- 高速光通信系統(tǒng)中的色散補(bǔ)償
- 色散補(bǔ)償光纖
- 啁啾光纖光柵
- GT標(biāo)準(zhǔn)具
- 三種技術(shù)方案對(duì)比
- 高速光通信系統(tǒng)中的色散補(bǔ)償
色散補(bǔ)償器對(duì)于推動(dòng)全光網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)起著決定性作用，發(fā)展高速全光網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)先決條件是必須做到光層面的色散監(jiān)控與管理。色散補(bǔ)償器件在高速傳輸系統(tǒng)及下一代智能光網(wǎng)絡(luò)中有著廣泛應(yīng)用。本文介紹基于色散補(bǔ)償光纖、啁啾光纖光柵、GT標(biāo)準(zhǔn)具的三種技術(shù)方案，圖文并茂講述高速光通信系統(tǒng)中的色散補(bǔ)償。
隨著光傳輸系統(tǒng)中的傳輸速率的提高和信號(hào)傳輸帶寬的增加，色散問(wèn)題日益顯著。已經(jīng)鋪設(shè)的常規(guī)光纖規(guī) G.652線(xiàn)路的零色散點(diǎn)位于1310nm，在1550 nm處時(shí)則具有較大的色散系數(shù)(17ps/nm/km)，光脈沖信號(hào)經(jīng)過(guò)長(zhǎng)途傳輸后，由于光纖色散值的積累引起脈沖展寬，導(dǎo)致嚴(yán)重的碼間串?dāng)_，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(bǔ)償技術(shù)的研究，對(duì)提高目前已經(jīng)鋪設(shè)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(bǔ)償器對(duì)于推動(dòng)全光網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)起著決定性作用，發(fā)展高速全光網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)先決條件是必須做到光層面的色散監(jiān)控與管理。色散補(bǔ)償器件在高速傳輸系統(tǒng)及下一代智能光網(wǎng)絡(luò)中有著廣泛應(yīng)用。
技術(shù)方案簡(jiǎn)介
目前商用的光學(xué)色散補(bǔ)償模塊，包含固定色散補(bǔ)償和可調(diào)色散補(bǔ)償兩大類(lèi)，分別是基于色散補(bǔ)償光纖、啁啾光纖光柵、GT標(biāo)準(zhǔn)具這三種技術(shù)方案。
色散補(bǔ)償光纖
色散補(bǔ)償光纖是利用基模波導(dǎo)來(lái)獲得高的負(fù)色散值，通過(guò)改變光纖的芯徑、摻雜濃度等結(jié)構(gòu)參數(shù)，使零色散波長(zhǎng)移至大于1550nm波長(zhǎng)的位置，于是在 1550nm處得到較大的負(fù)色散系數(shù)，通常在-50~-200ps/nm/km。為了得到高的負(fù)色散值系數(shù)，必須減小光纖芯徑，增加相對(duì)折射率差，而這種作法往往又會(huì)導(dǎo)致光纖的衰耗增加(0.5~1dB/km)。為了能在整個(gè)波段均勻補(bǔ)償常規(guī)單模光纖的色散，又開(kāi)發(fā)出一種既補(bǔ)償色散又能補(bǔ)償色散斜率的補(bǔ)償光纖。該光纖的特點(diǎn)是色散斜率之比與常規(guī)光纖相同，但符號(hào)相反，所以更適合在整個(gè)波形內(nèi)的均衡補(bǔ)償。
色散補(bǔ)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(yīng)用，許多傳輸系統(tǒng)都是通過(guò)DCF+G.652光纖實(shí)現(xiàn)的，具有無(wú)群時(shí)延抖動(dòng)，全波段連續(xù)補(bǔ)償,能夠從100GHz間隔系統(tǒng)平滑升級(jí)到50GHz間隔系統(tǒng)等優(yōu)點(diǎn)，但存在損耗大、光脈沖延遲高、非線(xiàn)性效應(yīng)以及模塊尺寸大等缺點(diǎn)。
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(zhǎng)度方向發(fā)生一定變化，則其頻率沿長(zhǎng)度方向也會(huì)發(fā)生一定變化，即發(fā)生了啁啾，稱(chēng)這種光柵為啁啾光纖光柵。啁啾可以是線(xiàn)性的，也可以是非線(xiàn)性的。
當(dāng)光脈沖信號(hào)通過(guò)圖1總長(zhǎng)度為 L的啁啾光柵（周期由大到?。r(shí)，信號(hào)的長(zhǎng)、短波長(zhǎng)分量分別在光纖的頭、尾部反射，則短波分量比長(zhǎng)波分量多走了2L的路程，從而補(bǔ)償了由群速度不同而導(dǎo)致的色散，起到壓縮由于光纖傳輸所導(dǎo)致的光脈沖展寬的作用。
對(duì)于10Gb/s及其以上的系統(tǒng)，系統(tǒng)商開(kāi)始選擇啁啾光纖光柵進(jìn)行色散補(bǔ)償。特點(diǎn)是插入損耗很小，且損耗與補(bǔ)償距離無(wú)關(guān)，幾乎不受光纖非線(xiàn)性影響，對(duì)光信號(hào)的延遲非常低，模塊體積小且成本低。
圖 1 啁啾光柵色散補(bǔ)償原理
GT標(biāo)準(zhǔn)具
基于GT標(biāo)準(zhǔn)具技術(shù)的色散補(bǔ)償模塊，其核心元件GT標(biāo)準(zhǔn)具是由兩個(gè)平行反射鏡構(gòu)成，前一片是低反鏡，后一片是全反鏡，鏡片之間的介質(zhì)折射率小于反射鏡的折射率。
GT標(biāo)準(zhǔn)具使光信號(hào)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(dāng)該色散周期與信道間隔匹配時(shí)，該方案可同時(shí)補(bǔ)償所有DWDM信道的色散。
采用單級(jí)GT標(biāo)準(zhǔn)具，色散補(bǔ)償范圍和工作帶寬有限。
通過(guò)多個(gè)GT標(biāo)準(zhǔn)具級(jí)聯(lián)，參見(jiàn)圖2中的配置，結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)具內(nèi)光學(xué)介質(zhì)的熱光效應(yīng)，通過(guò)加熱器改變溫度，精確控制每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)具群時(shí)延曲線(xiàn)的峰值波長(zhǎng)位置，不僅實(shí)現(xiàn)大范圍的色散量調(diào)節(jié)，同時(shí)也拓寬了通道工作帶寬，可用于系統(tǒng)的可調(diào)色散補(bǔ)償。
圖 2 級(jí)聯(lián)型GT標(biāo)準(zhǔn)具
圖 3 級(jí)聯(lián)型GT標(biāo)準(zhǔn)具工作原理[page]
技術(shù)方案對(duì)比
表1對(duì)以上三種技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了對(duì)比，從圖4和圖5中插入損耗和延遲這兩項(xiàng)指標(biāo)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(bǔ)償技術(shù)方案對(duì)比
圖 4 各類(lèi)方案插入損耗指標(biāo)對(duì)比
圖 5 各類(lèi)方案的延遲對(duì)比
高速光通信系統(tǒng)中的色散補(bǔ)償
高速光通信系統(tǒng)中的色散管理復(fù)雜，不同類(lèi)型的傳輸系統(tǒng)對(duì)色散補(bǔ)償有不同的要求，可參見(jiàn)表2（僅列出了部分應(yīng)用） ,結(jié)合表1 我們發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有的色散補(bǔ)償技術(shù)都無(wú)法全面滿(mǎn)足各類(lèi)系統(tǒng)要求，實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中需要具體分析系統(tǒng)色散特點(diǎn)，采用多種色散補(bǔ)償技術(shù)相結(jié)合的方式
表 2 高速光通信各類(lèi)應(yīng)用對(duì)色散補(bǔ)償要求
對(duì)于超長(zhǎng)距離傳輸應(yīng)用，由于啁啾光纖光柵和GT標(biāo)準(zhǔn)具存在著群時(shí)延抖動(dòng)，當(dāng)器件級(jí)聯(lián)后，會(huì)給系統(tǒng)帶來(lái)傳輸代價(jià)，此時(shí)首選色散補(bǔ)償光纖技術(shù)，由于色散補(bǔ)償光纖無(wú)法100%補(bǔ)償色散斜率，同時(shí)也要考慮在接收端進(jìn)行通道間殘余色散補(bǔ)償。
對(duì)于海底光纜傳輸系統(tǒng)，為了減少超長(zhǎng)距離傳輸帶來(lái)的色散累積問(wèn)題，傳輸光纜采用的是不同類(lèi)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(jiàn)圖6，中間信道的色散能夠得到完全補(bǔ)償，兩邊的信道殘余色散高達(dá)+/-4000ps/nm，參見(jiàn)圖7，在接收端只能采用啁啾光柵的技術(shù)方案進(jìn)行通道間殘余色散補(bǔ)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(duì)海纜傳輸?shù)臍堄嗌⑦M(jìn)行補(bǔ)償
對(duì)于40Gb/s高速光通信系統(tǒng)，他們的色散補(bǔ)償具有精確性及時(shí)變性的特點(diǎn)。第一，由于系統(tǒng)色散容限與信號(hào)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(dāng)中，必須使用色散補(bǔ)償技術(shù)在接收端對(duì)每個(gè)信道信號(hào)的殘余色散進(jìn)行精確補(bǔ)償，確保在接收機(jī)工作在色散容限范圍內(nèi)。第二，在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中同時(shí)還要考慮到傳輸系統(tǒng)器件的老化、長(zhǎng)途傳輸線(xiàn)路受到沿途氣候影響、運(yùn)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(shí)間改變，這就要求系統(tǒng)在接收端對(duì)色散補(bǔ)償后的信號(hào)進(jìn)行殘余色散的檢測(cè)，需要采用基于啁啾光纖光柵或者GT標(biāo)準(zhǔn)具的可調(diào)色散補(bǔ)償模塊。
另外，隨著運(yùn)營(yíng)商對(duì)網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)可重構(gòu)性要求日益增長(zhǎng)，可重構(gòu)光分插復(fù)用、光交叉設(shè)備逐漸實(shí)用化?？芍貥?gòu)性網(wǎng)絡(luò)存在著網(wǎng)絡(luò)管理等一系列待以解決的問(wèn)題，其中就包括如何對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行色散管理。可重構(gòu)性網(wǎng)絡(luò)中的波長(zhǎng)信道有可能是來(lái)自遠(yuǎn)端節(jié)點(diǎn)．也有可能是來(lái)自近距離的節(jié)點(diǎn)，信號(hào)在特定點(diǎn)的色散補(bǔ)償量隨著網(wǎng)絡(luò)配置變化而變化，這種應(yīng)用下需要大調(diào)節(jié)范圍的可調(diào)色散補(bǔ)償器。
