超长距波分系统中色散补偿技术

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一、色散补偿和色散斜率补偿技术

    第一代DWDM系统的每个信道的传输速率是2.5Gbps，由于OSNR容限的限制，传输距离一般是640公里（8×80公里），且不对光纤进行色散补偿。对于最常用的G.652光纤，在1550nm传输波长附近的色散系数为17ps/nm/km，640公里光纤累积的色散量为11000ps/nm，基本达到了2.5Gbps传输速率的色散容限。当单信道速率提升至10Gbps，外调制10Gbps光信号的色散容限典型值约为1000ps/nm，对于无色散补偿的G.652光纤，色散受限距离是60公里，远远小于20dB OSNR容限所允许的640公里的传输距离，这表明传输的色散是受限的，必须进行补偿。二十世纪九十年代中期开发的色散补偿光纤（DCF）在完成这项任务中扮演了主要角色。目前，基于10Gbps的LH DWDM链路都需要进行色散补偿，即在每个或几个光纤跨段的输出端放置用DCF制成的色散补偿模块（DCM），周期性地使光纤链路上累积的色散接近零，因此对于单信道10Gbps的短距离SDH或WDM传输，光纤色散效应不再成为问题。

    然而，在长距离传输中，必须考虑光纤对不同信道的色散存在斜度这一问题。在常用的光纤通信窗口内，光纤的色度色散明显地随波长而变化，如图1所示。以G.652光纤为例，在1530nm处色散系数约为15.5ps/nm/km，在1565nm处约为17.6ps/nm/km，色散斜率（色散系数对波长的微分）为0.06ps/nm2/km，LEAF光纤的色散斜率为0.085ps/nm2/km。假设宽带色散补偿器件对所有C-band信号的色散补偿量是一样的，则在经过10段80公里G.652光纤段传输后，红端信号光（1565nm）所积累的色散将比蓝端（1530nm）多1700ps/nm，导致边缘信道处于色散容限的边缘。所幸的是，目前开发出的多种斜率补偿型色散补偿光纤（DCF），可用于补偿G.652光纤和其它数种新型非零色散位移光纤（NZ-DSF）的色散斜率。若采用60%斜率补偿，则在经过800公里G.652光纤段传输后，C-band的红端和蓝端之间的色散差异可降低到680ps/nm，进而将总色散控制在色散容限窗口之内。在理想的情况下，采用100%斜率补偿可使C-band的红端和蓝端之间的色散差异基本消失，此时即使在非常长的ULH DWDM传输，色散斜率也不再成为问题。



图1  不同传输光纤的色散系数

    另一方面，由于制造误差、色散斜率与波长相关等因素，DCM的色散斜率指标总是存在着10%的误差，即使100%斜率补偿型DCM也是如此。按此数据估算，在经过30×80公里的G.652光纤跨段传输后，即使采用100%斜率补偿DCM，C-band内不同信道的积累色散量间的差异也将达到500ps/nm，这必然会为边缘信道带来额外的代价。

    当然，并不是所有的DCM色散斜率失配都象上述的计算那样简单地进行线性累加，特别是当光纤链路有很多跨段和DCM时，一些色散失配量会相互抵消。但是，这种估计足以说明：（1）在ULH传输中，DCM和传输光纤之间色散斜率匹配是非常重要的；（2）100%斜率补偿亦有局限性；（3）在接收端保持大的色散容限是至关重要的。

    二、非线性效应对色散补偿的影响

    前面谈到外调制10Gbps系统的色散容限为1000ps/nm，这实际上是无啁啾非归零码（NRZ）在背靠背情况下的色散容限数据，在经过ULH传输之后，NRZ码的色散容限将降低，这主要是由于光纤非线性效应特别是自相位调制（SPM）造成的。图2显示了这种SPM导致的色散容限窗口窄化效应。



图2  NRZ码在背靠背和经2400公里G.652光纤传输后的色散容限比较

    图2为NRZ码在背靠背和经2400公里G.652光纤传输后的色散容限比较，图中绘出了为了保持BER=10-5所需的OSNR与总色散累积之间的测试曲线，平均入纤光功率是3.6dBm。

    对于NRZ信号，背靠背情况下引起2dB OSNR代价的色散容限为2400ps/nm。在经过每段都是100%色散补偿的30段80公里G.652光纤传输后，色散容限减至600ps/nm，色散容限窗口的中心也移至600ps/nm处。如果进一步增大入纤光功率或增加光纤跨段数目，色散容限窗口会变得更窄，并进一步向积累色散增加的方向移动。根据图2所示的数据并考虑DCM的色散斜率指标的10%误差可以推断，即使C-band中心信道处被精确地补偿到色散容限窗口的中心位置，边缘信道仍会引起1.5dB的OSNR代价，在LEAF中则将引起3dB的OSNR代价。在实际情况中，由于存在光放大器的增益波动、Raman倾斜和其它工程问题，因此每信道的入纤光功率是无法严格控制的，色散容限窗口的中心会随着入纤光功率的变化而左右平移，这进一步使可用的色散容限窗口变窄。再者，光纤的色散也随着时间和环境的变化而变化，从而导致最佳色散补偿点（色散容限窗口中心）总是在一个范围内漂移，使得ULH传输的色散补偿变成一项非常艰难的工作。此外，如果线路上的色散补偿不精确，SPM会导致更大的信号失真，而且这种失真无法完全地被纠正回来。

    综上所述，NRZ码型并不适用于ULH传输。要克服上述SPM效应积累对色散容限和传输距离的影响，一种可行的方案就是采用特殊的码型调制技术，减缓SPM效应的积累并改善传输后的色散容限。

    三、其它色散补偿器件和方案

    目前，斜率补偿DCF已获广泛应用，并通过网上验证，是实现色散补偿的优选方案。斜率补偿的优点在于它不受带宽的限制、易于获得、稳定性高，缺点是非线性效应较明显、输入光功率不能过高、插损较大。因此，在应用G.652光纤时，一般需要两个EDFA来实现两级放大，而将斜率补偿DCF置于两个EDFA中间，这无疑增加了光放大器的成本。

    不但如此，利用DCF制成的DCM色散量不可调。不同类型的光纤需要不同类型的DCF，而且不是所有的DCF都能实现100%的斜率补偿，即使100%斜率补偿的DCF能方便地获得，在接收端或传输线路中的OADM节点，仍需要色散补偿措施有一定的灵活性，如色散补偿量能自动调整或自动优化等。

    鉴于基于DCF色散补偿方案的缺点，人们在研制色散可调DCM方面进行了大量的尝试。下面是两种具有较好经济效益的技术：

    ■  基于标准的可调色散补偿方案

    利用GT干涉仪，使光信号中不同的光谱分量所传输的光程不同，产生周期性色散效果。当该色散周期与信道间隔匹配时，该方案可同时补偿所有WDM信道的色散。从原理上讲，调整路径长度和微分路径长度即可实现色散补偿量及斜率的调节。但是，由于该方案利用了较高的多重衍射级次，因此插损很高，同时还存在带内色散比较大的问题，而且色散斜率的调节也比较困难。

    ■  啁啾布拉格光栅（FBG）

    FBG也是一种干涉型器件。与标准的可调色散补偿方案不同，FBG是一种窄带器件，它需要多个FBG器件才能使色散补偿范围覆盖整个C波带。温度调节和应力调节都可实现色散调节。

    尽管呼声甚高，但上述两种方案还未开发出成功的商用化产品，目前还不能取代DCF付诸应用。此外，除了色散可调DCM技术之外，分别或联合应用以下两种技术，也可提高色散补偿的灵活性或色散容限。

    ※  在发射侧：选用光谱效率高的调制格式如双二进制码，这些码型具有更大的色散容限。但在用于ULH传输时，这些码型是否具有减缓SPM及其它非线性效应的能力也要纳入考虑，这是因为经光纤传输后色散容限与SPM等非线性效应有关。

    ※  在接收侧：以各种非线性均衡方案为基础的电色散补偿（EDC），可提供对单通道的色散补偿。研究表明，在用于ULH传输时，EDC可在接收侧将色散容限提高40-80%。

    四、总结

    斜率补偿是ULH传输的色散补偿中非常重要的组成部分，对G.652、LEAF和TWRS等广泛采用的传输光纤目前都有相应的100%斜率补偿DCF，使ULH传输的色散管理成为可能。传输光纤非线性效应积累会对色散容限造成危害，这可采用特殊的码型调制技术来克服，目前也正在考虑采用EDC等新兴技术以使ULH传输的色散补偿更具灵活性。