用于40G／100G光傳輸的色散補償技術(shù)
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對電信行業(yè)的光系統供應商和網(wǎng)絡(luò )運營(yíng)商來(lái)說(shuō)，對更快更高性?xún)r(jià)比的光傳輸網(wǎng)絡(luò )的追求是沒(méi)有止境的。就像20世紀90年代末期從2.5G(千兆位)到10G的轉變一樣，電信行業(yè)目前正在面臨從10G到40G容量轉變的技術(shù)挑戰。
這種轉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)的色散補償技術(shù)如何能節省成本，并滿(mǎn)足更高位速率光傳輸網(wǎng)絡(luò )所需的技術(shù)要求。
在過(guò)去幾年中，基于FBG的色散補償器已經(jīng)成為色散補償光纖(DCF)的實(shí)用替代技術(shù)。隨著(zhù)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(kāi)放給具有突破性和高性?xún)r(jià)比的FBG技術(shù)。
就像任何突破性技術(shù)一樣，FBG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(diǎn)最終變得非常突出而無(wú)法讓人釋?xiě)?，這從過(guò)去幾年全球眾多系統所部署的成千個(gè)FBG-DCM可以明顯地看出來(lái)。
基于FBG的色散補償
色散，即短的光脈沖在沿光纖傳輸時(shí)產(chǎn)生的即時(shí)失真(擴展或拖尾)，是光傳輸系統中的一個(gè)基本問(wèn)題。這種信號的失真如果沒(méi)有得到正確的補償將導致碼間干擾，最終引起數據丟失和/或業(yè)務(wù)中斷。
克服色散問(wèn)題的傳統方法是在整個(gè)光網(wǎng)絡(luò )中采用多束DCF?；贒CF的補償技術(shù)是一種非常簡(jiǎn)捷的技術(shù)，它基于的原理是：與實(shí)際傳輸中使用的標準單模光纖相比，這種光纖的色散系數具有相反的符號。
典型DCF的色散系數是標準單模光纖的4到8倍，不過(guò)這種色散水平是通過(guò)減小光芯的直徑來(lái)實(shí)現的。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(xiàn)性效應)的光功率電平。
使用高效率反射式FBG的色散補償技術(shù)與DCF補償有很大的區別。它在解決當前和未來(lái)色散補償的技術(shù)以及與成本相關(guān)的問(wèn)題上被證明有許多明顯優(yōu)點(diǎn)。
基于FBG的色散補償通過(guò)使用精確啁啾FBG而引入了特殊波長(cháng)時(shí)延概念。通過(guò)結合使用這樣的FBG和標準光環(huán)形器就可以實(shí)現高效的色散補償模塊(DCM)。
FBG和色散補償原理的圖形化描述如圖1和圖2所示。
通過(guò)在FBG中將脈沖的“快”波長(cháng)反射得比“慢”波長(cháng)更遠、讓反射的“慢”波長(cháng)更接近環(huán)形器，可以實(shí)現色散展寬脈沖的再壓縮。每個(gè)波長(cháng)的實(shí)際反射位置取決于光纖中精確的光致折射率變化，而這種細至幾個(gè)納米的變化是由高度復雜的制造技術(shù)控制的。
對FBG啁啾的精確控制是精確色散補償技術(shù)的關(guān)鍵。通過(guò)使用先進(jìn)的直接寫(xiě)入FBG制造技術(shù)，色散特征可以做到精確模擬用于補償的光纖或跨段的色散屬性。
目前有兩種主要的商用FBG色散補償器類(lèi)型：多通道型(或通道化)和連續型。通道化補償器提供特定通道間距或特定柵格的補償。連續型補償器很像DCF那樣在整個(gè)C或L波段提供連續補償。因此連續型補償可以提供獨立的總通道規劃，這一功能在考慮更高位速率、密集通道間距和未來(lái)可升級性時(shí)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)行色散補償時(shí)的最大缺點(diǎn)之一。例如，用于100km到120km標準單模光纖補償的商用DCF有約10dB的插入損耗，而相同跨距下的連續型FBG-DCM補償只有3到4dB的插入損耗(對通道化FBG解決方案來(lái)說(shuō)不到3dB)。
另外，DCF的插入損耗與需要補償的長(cháng)度接近呈線(xiàn)性的關(guān)系，而在FGB中，插入損耗幾乎是常數(圖3)。
插入損耗是光網(wǎng)絡(luò )中的一個(gè)主要成本因素，因為它直接影響需要的放大倍數。而保持較少數量的放大器不只是成本方面的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，摻鉺光纖放大器(EDFA)實(shí)際上會(huì )增加嚴重的與波長(cháng)有關(guān)的色散也是一個(gè)事實(shí)。當這種放大器的數量增加時(shí)，會(huì )負面影響系統性能。
FBG-DCM的另外一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是能夠承受較大的光功率。DCF在還是中等大小的光功率時(shí)就會(huì )呈現嚴重的非線(xiàn)性問(wèn)題，而FBG-DCM可以容忍所有光網(wǎng)絡(luò )中常見(jiàn)的最大光功率而不致產(chǎn)生任何負面效應。
在增加位速率時(shí)精確色散補償將變得更加嚴格。與調制方式稍有關(guān)系的色散容差正比于位速率的平方值。通常10G傳輸線(xiàn)的色散容差在1000ps/ns以上。但對于40G的光傳輸線(xiàn)來(lái)說(shuō)，這個(gè)容差通常會(huì )下降到100ps/nm以下。
由于制造和設計原因，DCF補償經(jīng)常會(huì )呈現與波長(cháng)高度相關(guān)的殘留色散問(wèn)題，并導致不充分的斜率匹配。這種現象對用于非零色散位移光纖(NZ-DSF，如LEAF)補償的DCF來(lái)說(shuō)尤其顯著(zhù)，而且針對標準單模光纖(SMF)優(yōu)化過(guò)的DCF多少也存在這種現象。
低殘留色散是一個(gè)重要要求，特別是在高位速率應用以及要求全波長(cháng)頻帶色散補償的場(chǎng)合。因此FBG技術(shù)具有調整FBG補償行為以適合實(shí)際上所有色散與色散斜率特性的能力已經(jīng)成為一個(gè)關(guān)鍵優(yōu)勢。
圖4比較了典型的針對NZ-DSF的DCF和FBG補償方案。從圖中可以清楚地看出，DCF存在著(zhù)很大的與波長(cháng)相關(guān)的色散變化。在實(shí)際使用中，這意味著(zhù)在整個(gè)C頻段中不同的傳送通道需要用不同的補償方案，而且在最壞情況下，一些通道可能無(wú)法正常工作。
為克服由高位速率傳送引起的嚴格色散要求，業(yè)界制定了許多應對策略。提高色散容差的方法之一是摒棄簡(jiǎn)單的數字編碼格式，如開(kāi)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)。
使用新的調制方案當然會(huì )提高對色散的容差，因此許多系統供應商和運營(yíng)商在未來(lái)系統中準備采用可調諧色散補償器(T-DCM)。
T-DCM允許系統供應商在40G網(wǎng)絡(luò )中原則上仍使用10G設計規則，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(xiàn)正常溫度變化引起的時(shí)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的自適應色散補償已經(jīng)得到商用化，而且正在開(kāi)發(fā)中的眾多40G和100G光系統正在考慮采用可調諧FBG。
低成本的架構策略
由于引入FBG色散補償而實(shí)現的特殊成本節省程度與光傳輸鏈路的具體拓撲緊密相關(guān)。然而，一些普通和直接的例子已經(jīng)非常突出。
通過(guò)很好地利用低插入損耗特性，相當于數百公里的SMF色散補償可以集中在單個(gè)節點(diǎn)中，從而可更好地實(shí)現高性?xún)r(jià)比的不需要分布式色散補償的點(diǎn)到點(diǎn)網(wǎng)絡(luò )。
低插入損耗和高功率容差為網(wǎng)絡(luò )設計師提供了更多的靈活性，他們可將補償器直接放在發(fā)送端的復接器之后，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/或終端設備版圖)。在DCF-DCM情況下，問(wèn)題通常是由限制靠近發(fā)送器的色散補償的高損耗或直接放在功率放大器之后時(shí)高度非線(xiàn)性的引入而引起的。分布式色散補償是在每個(gè)節點(diǎn)處的信號保真要求很重要時(shí)常使用的架構，采用這種架構的網(wǎng)絡(luò )通常需要使用中段接入放大器來(lái)適應這方面的問(wèn)題。
在某些情況下，利用FBG-DCM的低插入損耗性能實(shí)現簡(jiǎn)單的內嵌方法實(shí)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(shí)施這樣的策略，那么與放大器相關(guān)的每跨段成本節省可達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)的成本節省也仍然十分顯著(zhù)。通過(guò)簡(jiǎn)單地使用具有較低輸出功率的放大器，對一個(gè)標準80km跨距來(lái)說(shuō)與放大器有關(guān)的成本節省也能達20%左右。
在綠場(chǎng)部署項目或免中繼的網(wǎng)絡(luò )中，FBG-DCM的低插入損耗可直接轉換為延伸優(yōu)勢。FBG-DCM支持的完整色散補償跨距比等效的DCF解決方案長(cháng)25%(圖6)，因此能極大地節省CAPEX和OPEX。
基于FBG的色散管理機制為電信行業(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(lái)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。
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