高速全光網(wǎng)絡(luò )中色散補償器件的應用

       1.前言

　　隨著(zhù)光傳輸系統中的傳輸速率的提高和信號傳輸帶寬的增加，色散問(wèn)題日益顯著(zhù)。已經(jīng)鋪設的常規光纖規G.652線(xiàn)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(17ps/nm/km)，光脈沖信號經(jīng)過(guò)長(cháng)途傳輸后，由于光纖色散值的積累引起脈沖展寬，導致嚴重的碼間串擾，使得接收端產(chǎn)生誤碼現象，從而使傳輸特性變壞。光纖色散補償技術(shù)的研究，對提高目前已經(jīng)鋪設的常規光纖通信系統的容量具有尤其重要的意義。

　　色散補償器對于推動(dòng)全光網(wǎng)絡(luò )架構起著(zhù)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控與管理。色散補償器件在高速傳輸系統及下一代智能光網(wǎng)絡(luò )中有著(zhù)廣泛應用。

　　2. 技術(shù)方案簡(jiǎn)介

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

　　2.1 色散補償光纖

　　色散補償光纖是利用基模波導來(lái)獲得高的負色散值，通過(guò)改變光纖的芯徑、摻雜濃度等結構參數，使零色散波長(cháng)移至大于1550nm波長(cháng)的位置，于是在1550nm處得到較大的負色散系數，通常在-50~-200ps/nm/km。為了得到高的負色散值系數，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 )導致光纖的衰耗增加(0.5~1dB/km)。為了能在整個(gè)波段均勻補償常規單模光纖的色散，又開(kāi)發(fā)出一種既補償色散又能補償色散斜率的補償光纖。該光纖的特點(diǎn)是色散斜率之比與常規光纖相同，但符號相反，所以更適合在整個(gè)波形內的均衡補償。

　　色散補償光纖已經(jīng)在全世界的高速通信系統中得到了廣泛應用，許多傳輸系統都是通過(guò)DCF+G.652光纖實(shí)現的，具有無(wú)群時(shí)延抖動(dòng)，全波段連續補償,能夠從100GHz間隔系統平滑升級到50GHz間隔系統等優(yōu)點(diǎn)，但存在損耗大、光脈沖延遲高、非線(xiàn)性效應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象。如果光纖光柵的周期沿長(cháng)度方向發(fā)生一定變化，則其頻率沿長(cháng)度方向也會(huì )發(fā)生一定變化，即發(fā)生了啁啾，稱(chēng)這種光柵為啁啾光纖光柵。啁啾可以是線(xiàn)性的，也可以是非線(xiàn)性的。

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

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

圖 1 啁啾光柵色散補償原理

　　2.3 GT標準具

　　基于GT標準具技術(shù)的色散補償模塊，其核心元件GT標準具是由兩個(gè)平行反射鏡構成，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標準具使光信號中不同的光譜分量所傳輸的光程不同，產(chǎn)生周期性的色散效果。當該色散周期與信道間隔匹配時(shí)，該方案可同時(shí)補償所有DWDM信道的色散。采用單級GT標準具，色散補償范圍和工作帶寬有限。通過(guò)多個(gè)GT標準具級聯(lián)，參見(jiàn)圖2中的配置，結合標準具內光學(xué)介質(zhì)的熱光效應，通過(guò)加熱器改變溫度，精確控制每個(gè)標準具群時(shí)延曲線(xiàn)的峰值波長(cháng)位置，不僅實(shí)現大范圍的色散量調節，同時(shí)也拓寬了通道工作帶寬，可用于系統的可調色散補償。 

圖 2 級聯(lián)型GT標準具


圖 3 級聯(lián)型GT標準具工作原理

　　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指標的比較，我們發(fā)現啁啾光纖光柵具有插入損耗低和低傳輸延遲特征。 

表 1 色散補償技術(shù)方案對比


圖 4 各類(lèi)方案插入損耗指標對比

圖 5 各類(lèi)方案的延遲對比

　　3. 高速光通信系統中的色散補償

　　高速光通信系統中的色散管理復雜，不同類(lèi)型的傳輸系統對色散補償有不同的要求，可參見(jiàn)表2（僅列出了部分應用） ,結合表1 我們發(fā)現現有的色散補償技術(shù)都無(wú)法全面滿(mǎn)足各類(lèi)系統要求，實(shí)際應用當中需要具體分析系統色散特點(diǎn)，采用多種色散補償技術(shù)相結合的方式 

表 2 高速光通信各類(lèi)應用對色散補償要求

　　對于超長(cháng)距離傳輸應用，由于啁啾光纖光柵和GT標準具存在著(zhù)群時(shí)延抖動(dòng)，當器件級聯(lián)后，會(huì )給系統帶來(lái)傳輸代價(jià)，此時(shí)首選色散補償光纖技術(shù)，由于色散補償光纖無(wú)法100%補償色散斜率，同時(shí)也要考慮在接收端進(jìn)行通道間殘余色散補償。

　　對于海底光纜傳輸系統，為了減少超長(cháng)距離傳輸帶來(lái)的色散累積問(wèn)題，傳輸光纜采用的是不同類(lèi)型的光纖混合配置，或者采用低色散系數光纖，在接收端由于傳輸光纖色散斜率的原因，參見(jiàn)圖6，中間信道的色散能夠得到完全補償，兩邊的信道殘余色散高達+/-4000ps/nm，參見(jiàn)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的殘余色散進(jìn)行補償

　　對于40Gb/s高速光通信系統，他們的色散補償具有精確性及時(shí)變性的特點(diǎn)。第一，由于系統色散容限與信號速率的平方成正比，40Gb/s系統的色散容限僅為50ps/nm左右。因此在系統當中，必須使用色散補償技術(shù)在接收端對每個(gè)信道信號的殘余色散進(jìn)行精確補償，確保在接收機工作在色散容限范圍內。第二，在實(shí)際應用當中同時(shí)還要考慮到傳輸系統器件的老化、長(cháng)途傳輸線(xiàn)路受到沿途氣候影響、運行環(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，這就要求系統在接收端對色散補償后的信號進(jìn)行殘余色散的檢測，需要采用基于啁啾光纖光柵或者GT標準具的可調色散補償模塊。

　　另外，隨著(zhù)運營(yíng)商對網(wǎng)絡(luò )的動(dòng)態(tài)可重構性要求日益增長(cháng)，可重構光分插復用、光交叉設備逐漸實(shí)用化?？芍貥嬓跃W(wǎng)絡(luò )存在著(zhù)網(wǎng)絡(luò )管理等一系列待以解決的問(wèn)題，其中就包括如何對網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行色散管理?？芍貥嬓跃W(wǎng)絡(luò )中的波長(cháng)信道有可能是來(lái)自遠端節點(diǎn).也有可能是來(lái)自近距離的節點(diǎn)，信號在特定點(diǎn)的色散補償量隨著(zhù)網(wǎng)絡(luò )配置變化而變化，這種應用下需要大調節范圍的可調色散補償器。

　　4. 色散補償產(chǎn)品介紹

　　武漢光迅科技股份有限責任公司的光學(xué)色散補償模塊，分為固定型色散補償和可調型色散補償兩大類(lèi)，產(chǎn)品已經(jīng)通過(guò)Telcordia 1209/1221可靠性試驗，產(chǎn)品符合RoHS要求，除了常規指標，可以根據客戶(hù)需求進(jìn)行定制，滿(mǎn)足傳輸系統的各項要求。目前已經(jīng)提供國內各大系統廠(chǎng)商使用。 

圖 8 光迅科技的色散補償產(chǎn)品