特約通訊員 梁曉歡

光纖布拉格光柵（FBG）技術(shù)能夠在衰減和帶寬等方面最大程度地優(yōu)化傳統(tǒng)的色散補(bǔ)償技術(shù)，以適應(yīng)最新的40Gbit/s和100Gbit/s的光纖網(wǎng)絡(luò)。

在電信行業(yè)中，對(duì)光學(xué)系統(tǒng)供應(yīng)商和網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商來(lái)說(shuō)，更迅捷、更具成本經(jīng)濟(jì)效益的網(wǎng)絡(luò)傳輸是一個(gè)永無(wú)止境的追求和探索。在很大程度上與20世紀(jì)末期傳輸速度從2.5G向10G過(guò)渡的變革相似，電信行業(yè)正面臨另一個(gè)翻兩倍的挑戰(zhàn)，也就是傳輸速度要從10G過(guò)渡到40G。

這樣的網(wǎng)絡(luò)傳輸速度之所以會(huì)發(fā)生如此大的轉(zhuǎn)變是在合理費(fèi)用的前提下受到一種合適的技術(shù)的影響。本文著重介紹基于FBG的色散補(bǔ)償技術(shù)如何提供既節(jié)省成本又滿(mǎn)足需要的技術(shù)，以適應(yīng)高比特率的光傳輸網(wǎng)絡(luò)。

在過(guò)去的幾年中，F(xiàn)BG色散補(bǔ)償器已經(jīng)能真正地取代傳統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商所采用的色散補(bǔ)償光纖（DCF）。因?yàn)镈CF技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟了，所以FGB技術(shù)只是DCF的升級(jí)，而不是徹底的改革。但由于升級(jí)后的FBG技術(shù)具有突破性和經(jīng)濟(jì)效益性，所以已經(jīng)得到海外公司的認(rèn)可，并對(duì)其全面開(kāi)發(fā)。

一般來(lái)說(shuō)，一些帶有干擾性的技術(shù)出現(xiàn)后，人們會(huì)對(duì)它產(chǎn)生各方面的質(zhì)疑，F(xiàn)BG技術(shù)卻因?yàn)榫哂性诠芾砩⒎矫娴拿黠@優(yōu)勢(shì)而令人們?nèi)∠藢?duì)它的質(zhì)疑。這種明顯的優(yōu)勢(shì)可以從過(guò)去幾年中人們對(duì)FBG技術(shù)的廣泛使用中得以證明。

圖1 基于FBG技術(shù)的色散補(bǔ)償原則圖

基于FBG的色散補(bǔ)償

色散是一種類(lèi)似時(shí)空扭曲的光現(xiàn)象，實(shí)際上是光在前進(jìn)過(guò)程中以光脈沖的形式進(jìn)行擴(kuò)散，這就是光學(xué)傳輸?shù)囊粋€(gè)根本性問(wèn)題。這種扭曲的信號(hào)如果不能正確地補(bǔ)償，就會(huì)因?yàn)榇a間的互相干擾而造成混亂，最終導(dǎo)致數(shù)據(jù)的流失或者網(wǎng)絡(luò)交通的中斷。

我們擁有一些傳統(tǒng)的技術(shù)手段去處理色散問(wèn)題，現(xiàn)在也已經(jīng)把它加入到DCF技術(shù)里，并貫穿到整個(gè)光網(wǎng)絡(luò)。DCF是一項(xiàng)簡(jiǎn)單的技術(shù)，在實(shí)際應(yīng)用中，它只是在標(biāo)準(zhǔn)的單一模式光纖的基礎(chǔ)上新增了一個(gè)具有相反信號(hào)的補(bǔ)償系數(shù)。

通常情況下，DCF的補(bǔ)償系數(shù)是標(biāo)準(zhǔn)單模光纖4到8倍，這種補(bǔ)償模式是通過(guò)減小纖芯直徑來(lái)實(shí)現(xiàn)的。但反過(guò)來(lái)說(shuō)，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?shù)墓β剩疫€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(bǔ)償技術(shù)，相對(duì)于DCF技術(shù)會(huì)有著明顯的優(yōu)勢(shì)。FBG已被證實(shí)在技術(shù)和成本有關(guān)問(wèn)題方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)，能夠解決現(xiàn)在和將來(lái)所面臨的色散補(bǔ)償問(wèn)題。

FBG的色散補(bǔ)償原理是基于它精確的計(jì)算，然后對(duì)導(dǎo)入的特定光波進(jìn)行延時(shí)。通過(guò)結(jié)合FBG和標(biāo)準(zhǔn)光學(xué)循環(huán)器，一個(gè)高效的色散補(bǔ)償模塊就可以充分實(shí)現(xiàn)了。

圖2 當(dāng)比較FBG模塊和DCF模塊的插入損耗時(shí)，F(xiàn)BG的損耗是固定的而DCF的損耗卻會(huì)因傳輸距離而產(chǎn)生線性變化

基于FBG的色散補(bǔ)償原則見(jiàn)圖1。

將擴(kuò)散出去的光脈沖也即色散進(jìn)行重新壓縮是通過(guò)在光纖內(nèi)對(duì)波進(jìn)行一段長(zhǎng)距離的加速來(lái)實(shí)現(xiàn)的，使“慢”的波長(zhǎng)變成“快”的波長(zhǎng)，這樣就能更接近光學(xué)循環(huán)。每個(gè)波長(zhǎng)的準(zhǔn)確映射位置是由光纖內(nèi)發(fā)生的一些光感生現(xiàn)象和折射現(xiàn)象所決定的，這其中牽涉到一些復(fù)雜的光纖技術(shù)。FBG的短促聲波控制技術(shù)是實(shí)現(xiàn)精確色散補(bǔ)償?shù)年P(guān)鍵。通過(guò)使用先進(jìn)的制作設(shè)備，F(xiàn)BG能夠精確地模仿光纖里的色散現(xiàn)象，并跨越性地為其作出補(bǔ)償。

FBG補(bǔ)償器主要有多通道和連續(xù)這兩種類(lèi)型，現(xiàn)在已經(jīng)被用在商業(yè)用途上。信道類(lèi)型的補(bǔ)償器能夠提供特定通道間隔或者特定網(wǎng)格的補(bǔ)償。而連續(xù)類(lèi)型的補(bǔ)償器則和DCF的補(bǔ)償方式大致相同，就是在整個(gè)C或者L波段連續(xù)補(bǔ)償。因此，連續(xù)性類(lèi)型的補(bǔ)償器能夠提供一個(gè)全面獨(dú)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(lái)的升級(jí)。

FBG VS DCF

當(dāng)使用傳統(tǒng)色散補(bǔ)償光纖進(jìn)行補(bǔ)償時(shí)，插入損耗是它的最大缺點(diǎn)。例如，使用DCF對(duì)距離是100-120千米的標(biāo)準(zhǔn)光纖進(jìn)行色散補(bǔ)償會(huì)產(chǎn)生大約10dB的插入損耗，而相同情況下，采用FBG進(jìn)行補(bǔ)償就只會(huì)產(chǎn)生3到4dB（如果采用信道解決方案將會(huì)低于3dB）的損耗。

此外，DCF的補(bǔ)償損耗會(huì)與補(bǔ)償距離產(chǎn)生一個(gè)線性相關(guān)，而FBG則不會(huì)根據(jù)距離的改變而改變。

插入損耗是光網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)闹饕杀?，因?yàn)樗苯佑绊懙骄W(wǎng)絡(luò)所需的擴(kuò)充量。但是單純降低擴(kuò)充量也不是降低成本的關(guān)鍵解決方案。還有一個(gè)事實(shí)就是摻鉺光纖放大器(EDFAs即在信號(hào)通過(guò)的纖芯中摻入了鉺離子Er3+的光信號(hào)放大器)在補(bǔ)償色散時(shí)增加了對(duì)波長(zhǎng)的依賴(lài)性，當(dāng)信息增加時(shí)就會(huì)產(chǎn)生負(fù)面的影響。

FBG模塊的另外一個(gè)優(yōu)勢(shì)就是它在承擔(dān)高功率光傳輸時(shí)具有較強(qiáng)的應(yīng)變能力，不會(huì)像DCF那樣在溫和光功率時(shí)會(huì)產(chǎn)生非線性問(wèn)題，它可以承受高光功率的色散補(bǔ)償，而且不會(huì)產(chǎn)生任何負(fù)面的影響。

隨著比特率的增加，精確的色散補(bǔ)償也有著更加嚴(yán)格的要求。受到調(diào)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(gè)10G傳輸線的色散偏差可達(dá)到1000ps/nm以上。但是當(dāng)考慮到40G的光傳輸時(shí)，這種偏差是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能低于100ps/nm。

由于制造和設(shè)計(jì)方案的不足，DCF補(bǔ)償器往往會(huì)顯示出一些高度數(shù)的殘余波長(zhǎng)，導(dǎo)致在補(bǔ)償過(guò)程中不能正確地匹配。DCF補(bǔ)償器的這一行為的產(chǎn)生源頭是非零色散在光纖內(nèi)部發(fā)生了位移，因此需要對(duì)標(biāo)準(zhǔn)單單模光纖（SMF）進(jìn)行優(yōu)化。

低殘留色散是一個(gè)非常重要的要求，特別是在高比特率的應(yīng)用和全波長(zhǎng)頻帶的色散補(bǔ)償方面。因此，專(zhuān)門(mén)為客戶(hù)制定的以適應(yīng)各種色散及其偏差的能力已經(jīng)成為FBG技術(shù)的一個(gè)關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)。

圖3顯示了關(guān)于DCF和FBG處理色散的典型對(duì)比。透過(guò)它我們可以清楚地看到一個(gè)重要的光波在DCF中的變化。在實(shí)踐中，這表明通過(guò)C波段在不同的通道進(jìn)行透射會(huì)經(jīng)歷不同的補(bǔ)償。在最壞情況下，一些通道可能無(wú)法正常工作。

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

利用新的調(diào)制方案將會(huì)增加色散的偏差或容錯(cuò)。因此，許多系統(tǒng)供應(yīng)商和運(yùn)營(yíng)商都把目光投入了可調(diào)的色散補(bǔ)償系統(tǒng)(T-DCMs)。

T-DCMs允許系統(tǒng)供應(yīng)商在40G網(wǎng)絡(luò)中仍使用10G網(wǎng)絡(luò)的規(guī)則，因?yàn)樗哂惺兜財(cái)U(kuò)充色散容錯(cuò)的能力。因此，原來(lái)10G的鏈接可以大致不變。此外，T-DCMs也可以根據(jù)光纖的溫度變化情況而調(diào)節(jié)色散的改變時(shí)間。

FBG技術(shù)已經(jīng)被證明非常適用于可調(diào)性的色散補(bǔ)償模塊?，F(xiàn)今，具有適應(yīng)能力的FBG已經(jīng)正式上市，而可調(diào)的FBG也將作為即將開(kāi)發(fā)成功的40G和100G光學(xué)系統(tǒng)的技術(shù)選擇。

低成本發(fā)展戰(zhàn)略

引入FBG技術(shù)的成本是和光傳輸鏈的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)密切相關(guān)的。這其中具有一些一般性的、簡(jiǎn)單的例子。

通過(guò)充分利用低插入消耗，相同的距離數(shù)百公里的色散補(bǔ)償可以集中在一個(gè)節(jié)點(diǎn)。這是非?？扇〉?，只需通過(guò)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行補(bǔ)償而不需要分散地補(bǔ)償，具有較高的成本效益性。低損耗和高功率容錯(cuò)為網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)師更進(jìn)一步地在多路器的發(fā)射端或者配置后臺(tái)定點(diǎn)補(bǔ)償提供了可能。但在使用傳統(tǒng)色散補(bǔ)償模塊的情況下，處理方案通常會(huì)因?yàn)楦邠p耗而局限了色散補(bǔ)償接近發(fā)射器的數(shù)量，或者因?yàn)橹破鞫a(chǎn)生一些非線性的負(fù)面影響。

網(wǎng)絡(luò)分布式色散補(bǔ)償具有嚴(yán)格的要求，常常是一個(gè)體系結(jié)構(gòu)中使用時(shí)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)上的信號(hào)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(yīng)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(jiǎn)單的線內(nèi)接觸，免除了在網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行中期使用放大器的需要。如果這樣的方案在網(wǎng)絡(luò)中能夠全面執(zhí)行，則將會(huì)節(jié)約與放大器相關(guān)的成本，可高達(dá)40%。

然而，即使在網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行中期不使用放大器，由于插入消耗而產(chǎn)生的成本也是相當(dāng)巨大的。通過(guò)簡(jiǎn)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(nèi)節(jié)約20%的費(fèi)用。

在綠色領(lǐng)域的項(xiàng)目或者小規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)，F(xiàn)BG的低消耗也能輕易地成為優(yōu)勢(shì)。相比DCF的解決方案，F(xiàn)BG的色散補(bǔ)償距離可多25%（圖5），顯著地節(jié)約了資本支出和運(yùn)營(yíng)成本。

FBG的色散管理技術(shù)為電信行業(yè)的運(yùn)營(yíng)成本和性能提供了無(wú)與倫比的可能性。企業(yè)的運(yùn)營(yíng)成本是非常重要的一環(huán)，特別是考慮到未來(lái)會(huì)出現(xiàn)的40G和100G的網(wǎng)絡(luò)將會(huì)產(chǎn)生更大的運(yùn)營(yíng)成本，因此非常需要這種突破性的技術(shù)去解決各方面的問(wèn)題。

參考資料：

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