光纖布拉格光柵：為40G和100G光傳輸服務的色散補償技術

特約通訊員 梁曉歡

光纖布拉格光柵（FBG）技術能夠在衰減和帶寬等方面最大程度地優化傳統的色散補償技術，以適應最新的40Gbit/s和100Gbit/s的光纖網絡。

在電信行業中，對光學系統供應商和網絡運營商來說，更迅捷、更具成本經濟效益的網絡傳輸是一個永無止境的追求和探索。在很大程度上與20世紀末期傳輸速度從2.5G向10G過渡的變革相似，電信行業正面臨另一個翻兩倍的挑戰，也就是傳輸速度要從10G過渡到40G。

這樣的網絡傳輸速度之所以會發生如此大的轉變是在合理費用的前提下受到一種合適的技術的影響。本文著重介紹基于FBG的色散補償技術如何提供既節省成本又滿足需要的技術，以適應高比特率的光傳輸網絡。

在過去的幾年中，FBG色散補償器已經能真正地取代傳統運營商所采用的色散補償光纖（DCF）。因為DCF技術已經相當成熟了，所以FGB技術只是DCF的升級，而不是徹底的改革。但由于升級后的FBG技術具有突破性和經濟效益性，所以已經得到海外公司的認可，并對其全面開發。

一般來說，一些帶有干擾性的技術出現后，人們會對它產生各方面的質疑，FBG技術卻因為具有在管理色散方面的明顯優勢而令人們取消了對它的質疑。這種明顯的優勢可以從過去幾年中人們對FBG技術的廣泛使用中得以證明。

圖1 基于FBG技術的色散補償原則圖

基于FBG的色散補償

色散是一種類似時空扭曲的光現象，實際上是光在前進過程中以光脈沖的形式進行擴散，這就是光學傳輸的一個根本性問題。這種扭曲的信號如果不能正確地補償，就會因為代碼間的互相干擾而造成混亂，最終導致數據的流失或者網絡交通的中斷。

我們擁有一些傳統的技術手段去處理色散問題，現在也已經把它加入到DCF技術里，并貫穿到整個光網絡。DCF是一項簡單的技術，在實際應用中，它只是在標準的單一模式光纖的基礎上新增了一個具有相反信號的補償系數。

通常情況下，DCF的補償系數是標準單模光纖4到8倍，這種補償模式是通過減小纖芯直徑來實現的。但反過來說，它雖然能夠有效地防止引起其它的扭曲，卻也限制了光傳輸的功率，而且還增加了光纖的傳輸損耗，這就是所謂的“非線性”影響。

采用高效的FBG色散補償技術，相對于DCF技術會有著明顯的優勢。FBG已被證實在技術和成本有關問題方面具有明顯的優勢，能夠解決現在和將來所面臨的色散補償問題。

FBG的色散補償原理是基于它精確的計算，然后對導入的特定光波進行延時。通過結合FBG和標準光學循環器，一個高效的色散補償模塊就可以充分實現了。

圖2 當比較FBG模塊和DCF模塊的插入損耗時，FBG的損耗是固定的而DCF的損耗卻會因傳輸距離而產生線性變化

基于FBG的色散補償原則見圖1。

將擴散出去的光脈沖也即色散進行重新壓縮是通過在光纖內對波進行一段長距離的加速來實現的，使“慢”的波長變成“快”的波長，這樣就能更接近光學循環。每個波長的準確映射位置是由光纖內發生的一些光感生現象和折射現象所決定的，這其中牽涉到一些復雜的光纖技術。FBG的短促聲波控制技術是實現精確色散補償的關鍵。通過使用先進的制作設備，FBG能夠精確地模仿光纖里的色散現象，并跨越性地為其作出補償。

FBG補償器主要有多通道和連續這兩種類型，現在已經被用在商業用途上。信道類型的補償器能夠提供特定通道間隔或者特定網格的補償。而連續類型的補償器則和DCF的補償方式大致相同，就是在整個C或者L波段連續補償。因此，連續性類型的補償器能夠提供一個全面獨立的通道，特別適合于高比特率的傳輸、高密度的信道間隔和未來的升級。

FBG VS DCF

當使用傳統色散補償光纖進行補償時，插入損耗是它的最大缺點。例如，使用DCF對距離是100-120千米的標準光纖進行色散補償會產生大約10dB的插入損耗，而相同情況下，采用FBG進行補償就只會產生3到4dB（如果采用信道解決方案將會低于3dB）的損耗。

此外，DCF的補償損耗會與補償距離產生一個線性相關，而FBG則不會根據距離的改變而改變。

插入損耗是光網絡傳輸的主要成本，因為它直接影響到網絡所需的擴充量。但是單純降低擴充量也不是降低成本的關鍵解決方案。還有一個事實就是摻鉺光纖放大器(EDFAs即在信號通過的纖芯中摻入了鉺離子Er3+的光信號放大器)在補償色散時增加了對波長的依賴性，當信息增加時就會產生負面的影響。

FBG模塊的另外一個優勢就是它在承擔高功率光傳輸時具有較強的應變能力，不會像DCF那樣在溫和光功率時會產生非線性問題，它可以承受高光功率的色散補償，而且不會產生任何負面的影響。

隨著比特率的增加，精確的色散補償也有著更加嚴格的要求。受到調制格式的影響，色散偏差是和比特率的平方成正比的。通常情況下，一個10G傳輸線的色散偏差可達到1000ps/nm以上。但是當考慮到40G的光傳輸時，這種偏差是遠遠不能低于100ps/nm。

由于制造和設計方案的不足，DCF補償器往往會顯示出一些高度數的殘余波長，導致在補償過程中不能正確地匹配。DCF補償器的這一行為的產生源頭是非零色散在光纖內部發生了位移，因此需要對標準單單模光纖（SMF）進行優化。

低殘留色散是一個非常重要的要求，特別是在高比特率的應用和全波長頻帶的色散補償方面。因此，專門為客戶制定的以適應各種色散及其偏差的能力已經成為FBG技術的一個關鍵優勢。

圖3顯示了關于DCF和FBG處理色散的典型對比。透過它我們可以清楚地看到一個重要的光波在DCF中的變化。在實踐中，這表明通過C波段在不同的通道進行透射會經歷不同的補償。在最壞情況下，一些通道可能無法正常工作。

為了克服因高比特率傳輸而產生的色散要求，一種方法就是增加色散偏差，從而擺脫簡單的數字編碼格式，例如：通斷鍵控，并開始使用更多的分散容錯格式，如雙二進制和差分正交相移鍵控。

利用新的調制方案將會增加色散的偏差或容錯。因此，許多系統供應商和運營商都把目光投入了可調的色散補償系統(T-DCMs)。

T-DCMs允許系統供應商在40G網絡中仍使用10G網絡的規則，因為它具有十倍地擴充色散容錯的能力。因此，原來10G的鏈接可以大致不變。此外，T-DCMs也可以根據光纖的溫度變化情況而調節色散的改變時間。

FBG技術已經被證明非常適用于可調性的色散補償模塊。現今，具有適應能力的FBG已經正式上市，而可調的FBG也將作為即將開發成功的40G和100G光學系統的技術選擇。

低成本發展戰略

引入FBG技術的成本是和光傳輸鏈的拓撲結構密切相關的。這其中具有一些一般性的、簡單的例子。

通過充分利用低插入消耗，相同的距離數百公里的色散補償可以集中在一個節點。這是非常可取的，只需通過點對點網絡進行補償而不需要分散地補償，具有較高的成本效益性。低損耗和高功率容錯為網絡設計師更進一步地在多路器的發射端或者配置后臺定點補償提供了可能。但在使用傳統色散補償模塊的情況下，處理方案通常會因為高損耗而局限了色散補償接近發射器的數量，或者因為助推器而產生一些非線性的負面影響。

網絡分布式色散補償具有嚴格的要求，常常是一個體系結構中使用時，每個節點上的信號要保持很高的保真度，而且通常在中期階段引入放大器，以適應這方面的需求。

在某些情況下，由于FBG的低插入消耗，它允許一些簡單的線內接觸，免除了在網絡運行中期使用放大器的需要。如果這樣的方案在網絡中能夠全面執行，則將會節約與放大器相關的成本，可高達40%。

然而，即使在網絡運行中期不使用放大器，由于插入消耗而產生的成本也是相當巨大的。通過簡單地使用具有較少可用輸出功率的放大器，放大器也能在80公里的跨度范圍內節約20%的費用。

在綠色領域的項目或者小規模的網絡，FBG的低消耗也能輕易地成為優勢。相比DCF的解決方案，FBG的色散補償距離可多25%（圖5），顯著地節約了資本支出和運營成本。

FBG的色散管理技術為電信行業的運營成本和性能提供了無與倫比的可能性。企業的運營成本是非常重要的一環，特別是考慮到未來會出現的40G和100G的網絡將會產生更大的運營成本，因此非常需要這種突破性的技術去解決各方面的問題。

參考資料：

http://electronicdesign.com/Articles/Print.cfm?ArticleID=2089.