方式。2011年2月，Finisar在"超越100GE"的研讨会上提出了400 GE模块标准建议，主要支持400 GE-LR16和400 GE-SR16两种应用。其中400 GE-LR16采用16×25 G LAN WDM (1330、1310、1290 和1270 nm 4个波道)来实现，而400 GE～SR16则采用了16×25 G多模光纤接口。此外在物理层定义了CAUI(附加单元接口)-16、CPPI(并行物理接口)-16电接口标准。16×25 G仅仅是100GE的线性扩展，只要工艺达到要求就没有其他技术难点。相比之下，光纤并行将有更多的发展空间，但需要密度更高的光子集成技术的支持才可以使400G商用成为可能。

　　此外，Finisar还提出了400G LAN 应用的其他可能方式：第1种是利用已商用化的4O G 的EML(电吸收调制激光器)技术组成10×40 G架构；第2种是依靠提高EML技术，采用4电平幅度调制和DSP(数字信号处理)进行色散补偿的8×50 G的构架；第3种是4×100G的架构，这种架构必须采用复杂的幅度相位调制，如PM-QPSK(偏振复用-正交相移键控)，目前还没有能够商用化的技术演示。

　　NTT的研究报告也指出，在串行数据传输中，16×25 G、10×40G和8X 50 G这几种架构都有可能。对于50 G，调制方式也有基于MZ(马赫-曾德)的DQPSK(差分正交相移键控)调制、或者OOK(开关键控)调制。每种架构在体积、成本、功耗等方面都各有优缺点。从目前的研究成果来看，DML(直接调制激光器)制作工艺简单，功耗低，但是ER(消光比)很小。EML制作工艺复杂、功耗相对较大，但ER较大，可以获得很清晰的眼图。此外，基于InGaA1As的量子阱EAM(电吸收调制器)减小了由于价带偏移造成的在调制过程中的空穴堆积，因此适合用做高速调制。图1～ 图3分别是NTT 在OFC 2011上展示的用于400 GE 的1300 nm、50 G EML的光谱，注入电流与出纤功率的关系以及传输10和40 km后的输出眼图。

　　对于400 GE系统而言，50 G 的OOK调制由于其整个发射端的体积优势，是一种比较好的折中选择。在这种调制方式下，DML相比而言实现起来更加困难。因此可以预言，EML和8×50 G 的OOK调制在400 GE系统中前景看好。

2、400G长距离传输光模块的技术分析

　　在ITU-T/IEEE的联合研讨会中，Alcatel-Iucent的报告中提出：OTU5的接口线速率将达到449．219 Gbit/s。随着速率的提高，系统对OSNR(光信噪比)、CD(色度色散)、PMD(偏振模色散)和非线性的要求越来越高。400G信号的色散容限只有0.5 ps/nm，为100G的1/16。400G在OSNR上也遇到了挑战，比100G高了6 dB。尤其采用高于现行的7%的FEC(前向纠错)开销后，可以实现更远距离的传输。目前讨论得更多的是25% 的。400G在PMD方面比100G 遇到的挑战更大，400G PMD容限只有0.25 ps，为100G的1/4。

　　2.1 激光器线宽的要求

　　随着数字相干接收技术的发展，高阶多电平调制格式由于其高频谱效率的特点在DWDM 系统中越来越引人注目。发射机激光器和接收机本振光的相噪特性决定了系统的误码率性能。表1列出了在不同的调制格式下，400G 和100G对激光器线宽要求的比较。表中，△fTX表示发射机激光器线宽，△fLO表示接收机本振光线宽。
2.2 调制码型与波道间隔特征

　　为了满足400G在当前DWDM 系统中传输的要求，全面提升系统容量，对调制码型最重要的要求是：能够满足SE(频谱效率)和OSNR灵敏度的要求，并且有非常强的非线性容忍度。

　　单模光纤的理论容量为8 bit/s/Hz，在实际长距离传输的设备和光纤中，上限为4 bit/s/Hz。在现代光通信系统中，载波调制格式对系统性能影响很大，为了达到与现网的10 G、40 G混合部署，实现80波50 GHz间隔，必须达到高SE，这可以通过采用单载波高阶调制或者多载波传输来实现。对于448 G 的传输系统，考虑器件频率漂移和R0ADM(可重构光分插复用器)非理想特性，要求实际中必须采用45 G 的32QAM(正交幅度调制)调制或者28 G的PM(偏振复用)-256QAM。电域OFDM(正交频分复用)也能够取代单载波调制，两者的DSP的复杂程度一样，但是OFDM 由于循环前缀、前导符和训练符号开销等额外信息，通常比相应的单载波格式的SE要低。

　　为了尽量满足50 GHz的DWDM 波道间隔，2010年的许多理论研究都是采用多电平幅度调制，即PM-256QAM，一共有65536个星座点，相比100G PM-QPSK而言，密度增加了8倍，并且对光噪声和XPM(交叉相位调制)/SPM(自相位调制)非常敏感，传输距离非常短。从目前报道的单载波高速QAM 的演示情况看来，短期内在448 G传输中，无论是单载波PM～256QAM 还是电OFDM 的32QAM，都还无法实现商用化。

　　第1种放宽SE要求的解决方法：摒弃50 GHz WDM 间隔的硬性要求，如采用56 G PM一16QAM和灵活的70～80 GHz的WDM 间隔，SE为6～5 bit/s/Hz，并且需要有足够多的ROADM 系统支持。数据中心用户偏向于采用这种灵活的解决方案，而拥有大规模、多业务的网状网的电信运营商坚持采用50 GHz的间隔标准。为了兼容50 GHz的边界条件，可以采用逆复用448 G 信道成两个224 G波长。28 G PM-I6QAM 的调制方式可达到4 bit/s/Hz净SE，相比100G PM-QPSK，加倍增大了WDM 每根光纤的容量。另外，为了实现10G、40G/100G到400G的无缝升级部署，对WSS(波长选择开关)提出了可调带宽的要求。

第2种解决方法：用32QAM 或者更高阶调制的低速光子载波正交复用来代替单载波448 G信号。这种方法被称为相干WDM 或者相干光OFDM。它与DWDM 逆复用性质不同，因为它可以获得与特定调制格式下单载波相同的SE以及相干接收的OSNR容忍度。一个448 G的发射机可以用10个单独调制的正交光子载波。接收机可以分两组(每5个为一组)探测接收。从上述讨论看来，为了获得最高可能的子载波速率，可以在电域上进行处理，保持并行的光路数最小会是一个更实际且更经济的方案。表2列出了OFDM 与单载波在400G系统中的性能比较

由于相比单载波极高的灵敏度和优异的CD/PMD容忍度，多极化数字相干接收的CO(相干光)-OFDM 变得越来越有前景而开始受到业界的普遍关注。在对未来基于OFDM 调制的400G光模块结构的探索中，主要有3种架构：基于FFT(快速傅里叶变换)的OOFDM (光正交频分复用)、全光OFDM 和电光OFDM。


　　传统的OOFDM 采用基于DSP/DAC的IFFT(快速傅里叶逆变换)的信号合成和FFT 的解调，CD和PMD容限可以通过插入的循环前缀或者保护间隔、训练符号获得提升，但是这样会造成10%或者20%的额外开销，并且会增加线速率。尤其是在需要周期CD补偿的传输线路中，基于DSP的多载波OFDM 的传输性能会受到光纤非线性特性的限制。利用硅基PLC(平面光波导)和LN(铌酸锂)光波电路的混合集成技术，已经可以制作双载波的QPSK(正交相移键控)调制器来实现单偏振态100G的调制(25 G)以及双偏振态111 G 调制(13．9 G)。考虑到发射机的复杂度，不像传统的基于DSP的OFDM，子载波的个数必须比较少(一般为2～4)，因为子载波的数量较少可以有效降低PAPR。此外，发射端也不需要DSP和DAC。由于少量载波的使用，循环开销会导致额外的开销或者限制补偿能力。因为，我们需要在接收机采用基于CD/PMD补偿的线性滤波器。


　　全光OFDM，必须插入GI(保护间隔)用以提高、CD和PMD容忍度，并且需要长的符号周期(很多子载波)用来抵消GI造成的开销，因此提出了电光OFDM 的架构来解决这一问题，电光OFDM 的架构可以满足更高速率的要求。表3列出了400G系统中各种不同调制码型的性能比较。
综上所述，由于采用了较少的子载波，全光OFDM 有以下两个优点：不需要发射端的DSP/DAC，具有相对较低的电、光复杂度；由于采用了较少的子载波，从而降低了信号的PAPR，在有CD补偿或者低色散的光纤线路上，具有良好的非线性抑制能力。因此从成本、性能和实现的复杂度等来看，全光OFDM 调制技术(2SC-DP-16QAM 格式)和灵活的波道间隔更能吸引光模块厂商的注意，它将在400G商用早期扮演重要的角色。