用于40G／100G光傳輸?shù)纳⒀a(bǔ)償技術(shù)
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對(duì)電信行業(yè)的光系統(tǒng)供應(yīng)商和網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商來說，對(duì)更快更高性價(jià)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(shí)用替代技術(shù)。隨著DCF技術(shù)的不斷成熟，對(duì)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(jià)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(diǎn)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(gè)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(shí)產(chǎn)生的即時(shí)失真(擴(kuò)展或拖尾)，是光傳輸系統(tǒng)中的一個(gè)基本問題。這種信號(hào)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(gè)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(jiǎn)捷的技術(shù)，它基于的原理是：與實(shí)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(hào)。
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(shí)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(diǎn)。
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(zhǎng)時(shí)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(shí)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(zhǎng)反射得比“慢”波長(zhǎng)更遠(yuǎn)、讓反射的“慢”波長(zhǎng)更接近環(huán)形器，可以實(shí)現(xiàn)色散展寬脈沖的再壓縮。每個(gè)波長(zhǎng)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(xì)至幾個(gè)納米的變化是由高度復(fù)雜的制造技術(shù)控制的。
對(duì)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(gè)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(dú)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(jí)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(bǔ)償時(shí)的最大缺點(diǎn)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(duì)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(zhǎng)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(gè)主要成本因素，因?yàn)樗苯佑绊懶枰姆糯蟊稊?shù)。而保持較少數(shù)量的放大器不只是成本方面的一個(gè)關(guān)鍵問題，摻鉺光纖放大器(EDFA)實(shí)際上會(huì)增加嚴(yán)重的與波長(zhǎng)有關(guān)的色散也是一個(gè)事實(shí)。當(dāng)這種放大器的數(shù)量增加時(shí)，會(huì)負(fù)面影響系統(tǒng)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(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(shí)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(duì)于40G的光傳輸線來說，這個(gè)容差通常會(huì)下降到100ps/nm以下。
由于制造和設(shè)計(jì)原因，DCF補(bǔ)償經(jīng)常會(huì)呈現(xiàn)與波長(zhǎng)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(duì)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(duì)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(gè)重要要求，特別是在高位速率應(yīng)用以及要求全波長(zhǎng)頻帶色散補(bǔ)償?shù)膱?chǎng)合。因此FBG技術(shù)具有調(diào)整FBG補(bǔ)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(shì)。
圖4比較了典型的針對(duì)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(zhǎng)相關(guān)的色散變化。在實(shí)際使用中，這意味著在整個(gè)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(duì)策略。提高色散容差的方法之一是摒棄簡(jiǎn)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(huì)提高對(duì)色散的容差，因此許多系統(tǒng)供應(yīng)商和運(yùn)營(yíng)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(jì)規(guī)則，因?yàn)橛袧摿⑸⑷莶钐岣?0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(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(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(shí)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(gè)節(jié)點(diǎn)中，從而可更好地實(shí)現(xiàn)高性價(jià)比的不需要分布式色散補(bǔ)償?shù)狞c(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(shè)計(jì)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(shí)高度非線性的引入而引起的。分布式色散補(bǔ)償是在每個(gè)節(jié)點(diǎn)處的信號(hào)保真要求很重要時(shí)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(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的內(nèi)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(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(jiǎn)單地使用具有較低輸出功率的放大器，對(duì)一個(gè)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(chǎng)部署項(xiàng)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(shì)。FBG-DCM支持的完整色散補(bǔ)償跨距比等效的DCF解決方案長(zhǎng)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(duì)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(dú)特的、在許多方面呈突破性的技術(shù)前景一片光明。
評(píng)論