40G和100G光传输的色散补偿技术

taigerzhm

对电信行业的光系统供应商和网络运营商来说，对更快更高性价比的光传输网络的追求是没有止境的。就像20世纪90年代末期从2.5G(千兆位)到10G的转变一样，电信行业目前正在面临从10G到40G容量转变的技术挑战。 这种转变的步伐大小很大程度上取决于具有合理成本的合适技术。本文先容了基于光纤布拉格光栅(FBG)的色散补偿技术如何能节省成本，并满足更高位速率光传输网络所需的技术要求。 在过去几年中，基于FBG的色散补偿器已经成为色散补偿光纤(DCF)的实用替代技术。随着DCF技术的不断成熟，对DCF技术只能进行量变而非质变的改进，因此这一领域如今已充分开放给具有突破性和高性价比的FBG技术。 就像任何突破性技术一样，FBG技术最初也受到种种怀疑，但利用FBG进行色散管理的优点最终变得非常突出而无法让人释怀，这从过去几年全球众多系统所部署的成千个FBG-DCM可以明显地看出来。 基于FBG的色散补偿 色散，即短的光脉冲在沿光纤传输时产生的即时失真(扩展或拖尾)，是光传输系统中的一个基本问题。这种信号的失真如果没有得到正确的补偿将导致码间干扰，最终引起数据丢失和/或业务中断。 克服色散问题的传统方法是在整个光网络中采用多束DCF。基于DCF的补偿技术是一种非常简捷的技术，它基于的原理是：与实际传输中使用的标准单模光纤相比，这种光纤的色散系数具有相反的符号。 典型DCF的色散系数是标准单模光纤的4到8倍，不过这种色散水平是通过减小光芯的直径来实现的。而光芯直径的减小将增加光传输损耗，并限制光在光纤中高效传输又不引起其它失真(所谓的非线性效应)的光功率电平。 使用高效率反射式FBG的色散补偿技术与DCF补偿有很大的区别。它在解决当前和未来色散补偿的技术以及与成本相关的问题上被证明有许多明显优点。 基于FBG的色散补偿通过使用精确啁啾FBG而引入了特殊波长时延概念。通过结合使用这样的FBG和标准光环形器就可以实现高效的色散补偿模块(DCM)。

FBG和色散补偿原理的图形化描述如图1和图2所示。

通过在FBG中将脉冲的“快”波长反射得比“慢”波长更远、让反射的“慢”波长更接近环形器，可以实现色散展宽脉冲的再压缩。每个波长的实际反射位置取决于光纤中精确的光致折射率变化，而这种细至几个纳米的变化是由高度复杂的制造技术控制的。 对FBG啁啾的精确控制是精确色散补偿技术的关键。通过使用先进的直接写入FBG制造技术，色散特征可以做到精确模拟用于补偿的光纤或跨段的色散属性。 目前有两种主要的商用FBG色散补偿器类型：多通道型(或通道化)和连续型。通道化补偿器提供特定通道间距或特定栅格的补偿。连续型补偿器很像DCF那样在整个C或L波段提供连续补偿。因此连续型补偿可以提供独立的总通道规划，这一功能在考虑更高位速率、密集通道间距和未来可升级性时尤其让人感兴趣。 FBG和DCF的比较 如前所述，插入损耗是使用DCF进行色散补偿时的最大缺点之一。例如，用于100km到120km标准单模光纤补偿的商用DCF有约10dB的插入损耗，而相同跨距下的连续型FBG-DCM补偿只有3到4dB的插入损耗(对通道化FBG解决方案来说不到3dB)。 另外，DCF的插入损耗与需要补偿的长度接近呈线性的关系，而在FGB中，插入损耗几乎是常数(图3)。

插入损耗是光网络中的一个主要成本因素，因为它直接影响需要的放大倍数。而保持较少数量的放大器不只是成本方面的一个关键问题，掺铒光纤放大器(EDFA)实际上会增加严重的与波长有关的色散也是一个事实。当这种放大器的数量增加时，会负面影响系统性能。 FBG-DCM的另外一个优点是能够承受较大的光功率。DCF在还是中等大小的光功率时就会呈现严重的非线性问题，而FBG-DCM可以容忍所有光网络中常见的最大光功率而不致产生任何负面效应。 在增加位速率时精确色散补偿将变得更加严格。与调制方式稍有关系的色散容差正比于位速率的平方值。通常10G传输线的色散容差在1000ps/ns以上。但对于40G的光传输线来说，这个容差通常会下降到100ps/nm以下。 由于制造和设计原因，DCF补偿经常会呈现与波长高度相关的残留色散问题，并导致不充分的斜率匹配。这种现象对用于非零色散位移光纤(NZ-DSF，如LEAF)补偿的DCF来说尤其显著，而且针对标准单模光纤(SMF)优化过的DCF多少也存在这种现象。 低残留色散是一个重要要求，特别是在高位速率应用以及要求全波长频带色散补偿的场合。因此FBG技术具有调整FBG补偿行为以适合实际上所有色散与色散斜率特性的能力已经成为一个关键优势。 图4比较了典型的针对NZ-DSF的DCF和FBG补偿方案。从图中可以清楚地看出，DCF存在着很大的与波长相关的色散变化。在实际使用中，这意味着在整个C频段中不同的传送通道需要用不同的补偿方案，而且在最坏情况下，一些通道可能无法正常工作。

为克服由高位速率传送引起的严格色散要求，业界制定了许多应对策略。提高色散容差的方法之一是摒弃简单的数字编码格式，如开关键控(OOK)，而是采用具有更 好 色 散容差性能的格式，如光双二进制和差分正交相移键控(DQPSK)。 使用新的调制方案当然会提高对色散的容差，因此许多系统供应商和运营商在未来系统中准备采用可调谐色散补偿器(T-DCM)。 T-DCM允许系统供应商在40G网络中原则上仍使用10G设计规则，因为有潜力将色散容差提高10倍。这样，原本的10G链路可以在很大程度上保持不变。另外，T-DCM还能处理由于光缆沿线正常温度变化引起的时间变更性色散变化。 FBG技术已经被证明非常适合T-DCM。目前基于FBG的自适应色散补偿已经得到商用化，而且正在开发中的众多40G和100G光系统正在考虑采用可调谐FBG。 低成本的架构策略 由于引入FBG色散补偿而实现的特殊成本节省程度与光传输链路的具体拓扑紧密相关。然而，一些普通和直接的例子已经非常突出。 通过很好地利用低插入损耗特性，相当于数百公里的SMF色散补偿可以集中在单个节点中，从而可更好地实现高性价比的不需要分布式色散补偿的点到点网络。 低插入损耗和高功率容差为网络设计师提供了更多的灵活性，他们可将补偿器直接放在发送端的复接器之后，也可以放在功率放大器之后(DCM的位置取决于光信噪比(OSNR)要求和/或终端设备版图)。在DCF-DCM情况下，问题通常是由限制靠近发送器的色散补偿的高损耗或直接放在功率放大器之后时高度非线性的引入而引起的。分布式色散补偿是在每个节点处的信号保真要求很重要时常使用的架构，采用这种架构的网络通常需要使用中段接入放大器来适应这方面的问题。 在某些情况下，利用FBG-DCM的低插入损耗性能实现简单的内嵌方法实际上可以取消这些网络中使用的中段接入放大器。如果在网络中能够完全实施这样的策略，那么与放大器相关的每跨段成本节省可达40%(图5)。

即使在正常不使用中段接入放大器的网络中，与插入损耗有关的成本节省也仍然十分显著。通过简单地使用具有较低输出功率的放大器，对一个标准80km跨距来说与放大器有关的成本节省也能达20%左右。 在绿场部署项目或免中继的网络中，FBG-DCM的低插入损耗可直接转换为延伸优势。FBG-DCM支撑的完整色散补偿跨距比等效的DCF解决方案长25%(图6)，因此能极大地节省CAPEX和OPEX。

基于FBG的色散管理机制为电信行业在成本和性能网络方面的优化提供了空前的可能性。鉴于人们对成本关注程度的提高，特别是考虑到未来的40G和100G网络，这种独特的、在许多方面呈突破性的技术前景一片光明。 编辑：Fredrik Sjostrom Proximion Fiber Systems AB企业 Email address: info@proximion.com