用于40G100G光傳輸?shù)纳⒀a(bǔ)償技術(shù)

作 者：Fredrik Sjostrom Proximion Fiber Systems AB公司 

         對電信行業(yè)的光系統(tǒng)供應(yīng)商和網(wǎng)絡(luò)運營商來說，對更快更高性價比的光傳輸網(wǎng)絡(luò)的追求是沒有止境的。就像20世紀(jì)90年代末期從2.5G(千兆位)到10G的轉(zhuǎn)變一樣，電信行業(yè)目前正在面臨從10G到40G容量轉(zhuǎn)變的技術(shù)挑戰(zhàn)。 

         這種轉(zhuǎn)變的步伐大小很大程度上取決于具有合理成本的合適技術(shù)。本文介紹了基于光纖布拉格光柵(FBG)的色散補(bǔ)償技術(shù)如何能節(jié)省成本，并滿足更高位速率光傳輸網(wǎng)絡(luò)所需的技術(shù)要求。 

         在過去幾年中，基于FBG的色散補(bǔ)償器已經(jīng)成為色散補(bǔ)償光纖(DCF)的實用替代技術(shù)。隨著DCF技術(shù)的不斷成熟，對DCF技術(shù)只能進(jìn)行量變而非質(zhì)變的改進(jìn)，因此這一領(lǐng)域如今已充分開放給具有突破性和高性價比的FBG技術(shù)。 

         就像任何突破性技術(shù)一樣，F(xiàn)BG技術(shù)最初也受到種種懷疑，但利用FBG進(jìn)行色散管理的優(yōu)點最終變得非常突出而無法讓人釋懷，這從過去幾年全球眾多系統(tǒng)所部署的成千個FBG-DCM可以明顯地看出來。 

         基于FBG的色散補(bǔ)償 

         色散，即短的光脈沖在沿光纖傳輸時產(chǎn)生的即時失真(擴(kuò)展或拖尾)，是光傳輸系統(tǒng)中的一個基本問題。這種信號的失真如果沒有得到正確的補(bǔ)償將導(dǎo)致碼間干擾，最終引起數(shù)據(jù)丟失和/或業(yè)務(wù)中斷。 

         克服色散問題的傳統(tǒng)方法是在整個光網(wǎng)絡(luò)中采用多束DCF?；贒CF的補(bǔ)償技術(shù)是一種非常簡捷的技術(shù)，它基于的原理是：與實際傳輸中使用的標(biāo)準(zhǔn)單模光纖相比，這種光纖的色散系數(shù)具有相反的符號。 

         典型DCF的色散系數(shù)是標(biāo)準(zhǔn)單模光纖的4到8倍，不過這種色散水平是通過減小光芯的直徑來實現(xiàn)的。而光芯直徑的減小將增加光傳輸損耗，并限制光在光纖中高效傳輸又不引起其它失真(所謂的非線性效應(yīng))的光功率電平。 

         使用高效率反射式FBG的色散補(bǔ)償技術(shù)與DCF補(bǔ)償有很大的區(qū)別。它在解決當(dāng)前和未來色散補(bǔ)償?shù)募夹g(shù)以及與成本相關(guān)的問題上被證明有許多明顯優(yōu)點。 

         基于FBG的色散補(bǔ)償通過使用精確啁啾FBG而引入了特殊波長時延概念。通過結(jié)合使用這樣的FBG和標(biāo)準(zhǔn)光環(huán)形器就可以實現(xiàn)高效的色散補(bǔ)償模塊(DCM)。 

         FBG和色散補(bǔ)償原理的圖形化描述如圖1和圖2所示。 

         通過在FBG中將脈沖的“快”波長反射得比“慢”波長更遠(yuǎn)、讓反射的“慢”波長更接近環(huán)形器，可以實現(xiàn)色散展寬脈沖的再壓縮。每個波長的實際反射位置取決于光纖中精確的光致折射率變化，而這種細(xì)至幾個納米的變化是由高度復(fù)雜的制造技術(shù)控制的。 

         對FBG啁啾的精確控制是精確色散補(bǔ)償技術(shù)的關(guān)鍵。通過使用先進(jìn)的直接寫入FBG制造技術(shù)，色散特征可以做到精確模擬用于補(bǔ)償?shù)墓饫w或跨段的色散屬性。 

         目前有兩種主要的商用FBG色散補(bǔ)償器類型：多通道型(或通道化)和連續(xù)型。通道化補(bǔ)償器提供特定通道間距或特定柵格的補(bǔ)償。連續(xù)型補(bǔ)償器很像DCF那樣在整個C或L波段提供連續(xù)補(bǔ)償。因此連續(xù)型補(bǔ)償可以提供獨立的總通道規(guī)劃，這一功能在考慮更高位速率、密集通道間距和未來可升級性時尤其讓人感興趣。 


         FBG和DCF的比較 

         如前所述，插入損耗是使用DCF進(jìn)行色散補(bǔ)償時的最大缺點之一。例如，用于100km到120km標(biāo)準(zhǔn)單模光纖補(bǔ)償?shù)纳逃肈CF有約10dB的插入損耗，而相同跨距下的連續(xù)型FBG-DCM補(bǔ)償只有3到4dB的插入損耗(對通道化FBG解決方案來說不到3dB)。 

         另外，DCF的插入損耗與需要補(bǔ)償?shù)拈L度接近呈線性的關(guān)系，而在FGB中，插入損耗幾乎是常數(shù)(圖3)。 

        插入損耗是光網(wǎng)絡(luò)中的一個主要成本因素，因為它直接影響需要的放大倍數(shù)。而保持較少數(shù)量的放大器不只是成本方面的一個關(guān)鍵問題，摻鉺光纖放大器(EDFA)實際上會增加嚴(yán)重的與波長有關(guān)的色散也是一個事實。當(dāng)這種放大器的數(shù)量增加時，會負(fù)面影響系統(tǒng)性能。 

         FBG-DCM的另外一個優(yōu)點是能夠承受較大的光功率。DCF在還是中等大小的光功率時就會呈現(xiàn)嚴(yán)重的非線性問題，而FBG-DCM可以容忍所有光網(wǎng)絡(luò)中常見的最大光功率而不致產(chǎn)生任何負(fù)面效應(yīng)。 

         在增加位速率時精確色散補(bǔ)償將變得更加嚴(yán)格。與調(diào)制方式稍有關(guān)系的色散容差正比于位速率的平方值。通常10G傳輸線的色散容差在1000ps/ns以上。但對于40G的光傳輸線來說，這個容差通常會下降到100ps/nm以下。 

         由于制造和設(shè)計原因，DCF補(bǔ)償經(jīng)常會呈現(xiàn)與波長高度相關(guān)的殘留色散問題，并導(dǎo)致不充分的斜率匹配。這種現(xiàn)象對用于非零色散位移光纖(NZ-DSF，如LEAF)補(bǔ)償?shù)腄CF來說尤其顯著，而且針對標(biāo)準(zhǔn)單模光纖(SMF)優(yōu)化過的DCF多少也存在這種現(xiàn)象。 

         低殘留色散是一個重要要求，特別是在高位速率應(yīng)用以及要求全波長頻帶色散補(bǔ)償?shù)膱龊稀Ｒ虼薋BG技術(shù)具有調(diào)整FBG補(bǔ)償行為以適合實際上所有色散與色散斜率特性的能力已經(jīng)成為一個關(guān)鍵優(yōu)勢。 

          圖4比較了典型的針對NZ-DSF的DCF和FBG補(bǔ)償方案。從圖中可以清楚地看出，DCF存在著很大的與波長相關(guān)的色散變化。在實際使用中，這意味著在整個C頻段中不同的傳送通道需要用不同的補(bǔ)償方案，而且在最壞情況下，一些通道可能無法正常工作。 

         為克服由高位速率傳送引起的嚴(yán)格色散要求，業(yè)界制定了許多應(yīng)對策略。提高色散容差的方法之一是摒棄簡單的數(shù)字編碼格式，如開關(guān)鍵控(OOK)，而是采用具有更好色散容差性能的格式，如光雙二進(jìn)制和差分正交相移鍵控(DQPSK)。 

         使用新的調(diào)制方案當(dāng)然會提高對色散的容差，因此許多系統(tǒng)供應(yīng)商和運營商在未來系統(tǒng)中準(zhǔn)備采用可調(diào)諧色散補(bǔ)償器(T-DCM)。 

         T-DCM允許系統(tǒng)供應(yīng)商在40G網(wǎng)絡(luò)中原則上仍使用10G設(shè)計規(guī)則，因為有潛力將色散容差提高10倍。這樣，原本的10G鏈路可以在很大程度上保持不變。另外，T-DCM還能處理由于光纜沿線正常溫度變化引起的時間變更性色散變化。 

          FBG技術(shù)已經(jīng)被證明非常適合T-DCM。目前基于FBG的自適應(yīng)色散補(bǔ)償已經(jīng)得到商用化，而且正在開發(fā)中的眾多40G和100G光系統(tǒng)正在考慮采用可調(diào)諧FBG。 


         低成本的架構(gòu)策略 

         由于引入FBG色散補(bǔ)償而實現(xiàn)的特殊成本節(jié)省程度與光傳輸鏈路的具體拓?fù)渚o密相關(guān)。然而，一些普通和直接的例子已經(jīng)非常突出。 

         通過很好地利用低插入損耗特性，相當(dāng)于數(shù)百公里的SMF色散補(bǔ)償可以集中在單個節(jié)點中，從而可更好地實現(xiàn)高性價比的不需要分布式色散補(bǔ)償?shù)狞c到點網(wǎng)絡(luò)。 

         低插入損耗和高功率容差為網(wǎng)絡(luò)設(shè)計師提供了更多的靈活性，他們可將補(bǔ)償器直接放在發(fā)送端的復(fù)接器之后，也可以放在功率放大器之后(DCM的位置取決于光信噪比(OSNR)要求和/或終端設(shè)備版圖)。在DCF-DCM情況下，問題通常是由限制靠近發(fā)送器的色散補(bǔ)償?shù)母邠p耗或直接放在功率放大器之后時高度非線性的引入而引起的。分布式色散補(bǔ)償是在每個節(jié)點處的信號保真要求很重要時常使用的架構(gòu)，采用這種架構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)通常需要使用中段接入放大器來適應(yīng)這方面的問題。 

         在某些情況下，利用FBG-DCM的低插入損耗性能實現(xiàn)簡單的內(nèi)嵌方法實際上可以取消這些網(wǎng)絡(luò)中使用的中段接入放大器。如果在網(wǎng)絡(luò)中能夠完全實施這樣的策略，那么與放大器相關(guān)的每跨段成本節(jié)省可達(dá)40%(圖5)。 

          即使在正常不使用中段接入放大器的網(wǎng)絡(luò)中，與插入損耗有關(guān)的成本節(jié)省也仍然十分顯著。通過簡單地使用具有較低輸出功率的放大器，對一個標(biāo)準(zhǔn)80km跨距來說與放大器有關(guān)的成本節(jié)省也能達(dá)20%左右。 

         在綠場部署項目或免中繼的網(wǎng)絡(luò)中，F(xiàn)BG-DCM的低插入損耗可直接轉(zhuǎn)換為延伸優(yōu)勢。FBG-DCM支持的完整色散補(bǔ)償跨距比等效的DCF解決方案長25%(圖6)，因此能極大地節(jié)省CAPEX和OPEX。 

 

         基于FBG的色散管理機(jī)制為電信行業(yè)在成本和性能網(wǎng)絡(luò)方面的優(yōu)化提供了空前的可能性。鑒于人們對成本關(guān)注程度的提高，特別是考慮到未來的40G和100G網(wǎng)絡(luò)，這種獨特的、在許多方面呈突破性的技術(shù)前景一片光明。