光纤布拉格光栅：为40G和100G光传输服务的色散补偿技术

特约通讯员 梁晓欢

光纤布拉格光栅（FBG）技术能够在衰减和带宽等方面最大程度地优化传统的色散补偿技术，以适应最新的40Gbit/s和100Gbit/s的光纤网络。

在电信行业中，对光学系统供应商和网络运营商来说，更迅捷、更具成本经济效益的网络传输是一个永无止境的追求和探索。在很大程度上与20世纪末期传输速度从2.5G向10G过渡的变革相似，电信行业正面临另一个翻两倍的挑战，也就是传输速度要从10G过渡到40G。

这样的网络传输速度之所以会发生如此大的转变是在合理费用的前提下受到一种合适的技术的影响。本文着重介绍基于FBG的色散补偿技术如何提供既节省成本又满足需要的技术，以适应高比特率的光传输网络。

在过去的几年中，FBG色散补偿器已经能真正地取代传统运营商所采用的色散补偿光纤（DCF）。因为DCF技术已经相当成熟了，所以FGB技术只是DCF的升级，而不是彻底的改革。但由于升级后的FBG技术具有突破性和经济效益性，所以已经得到海外公司的认可，并对其全面开发。

一般来说，一些带有干扰性的技术出现后，人们会对它产生各方面的质疑，FBG技术却因为具有在管理色散方面的明显优势而令人们取消了对它的质疑。这种明显的优势可以从过去几年中人们对FBG技术的广泛使用中得以证明。

图1 基于FBG技术的色散补偿原则图

基于FBG的色散补偿

色散是一种类似时空扭曲的光现象，实际上是光在前进过程中以光脉冲的形式进行扩散，这就是光学传输的一个根本性问题。这种扭曲的信号如果不能正确地补偿，就会因为代码间的互相干扰而造成混乱，最终导致数据的流失或者网络交通的中断。

我们拥有一些传统的技术手段去处理色散问题，现在也已经把它加入到DCF技术里，并贯穿到整个光网络。DCF是一项简单的技术，在实际应用中，它只是在标准的单一模式光纤的基础上新增了一个具有相反信号的补偿系数。

通常情况下，DCF的补偿系数是标准单模光纤4到8倍，这种补偿模式是通过减小纤芯直径来实现的。但反过来说，它虽然能够有效地防止引起其它的扭曲，却也限制了光传输的功率，而且还增加了光纤的传输损耗，这就是所谓的“非线性”影响。

采用高效的FBG色散补偿技术，相对于DCF技术会有着明显的优势。FBG已被证实在技术和成本有关问题方面具有明显的优势，能够解决现在和将来所面临的色散补偿问题。

FBG的色散补偿原理是基于它精确的计算，然后对导入的特定光波进行延时。通过结合FBG和标准光学循环器，一个高效的色散补偿模块就可以充分实现了。

图2 当比较FBG模块和DCF模块的插入损耗时，FBG的损耗是固定的而DCF的损耗却会因传输距离而产生线性变化

基于FBG的色散补偿原则见图1。

将扩散出去的光脉冲也即色散进行重新压缩是通过在光纤内对波进行一段长距离的加速来实现的，使“慢”的波长变成“快”的波长，这样就能更接近光学循环。每个波长的准确映射位置是由光纤内发生的一些光感生现象和折射现象所决定的，这其中牵涉到一些复杂的光纤技术。FBG的短促声波控制技术是实现精确色散补偿的关键。通过使用先进的制作设备，FBG能够精确地模仿光纤里的色散现象，并跨越性地为其作出补偿。

FBG补偿器主要有多通道和连续这两种类型，现在已经被用在商业用途上。信道类型的补偿器能够提供特定通道间隔或者特定网格的补偿。而连续类型的补偿器则和DCF的补偿方式大致相同，就是在整个C或者L波段连续补偿。因此，连续性类型的补偿器能够提供一个全面独立的通道，特别适合于高比特率的传输、高密度的信道间隔和未来的升级。

FBG VS DCF

当使用传统色散补偿光纤进行补偿时，插入损耗是它的最大缺点。例如，使用DCF对距离是100-120千米的标准光纤进行色散补偿会产生大约10dB的插入损耗，而相同情况下，采用FBG进行补偿就只会产生3到4dB（如果采用信道解决方案将会低于3dB）的损耗。

此外，DCF的补偿损耗会与补偿距离产生一个线性相关，而FBG则不会根据距离的改变而改变。

插入损耗是光网络传输的主要成本，因为它直接影响到网络所需的扩充量。但是单纯降低扩充量也不是降低成本的关键解决方案。还有一个事实就是掺铒光纤放大器(EDFAs即在信号通过的纤芯中掺入了铒离子Er3+的光信号放大器)在补偿色散时增加了对波长的依赖性，当信息增加时就会产生负面的影响。

FBG模块的另外一个优势就是它在承担高功率光传输时具有较强的应变能力，不会像DCF那样在温和光功率时会产生非线性问题，它可以承受高光功率的色散补偿，而且不会产生任何负面的影响。

随着比特率的增加，精确的色散补偿也有着更加严格的要求。受到调制格式的影响，色散偏差是和比特率的平方成正比的。通常情况下，一个10G传输线的色散偏差可达到1000ps/nm以上。但是当考虑到40G的光传输时，这种偏差是远远不能低于100ps/nm。

由于制造和设计方案的不足，DCF补偿器往往会显示出一些高度数的残余波长，导致在补偿过程中不能正确地匹配。DCF补偿器的这一行为的产生源头是非零色散在光纤内部发生了位移，因此需要对标准单单模光纤（SMF）进行优化。

低残留色散是一个非常重要的要求，特别是在高比特率的应用和全波长频带的色散补偿方面。因此，专门为客户制定的以适应各种色散及其偏差的能力已经成为FBG技术的一个关键优势。

图3显示了关于DCF和FBG处理色散的典型对比。透过它我们可以清楚地看到一个重要的光波在DCF中的变化。在实践中，这表明通过C波段在不同的通道进行透射会经历不同的补偿。在最坏情况下，一些通道可能无法正常工作。

为了克服因高比特率传输而产生的色散要求，一种方法就是增加色散偏差，从而摆脱简单的数字编码格式，例如：通断键控，并开始使用更多的分散容错格式，如双二进制和差分正交相移键控。

利用新的调制方案将会增加色散的偏差或容错。因此，许多系统供应商和运营商都把目光投入了可调的色散补偿系统(T-DCMs)。

T-DCMs允许系统供应商在40G网络中仍使用10G网络的规则，因为它具有十倍地扩充色散容错的能力。因此，原来10G的链接可以大致不变。此外，T-DCMs也可以根据光纤的温度变化情况而调节色散的改变时间。

FBG技术已经被证明非常适用于可调性的色散补偿模块。现今，具有适应能力的FBG已经正式上市，而可调的FBG也将作为即将开发成功的40G和100G光学系统的技术选择。

低成本发展战略

引入FBG技术的成本是和光传输链的拓扑结构密切相关的。这其中具有一些一般性的、简单的例子。

通过充分利用低插入消耗，相同的距离数百公里的色散补偿可以集中在一个节点。这是非常可取的，只需通过点对点网络进行补偿而不需要分散地补偿，具有较高的成本效益性。低损耗和高功率容错为网络设计师更进一步地在多路器的发射端或者配置后台定点补偿提供了可能。但在使用传统色散补偿模块的情况下，处理方案通常会因为高损耗而局限了色散补偿接近发射器的数量，或者因为助推器而产生一些非线性的负面影响。

网络分布式色散补偿具有严格的要求，常常是一个体系结构中使用时，每个节点上的信号要保持很高的保真度，而且通常在中期阶段引入放大器，以适应这方面的需求。

在某些情况下，由于FBG的低插入消耗，它允许一些简单的线内接触，免除了在网络运行中期使用放大器的需要。如果这样的方案在网络中能够全面执行，则将会节约与放大器相关的成本，可高达40%。

然而，即使在网络运行中期不使用放大器，由于插入消耗而产生的成本也是相当巨大的。通过简单地使用具有较少可用输出功率的放大器，放大器也能在80公里的跨度范围内节约20%的费用。

在绿色领域的项目或者小规模的网络，FBG的低消耗也能轻易地成为优势。相比DCF的解决方案，FBG的色散补偿距离可多25%（图5），显著地节约了资本支出和运营成本。

FBG的色散管理技术为电信行业的运营成本和性能提供了无与伦比的可能性。企业的运营成本是非常重要的一环，特别是考虑到未来会出现的40G和100G的网络将会产生更大的运营成本，因此非常需要这种突破性的技术去解决各方面的问题。

参考资料：

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