高速全光網(wǎng)絡(luò)中色散補(bǔ)償器件的應(yīng)用

       1.前言

　　隨著光傳輸系統(tǒng)中的傳輸速率的提高和信號(hào)傳輸帶寬的增加，色散問題日益顯著。已經(jīng)鋪設(shè)的常規(guī)光纖規(guī)G.652線路的零色散點(diǎn)位于1310nm，在1550 nm處時(shí)則具有較大的色散系數(shù)(17ps/nm/km)，光脈沖信號(hào)經(jīng)過長途傳輸后，由于光纖色散值的積累引起脈沖展寬，導(dǎo)致嚴(yán)重的碼間串?dāng)_，使得接收端產(chǎn)生誤碼現(xiàn)象，從而使傳輸特性變壞。光纖色散補(bǔ)償技術(shù)的研究，對提高目前已經(jīng)鋪設(shè)的常規(guī)光纖通信系統(tǒng)的容量具有尤其重要的意義。

　　色散補(bǔ)償器對于推動(dòng)全光網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)起著決定性作用，發(fā)展高速全光網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)先決條件是必須做到光層面的色散監(jiān)控與管理。色散補(bǔ)償器件在高速傳輸系統(tǒng)及下一代智能光網(wǎng)絡(luò)中有著廣泛應(yīng)用。

　　2. 技術(shù)方案簡介

　　目前商用的光學(xué)色散補(bǔ)償模塊，包含固定色散補(bǔ)償和可調(diào)色散補(bǔ)償兩大類，分別是基于色散補(bǔ)償光纖、啁啾光纖光柵、GT標(biāo)準(zhǔn)具這三種技術(shù)方案。

　　2.1 色散補(bǔ)償光纖

　　色散補(bǔ)償光纖是利用基模波導(dǎo)來獲得高的負(fù)色散值，通過改變光纖的芯徑、摻雜濃度等結(jié)構(gòu)參數(shù)，使零色散波長移至大于1550nm波長的位置，于是在1550nm處得到較大的負(fù)色散系數(shù)，通常在-50~-200ps/nm/km。為了得到高的負(fù)色散值系數(shù)，必須減小光纖芯徑，增加相對折射率差，而這種作法往往又會(huì)導(dǎo)致光纖的衰耗增加(0.5~1dB/km)。為了能在整個(gè)波段均勻補(bǔ)償常規(guī)單模光纖的色散，又開發(fā)出一種既補(bǔ)償色散又能補(bǔ)償色散斜率的補(bǔ)償光纖。該光纖的特點(diǎn)是色散斜率之比與常規(guī)光纖相同，但符號(hào)相反，所以更適合在整個(gè)波形內(nèi)的均衡補(bǔ)償。

　　色散補(bǔ)償光纖已經(jīng)在全世界的高速通信系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用，許多傳輸系統(tǒng)都是通過DCF+G.652光纖實(shí)現(xiàn)的，具有無群時(shí)延抖動(dòng)，全波段連續(xù)補(bǔ)償,能夠從100GHz間隔系統(tǒng)平滑升級(jí)到50GHz間隔系統(tǒng)等優(yōu)點(diǎn)，但存在損耗大、光脈沖延遲高、非線性效應(yīng)以及模塊尺寸大等缺點(diǎn)。

　　2.2 啁啾光纖光柵

　　啁啾通常是指一種頻率變化的現(xiàn)象。如果光纖光柵的周期沿長度方向發(fā)生一定變化，則其頻率沿長度方向也會(huì)發(fā)生一定變化，即發(fā)生了啁啾，稱這種光柵為啁啾光纖光柵。啁啾可以是線性的，也可以是非線性的。

　　當(dāng)光脈沖信號(hào)通過圖1總長度為L的啁啾光柵（周期由大到?。r(shí)，信號(hào)的長、短波長分量分別在光纖的頭、尾部反射，則短波分量比長波分量多走了2L的路程，從而補(bǔ)償了由群速度不同而導(dǎo)致的色散，起到壓縮由于光纖傳輸所導(dǎo)致的光脈沖展寬的作用。

　　對于10Gb/s及其以上的系統(tǒng)，系統(tǒng)商開始選擇啁啾光纖光柵進(jìn)行色散補(bǔ)償。特點(diǎn)是插入損耗很小，且損耗與補(bǔ)償距離無關(guān)，幾乎不受光纖非線性影響，對光信號(hào)的延遲非常低，模塊體積小且成本低。 

圖 1 啁啾光柵色散補(bǔ)償原理

　　2.3 GT標(biāo)準(zhǔn)具

　　基于GT標(biāo)準(zhǔn)具技術(shù)的色散補(bǔ)償模塊，其核心元件GT標(biāo)準(zhǔn)具是由兩個(gè)平行反射鏡構(gòu)成，前一片是低反鏡，后一片是全反鏡，鏡片之間的介質(zhì)折射率小于反射鏡的折射率。GT標(biāo)準(zhǔn)具使光信號(hào)中不同的光譜分量所傳輸?shù)墓獬滩煌?，產(chǎn)生周期性的色散效果。當(dāng)該色散周期與信道間隔匹配時(shí)，該方案可同時(shí)補(bǔ)償所有DWDM信道的色散。采用單級(jí)GT標(biāo)準(zhǔn)具，色散補(bǔ)償范圍和工作帶寬有限。通過多個(gè)GT標(biāo)準(zhǔn)具級(jí)聯(lián)，參見圖2中的配置，結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)具內(nèi)光學(xué)介質(zhì)的熱光效應(yīng)，通過加熱器改變溫度，精確控制每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)具群時(shí)延曲線的峰值波長位置，不僅實(shí)現(xiàn)大范圍的色散量調(diào)節(jié)，同時(shí)也拓寬了通道工作帶寬，可用于系統(tǒng)的可調(diào)色散補(bǔ)償。 

圖 2 級(jí)聯(lián)型GT標(biāo)準(zhǔn)具


圖 3 級(jí)聯(lián)型GT標(biāo)準(zhǔn)具工作原理

　　2.4 技術(shù)方案對比

　　表1對以上三種技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了對比，從圖4和圖5中插入損耗和延遲這兩項(xiàng)指標(biāo)的比較，我們發(fā)現(xiàn)啁啾光纖光柵具有插入損耗低和低傳輸延遲特征。 

表 1 色散補(bǔ)償技術(shù)方案對比


圖 4 各類方案插入損耗指標(biāo)對比

圖 5 各類方案的延遲對比

　　3. 高速光通信系統(tǒng)中的色散補(bǔ)償

　　高速光通信系統(tǒng)中的色散管理復(fù)雜，不同類型的傳輸系統(tǒng)對色散補(bǔ)償有不同的要求，可參見表2（僅列出了部分應(yīng)用） ,結(jié)合表1 我們發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有的色散補(bǔ)償技術(shù)都無法全面滿足各類系統(tǒng)要求，實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中需要具體分析系統(tǒng)色散特點(diǎn)，采用多種色散補(bǔ)償技術(shù)相結(jié)合的方式 

表 2 高速光通信各類應(yīng)用對色散補(bǔ)償要求

　　對于超長距離傳輸應(yīng)用，由于啁啾光纖光柵和GT標(biāo)準(zhǔn)具存在著群時(shí)延抖動(dòng)，當(dāng)器件級(jí)聯(lián)后，會(huì)給系統(tǒng)帶來傳輸代價(jià)，此時(shí)首選色散補(bǔ)償光纖技術(shù)，由于色散補(bǔ)償光纖無法100%補(bǔ)償色散斜率，同時(shí)也要考慮在接收端進(jìn)行通道間殘余色散補(bǔ)償。

　　對于海底光纜傳輸系統(tǒng)，為了減少超長距離傳輸帶來的色散累積問題，傳輸光纜采用的是不同類型的光纖混合配置，或者采用低色散系數(shù)光纖，在接收端由于傳輸光纖色散斜率的原因，參見圖6，中間信道的色散能夠得到完全補(bǔ)償，兩邊的信道殘余色散高達(dá)+/-4000ps/nm，參見圖7，在接收端只能采用啁啾光柵的技術(shù)方案進(jìn)行通道間殘余色散補(bǔ)償。 

圖 6 海纜傳輸接收端殘余色散
圖 7 利用啁啾光纖光柵對海纜傳輸?shù)臍堄嗌⑦M(jìn)行補(bǔ)償

　　對于40Gb/s高速光通信系統(tǒng)，他們的色散補(bǔ)償具有精確性及時(shí)變性的特點(diǎn)。第一，由于系統(tǒng)色散容限與信號(hào)速率的平方成正比，40Gb/s系統(tǒng)的色散容限僅為50ps/nm左右。因此在系統(tǒng)當(dāng)中，必須使用色散補(bǔ)償技術(shù)在接收端對每個(gè)信道信號(hào)的殘余色散進(jìn)行精確補(bǔ)償，確保在接收機(jī)工作在色散容限范圍內(nèi)。第二，在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中同時(shí)還要考慮到傳輸系統(tǒng)器件的老化、長途傳輸線路受到沿途氣候影響、運(yùn)行環(huán)境的改變等眾多因素，它們可能使信道中的色散隨時(shí)間改變，這就要求系統(tǒng)在接收端對色散補(bǔ)償后的信號(hào)進(jìn)行殘余色散的檢測，需要采用基于啁啾光纖光柵或者GT標(biāo)準(zhǔn)具的可調(diào)色散補(bǔ)償模塊。

　　另外，隨著運(yùn)營商對網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)可重構(gòu)性要求日益增長，可重構(gòu)光分插復(fù)用、光交叉設(shè)備逐漸實(shí)用化?？芍貥?gòu)性網(wǎng)絡(luò)存在著網(wǎng)絡(luò)管理等一系列待以解決的問題，其中就包括如何對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行色散管理?？芍貥?gòu)性網(wǎng)絡(luò)中的波長信道有可能是來自遠(yuǎn)端節(jié)點(diǎn).也有可能是來自近距離的節(jié)點(diǎn)，信號(hào)在特定點(diǎn)的色散補(bǔ)償量隨著網(wǎng)絡(luò)配置變化而變化，這種應(yīng)用下需要大調(diào)節(jié)范圍的可調(diào)色散補(bǔ)償器。

　　4. 色散補(bǔ)償產(chǎn)品介紹

　　武漢光迅科技股份有限責(zé)任公司的光學(xué)色散補(bǔ)償模塊，分為固定型色散補(bǔ)償和可調(diào)型色散補(bǔ)償兩大類，產(chǎn)品已經(jīng)通過Telcordia 1209/1221可靠性試驗(yàn)，產(chǎn)品符合RoHS要求，除了常規(guī)指標(biāo)，可以根據(jù)客戶需求進(jìn)行定制，滿足傳輸系統(tǒng)的各項(xiàng)要求。目前已經(jīng)提供國內(nèi)各大系統(tǒng)廠商使用。 

圖 8 光迅科技的色散補(bǔ)償產(chǎn)品