高速全光網(wǎng)絡中色散補償器件的應用

       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。光纖色散補償技術的研究，對提高目前已經(jīng)鋪設的常規(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)絡架構起著決定性作用，發(fā)展高速全光網(wǎng)絡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)絡中有著廣泛應用。

　　2. 技術方案簡介

　　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、摻雜濃度等結構參數(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?。r，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，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成，前一片是低反鏡，后一片是全反鏡，鏡片之間的介質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，結合標準具內光學介質的熱光效應，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)大范圍的色散量調節(jié)，同時也拓寬了通道工作帶寬，可用于系統(tǒng)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 技術方案對比

　　表1對以上三種技術優(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（僅列出了部分應用） ,結合表1 我們發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有的色散補償技術都無法全面滿足各類系統(tǒng)要求，實際應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相結合的方式 

表 2 高速光通信各類應用對色散補償要求

　　對于超長距離傳輸應用，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，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。第二，在實際應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標準具的可調色散補償模塊。

　　另外，隨著運營商對網(wǎng)絡的動態(tài)可重構性要求日益增長，可重構光分插復用、光交叉設備逐漸實用化。可重構性網(wǎng)絡存在著網(wǎng)絡管理等一系列待以解決的問題，其中就包括如何對網(wǎng)絡進行色散管理?？芍貥嬓跃W(wǎng)絡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)絡配置變化而變化，這種應用下需要大調節(jié)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，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)提供國內各大系統(tǒng)廠商使用。 

圖 8 光迅科技的色散補償產(chǎn)品