用于40G／100G光傳輸的色散補償技術
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對電信行業的光系統供應商和網絡運營商來說，對更快更高性價比的光傳輸網絡的追求是沒有止境的。就像20世紀90年代末期從2.5G(千兆位)到10G的轉變一樣，電信行業目前正在面臨從10G到40G容量轉變的技術挑戰。
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。本文介紹了基于光纖布拉格光柵(FBG)的色散補償技術如何能節省成本，并滿足更高位速率光傳輸網絡所需的技術要求。
在過去幾年中，基于FBG的色散補償器已經成為色散補償光纖(DCF)的實用替代技術。隨著DCF技術的不斷成熟，對DCF技術只能進行量變而非質變的改進，因此這一領域如今已充分開放給具有突破性和高性價比的FBG技術。
就像任何突破性技術一樣，FBG技術最初也受到種種懷疑，但利用FBG進行色散管理的優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所部署的成千個FBG-DCM可以明顯地看出來。
基于FBG的色散補償
色散，即短的光脈沖在沿光纖傳輸時產生的即時失真(擴展或拖尾)，是光傳輸系統中的一個基本問題。這種信號的失真如果沒有得到正確的補償將導致碼間干擾，最終引起數據丟失和/或業務中斷。
克服色散問題的傳統方法是在整個光網絡中采用多束DCF。基于DCF的補償技術是一種非常簡捷的技術，它基于的原理是：與實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，不過這種色散水平是通過減小光芯的直徑來實現的。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的色散補償技術與DCF補償有很大的區別。它在解決當前和未來色散補償的技術以及與成本相關的問題上被證明有許多明顯優點。
基于FBG的色散補償通過使用精確啁啾FBG而引入了特殊波長時延概念。通過結合使用這樣的FBG和標準光環形器就可以實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。
通過在FBG中將脈沖的“快”波長反射得比“慢”波長更遠、讓反射的“慢”波長更接近環形器，可以實現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，而這種細至幾個納米的變化是由高度復雜的制造技術控制的。
對FBG啁啾的精確控制是精確色散補償技術的關鍵。通過使用先進的直接寫入FBG制造技術，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進行色散補償時的最大缺點之一。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解決方案來說不到3dB)。
另外，DCF的插入損耗與需要補償的長度接近呈線性的關系，而在FGB中，插入損耗幾乎是常數(圖3)。
插入損耗是光網絡中的一個主要成本因素，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關鍵問題，摻鉺光纖放大器(EDFA)實際上會增加嚴重的與波長有關的色散也是一個事實。當這種放大器的數量增加時，會負面影響系統性能。
FBG-DCM的另外一個優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嚴重的非線性問題，而FBG-DCM可以容忍所有光網絡中常見的最大光功率而不致產生任何負面效應。
在增加位速率時精確色散補償將變得更加嚴格。與調制方式稍有關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。
由于制造和設計原因，DCF補償經常會呈現與波長高度相關的殘留色散問題，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來說尤其顯著，而且針對標準單模光纖(SMF)優化過的DCF多少也存在這種現象。
低殘留色散是一個重要要求，特別是在高位速率應用以及要求全波長頻帶色散補償的場合。因此FBG技術具有調整FBG補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成為一個關鍵優勢。
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存在著很大的與波長相關的色散變化。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格色散要求，業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單的數字編碼格式，如開關鍵控(OOK)，而是采用具有更 好 色 散容差性能的格式，如光雙二進制和差分正交相移鍵控(DQPSK)。
使用新的調制方案當然會提高對色散的容差，因此許多系統供應商和運營商在未來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網絡中原則上仍使用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正常溫度變化引起的時間變更性色散變化。
FBG技術已經被證明非常適合T-DCM。目前基于FBG的自適應色散補償已經得到商用化，而且正在開發中的眾多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。然而，一些普通和直接的例子已經非常突出。
通過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節點中，從而可更好地實現高性價比的不需要分布式色散補償的點到點網絡。
低插入損耗和高功率容差為網絡設計師提供了更多的靈活性，他們可將補償器直接放在發送端的復接器之后，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，問題通常是由限制靠近發送器的色散補償的高損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。分布式色散補償是在每個節點處的信號保真要求很重要時常使用的架構，采用這種架構的網絡通常需要使用中段接入放大器來適應這方面的問題。
在某些情況下，利用FBG-DCM的低插入損耗性能實現簡單的內嵌方法實際上可以取消這些網絡中使用的中段接入放大器。如果在網絡中能夠完全實施這樣的策略，那么與放大器相關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絡中，與插入損耗有關的成本節省也仍然十分顯著。通過簡單地使用具有較低輸出功率的放大器，對一個標準80km跨距來說與放大器有關的成本節省也能達20%左右。
在綠場部署項目或免中繼的網絡中，FBG-DCM的低插入損耗可直接轉換為延伸優勢。FBG-DCM支持的完整色散補償跨距比等效的DCF解決方案長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在成本和性能網絡方面的優化提供了空前的可能性。鑒于人們對成本關注程度的提高，特別是考慮到未來的40G和100G網絡，這種獨特的、在許多方面呈突破性的技術前景一片光明。
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