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高速全光網(wǎng)絡(luò)中色散補償器件的應(yīng)用

摘要:色散補償器對于推動全光網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)起著決定性作用,發(fā)展高速全光網(wǎng)絡(luò)的一個先決條件是必須做到光層面的色散監(jiān)控與管理。色散補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。
       1.前言

  隨著光傳輸系統(tǒng)中的傳輸速率的提高和信號傳輸帶寬的增加,色散問題日益顯著。已經(jīng)鋪設(shè)的常規(guī)光纖規(guī)G.652線路的零色散點位于1310nm,在1550 nm處時則具有較大的色散系數(shù)(17ps/nm/km),光脈沖信號經(jīng)過長途傳輸后,由于光纖色散值的積累引起脈沖展寬,導致嚴重的碼間串擾,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。

  色散補償器對于推動全光網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)起著決定性作用,發(fā)展高速全光網(wǎng)絡(luò)的一個先決條件是必須做到光層面的色散監(jiān)控與管理。色散補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

  目前商用的光學色散補償模塊,包含固定色散補償和可調(diào)色散補償兩大類,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獲得高的負色散值,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處得到較大的負色散系數(shù),通常在-50~-200ps/nm/km。為了得到高的負色散值系數(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導致光纖的衰耗增加(0.5~1dB/km)。為了能在整個波段均勻補償常規(guī)單模光纖的色散,又開發(fā)出一種既補償色散又能補償色散斜率的補償光纖。該光纖的特點是色散斜率之比與常規(guī)光纖相同,但符號相反,所以更適合在整個波形內(nèi)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(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用,許多傳輸系統(tǒng)都是通過DCF+G.652光纖實現(xiàn)的,具有無群時延抖動,全波段連續(xù)補償,能夠從100GHz間隔系統(tǒng)平滑升級到50GHz間隔系統(tǒng)等優(yōu)點,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。

  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。

  當光脈沖信號通過圖1總長度為L的啁啾光柵(周期由大到小)時,信號的長、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(tǒng),系統(tǒng)商開始選擇啁啾光纖光柵進行色散補償。特點是插入損耗很小,且損耗與補償距離無關(guān),幾乎不受光纖非線性影響,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標準具使光信號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。當該色散周期與信道間隔匹配時,該方案可同時補償所有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。通過多個GT標準具級聯(lián),參見圖2中的配置,結(jié)合標準具內(nèi)光學介質(zhì)的熱光效應(yīng),通過加熱器改變溫度,精確控制每個標準具群時延曲線的峰值波長位置,不僅實現(xiàn)大范圍的色散量調(diào)節(jié),同時也拓寬了通道工作帶寬,可用于系統(tǒng)的可調(diào)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)缺點進行了對比,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(xiàn)啁啾光纖光柵具有插入損耗低和低傳輸延遲特征。 


表 1 色散補償技術(shù)方案對比


圖 4 各類方案插入損耗指標對比

圖 5 各類方案的延遲對比




  3. 高速光通信系統(tǒng)中的色散補償

  高速光通信系統(tǒng)中的色散管理復雜,不同類型的傳輸系統(tǒng)對色散補償有不同的要求,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)有的色散補償技術(shù)都無法全面滿足各類系統(tǒng)要求,實際應(yīng)用當中需要具體分析系統(tǒng)色散特點,采用多種色散補償技術(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標準具存在著群時延抖動,當器件級聯(lián)后,會給系統(tǒng)帶來傳輸代價,此時首選色散補償光纖技術(shù),由于色散補償光纖無法100%補償色散斜率,同時也要考慮在接收端進行通道間殘余色散補償。

  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償,兩邊的信道殘余色散高達+/-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?shù)臍堄嗌⑦M行補償




  對于40Gb/s高速光通信系統(tǒng),他們的色散補償具有精確性及時變性的特點。第一,由于系統(tǒng)色散容限與信號速率的平方成正比,40Gb/s系統(tǒng)的色散容限僅為50ps/nm左右。因此在系統(tǒng)當中,必須使用色散補償技術(shù)在接收端對每個信道信號的殘余色散進行精確補償,確保在接收機工作在色散容限范圍內(nèi)。第二,在實際應(yīng)用當中同時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間改變,這就要求系統(tǒng)在接收端對色散補償后的信號進行殘余色散的檢測,需要采用基于啁啾光纖光柵或者GT標準具的可調(diào)色散補償模塊。

  另外,隨著運營商對網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)可重構(gòu)性要求日益增長,可重構(gòu)光分插復用、光交叉設(shè)備逐漸實用化??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端節(jié)點.也有可能是來自近距離的節(jié)點,信號在特定點的色散補償量隨著網(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色散補償模塊,分為固定型色散補償和可調(diào)型色散補償兩大類,產(chǎn)品已經(jīng)通過Telcordia 1209/1221可靠性試驗,產(chǎn)品符合RoHS要求,除了常規(guī)指標,可以根據(jù)客戶需求進行定制,滿足傳輸系統(tǒng)的各項要求。目前已經(jīng)提供國內(nèi)各大系統(tǒng)廠商使用。 


圖 8 光迅科技的色散補償產(chǎn)品



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