色散补偿在G.652光纤传输系统中的应用

2024-01-19张雪峰张学松陈宋祥韦泽芬葛小锋

数字通信世界 2023年12期

张雪峰，张学松，陈宋祥，韦泽芬，葛小锋

（海南省海口市龙华区华垦路10号，海南海口 570236）

1 研究背景

光信号在长距离传输时，由于光纤色散效应引起脉冲展宽，产生码间串扰，严重时使得接收端产生误码现象，使得传输带宽变窄，限制了传输系统容量。已广泛使用的常规单模光纤（Single-Mode optical Fiber，SMF）G.652在1 310 nm波长处色散最小，但损耗较大，而在1 550 nm波长处则具有较大的色散系数（17 ps/nm/km），但损耗最低（约0.20 dB/km）。掺饵光纤放大器的出现和实用化，减小了损耗对通信距离的限制，但是由于工程应用对光传输系统高传输速率和大传输带宽的需求，色散问题日益显著，色散已成为影响传输特性的一个重要问题，必须予以解决。色散补偿光纤以其无源特性、全阶补偿以及插损小等特点，在众多色散补偿技术中优势显著，对现有常规光纤通信系统（G.652）的扩容具有普遍实用意义[1]。

2 色散补偿

色散补偿光纤DCF（Dispersion Compensating Fiber，工程应用中为色散补偿模块DCM）的原理：首先利用基模波导获取高的负色散值，而后通过改变光纤的芯径大小、掺杂浓度等参数，使零色散波长点转移至大于1 550 nm波长位置，从而在1 550 nm处得到较大的负色散系数。而我们通常使用的G.652光纤为正色散光纤，通过局部配置色散补偿光纤模块（负色散系数）进行补偿，使得传输中采用的光纤色散值正负交替，系统总的色散接近零。在实际应用中就是在现使用的G.652光纤上加上一段具有负色散性质的光纤（即色散补偿光纤DCF），使传输系统总的色散值控制在系统允许容限范围以内，从而减小色散对系统的影响[2]。

应用DCM时要求插入的色散补偿光纤的色散值必须与需要补偿的光纤色散值相匹配，在原理上，色散补偿模块可以放置在传输线路的任何位置，发送端、接收端，或两端都行。但是当其放置在发送端功率放大器之后时，由于DCF的模场直径很小（约为5～6 μm），可作用有效面积小，相同的光功率会引起较大的非线性效应[3]，因此，接下来将讨论DCM配置的几种常见场景。

3 色散补偿模块的配置

3.1 常见术语介绍

（1）预补偿：在一个DWDM复用段的OTM发送端配置色散补偿模块（DCM），色散补偿模块位置在OBA与OMU之间，功能是对整个复用段的光信号在进入传输线路前提供一定的色散补偿量。

（2）线路补偿：在一个DWDM复用段的线路站点进行色散补偿，色散补偿模块通常在OLA之前或者在构成OLA站点的OPA与OBA之间，功能是对每个放大站之前的放大段传输光纤进行补偿。

（3）后补偿：在一个DWDM复用段的OTM接收端进行色散补偿，色散补偿模块通常在OPA之前，构成OPA站点的OPA与OBA之色散补偿模块通常在OPA之前或者在构成OPA站点的OPA与OBA之间，功能是对复用段传输方向的最后一个放大段的传输光纤进行补偿，同时兼有对整个复用段的色散补偿量进行调整的功能。

（4）系统的残余色散：指一个复用段经过色散补偿后的剩余色散量。

（5）过补偿和欠补偿：如果复用段总传输光纤长度＞复用段总色散补偿光纤长度或系统的残余色散为正，称之为欠补偿；如果复用段总传输光纤长度＜复用段总色散补偿光纤长度或系统的残余色散为负，称之为过补偿[4]。

3.2 色散补偿的配置原则

表1描述了OTU两种编码模式在G.652光纤中的理论传输距离。对于使用G.652光纤、光源采用NRZ编码方式，复用段长度小于等于800 km的400G/800G系统，系统的残余色散值在10 km和30 km之间。以800 km的G.652线路传输场景为例，如果光源色散容限为800 ps/nm.km，最少要补偿770 km，最多要补偿790 km。对于复用段长度大于800 km，小于1 200 km的400G系统，系统的残余色散在30 km和50 km之间；对于复用段长度大于800 km，小于1 200 km的800G系统，系统的残余色散在10 km和30 km之间，补偿方案参见表2。

表1 OTU的色散受限距离

表2 G.652光纤系统的色散补偿方案

对于使用G.652光纤，光源采用ERZ编码方式、复用段长度小于或等于800 km的400G/800G系统，系统的残余色散在0 km和20 km之间。以800 km的G.652线路传输场景为例，最少要补偿为780 km，最多要补偿为800 km。对于复用段长度大于800 km，小于1 200 km的400G/800G系统，系统的残余色散在10 km和30 km之间，补偿方案参见表2。

3.3 色散补偿模块的分布

在实际工程中，每个放大中继段的光缆长度不同，且色散补偿模块的规格也各不相同，每个放大段的残余色散量无法按照基本原则的理想情况进行配置。而如果色散补偿模块过于集中在某些节点上，由于非线性效应与色散补偿共同作用，使信号脉冲产生畸形，造成了不可逆的频谱变化，即使后面的DCM实现了完全补偿功能也不能完全使其恢复。因而，在实际工程中色散补偿模块的分布原则如下。

（1）一般情况下预补偿量不超过40 km。对于G.652光纤不使用VMUX（可调功率光复用器）的NRZ系统，预补偿量最多为40 km。如果使用VMUX，则预补偿最多为20 km。对于G.652光纤ERZ系统，预补偿最多为20 km。对于存在超长跨段系统，预补偿可能大于40 km，具体情况根据放大器、线路光纤长度和合分波器等确定。

（2）按照传输方向，G.652光纤复用段中任何一个放大站点的入点和出点的累积色散补偿量（包括预补偿）累积过补偿必须小于80 km，累计欠补偿量必须小于80 km。

（3）对于含有超过8个以上放大段（包括含有OADM站点的情况）的复用段，希望尽可能实现均匀补偿，即累积过补偿或者欠补偿量尽量小一些。

（4）对于存在OADM的复用段，OADM-OTM、OADM-OADM之间的子复用段的补偿也要满足系统色散容限的要求。由于DCM模块的规格问题，有时子复用段的色散补偿可能无法做到欠补偿，此时在一个子复用段如果小于（含）4个放大段且不采用波长可调谐OTU单板的情况下允许过补偿，过补偿量应小于10 km。

3.4 色散补偿的几种配置方案

所有的DCM型号及其插损值如表3所示。

表3 DCM插损对照表

根据上述原则，G.652DCM的色散补偿量越大，DCM插损越大，只能采用分布式补偿的方法，补偿方案有以下5种。

（1）DCM放置于发送端的OBA与OMU之间（见图1）。此时发送端的OMU一般采用介质膜滤波器型或AWG型器件两种类型。

图1 DCM放置于发送端的OBA与OMU之间

（2）DCM放置于线路中。DCM放置在OLA放大器前面（见图2），使用DCM+OLA作为放大站。当（线路损耗+DCM插损）＜32 dB且系统信噪比满足要求时，或者当（线路损耗+DCM插损）＜32 dB且系统信噪比满足要求时，DCM放置在OPA前面（见图3），这种补偿配置不会增加成本，但会影响系统OSNR。

图2 DCM放置于OLA放大器前面

图3 DCM放置于OPA前面

（3）DCM放置于线路中。采用OPA+DCM+OBA两级放大作为放大站（见图4）。此方案增加了OA板，提高了成本，对系统OSNR影响较小。

图4 DCM放置于OPA与OBA之间

（4）在OADM站点，采用OBA+OPA+OAD+OBA两级放大，色散补偿模块的一种放置位置为OAD与OPA之间，如图5(a)所示；色散补偿模也可以放置在OBA与OAD之间，如图5(b)所示，此时色散补偿量应小于60 km；也可以同时采用两种方法，如图5(c)所示，DCM1完全补偿下路通道，DCM2补偿直通和上路通道的系统色散，DCM2补偿量小于60 km。