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降低光傳輸成本是通信系統提供商和網(wǎng)絡(luò )運營(yíng)商共同的目標。行業(yè)內部激烈的競爭一直是把成本推向更低的主要驅動(dòng)力。不過(guò)，最近為了證明10G到40G的過(guò)渡是業(yè)界必經(jīng)的趨勢，成本問(wèn)題愈加受到關(guān)注。 本文中我們將介紹一下光纖布拉格光柵（FBG）色散補償技術(shù)如何支持新型低成本放大器設計和新的應用方式，從而向夢(mèng)寐以求的降成本的目標邁出一大步。 FBG和色散補償光纖 使用FBG反射進(jìn)行色散補償和使用色散補償光纖（DCF）進(jìn)行補償的傳統方式有本質(zhì)的區別。通過(guò)FBG進(jìn)行色散管理的基本原理是使用一個(gè)精確啁啾光纖光柵對不同的波長(cháng)引入不同的時(shí)延�？梢詫�(zhuān)門(mén)制作光柵以便模擬光纖或者某個(gè)跨度上的色散特性。（見(jiàn)圖1） 圖1. 光柵針對不同波長(cháng)引入不同時(shí)延，精確啁啾光柵用來(lái)模擬被補償光纖的色散特性。 采用FBG進(jìn)行色散補償和傳統的DCF方式相比，有很多明顯的優(yōu)勢。不過(guò)本文主要描述FBG直接導致新的放大器設計和架構的幾個(gè)特點(diǎn)。 FBG色散補償模塊（FBG-DCM）最廣為人知的顯著(zhù)優(yōu)勢是插入損耗小。一般情況120km的FBG-DCM插入損耗在3到4dB，而同等的DCF的插入損耗則大約是10dB，甚至更高。而且FBG-DCM的插損和傳輸跨度幾乎無(wú)關(guān)，而DCF-DCM的插損則隨著(zhù)光纖和傳輸跨度的增加而增加。 這個(gè)距離無(wú)關(guān)性除了帶來(lái)更好的模塊封裝形式外，還引出FBG-DCM和DCF-DCM相比的另一個(gè)主要的優(yōu)勢，那就是遲滯時(shí)間，也就是光信號進(jìn)出一個(gè)器件造成的時(shí)延。對被動(dòng)色散補償器件來(lái)說(shuō)遲滯時(shí)間和器件中的光路長(cháng)度成正比。 對DCF-DCM來(lái)說(shuō)100毫秒的遲滯時(shí)間都是常見(jiàn)的，而FBG-DCM的遲滯時(shí)間則小三個(gè)數量級，在大部分的實(shí)際應用中是可以忽略的。 FBG-DCM另外一個(gè)明顯優(yōu)于DCF-DCM的特點(diǎn)是它在大光功率輸入時(shí)不會(huì )產(chǎn)生非線(xiàn)性效應，雖然DCF-DCM由于非線(xiàn)性效應產(chǎn)生的光功率不大，一般每通道在-2dBm以下，但是FBG-DCM技術(shù)在現行任何光網(wǎng)絡(luò )的最高功率上都不會(huì )引入非線(xiàn)性效應。 插入損耗小，遲滯時(shí)間小到可以忽略，高功率時(shí)沒(méi)有非線(xiàn)性效應，加上封裝小這些FBG-DCM重要的特性不僅使放大器的結構得到改進(jìn)，而且對系統總體成本的降低起到了顯著(zhù)作用。 中間接入EDFA設計 好好利用FBG-DCM的特性，傳統的EDFA可以通過(guò)很多種方式進(jìn)行優(yōu)化。不僅性能，比如噪聲系數，可以得到很大改善，而且尺寸、成本和結構健壯性都會(huì )大幅提高。 讓我們首先考察一下FBG-DCM和距離無(wú)關(guān)的低插損可以帶來(lái)哪些好處。 傳統的中間接入放大器（MSA）是專(zhuān)門(mén)為了補償DCF 10dB的插損而加入的。值得一提的是，其實(shí)，實(shí)際應用中從預放到輔助放大器，之間的損耗有12dB，因為需要加入光隔離器防止后向散射。中間接入的10dB損耗預留出來(lái)是為了支持DCF，對100"120公里的單模光纖進(jìn)行色散補償。 而同樣的插損，如果使用FBG-DCM則可以對400公里的距離進(jìn)行色散補償，如果對單通道補償，則距離可以更遠。FBG-DCM內置環(huán)形器的特點(diǎn)更在放大器中間接入模塊中去除了隔離器這個(gè)損耗因素。 FBG-DCM的低插損特性根據網(wǎng)絡(luò )不同的拓撲、不同的鏈路結構和損耗容限，起到的作用大小也不同。該特性可以用來(lái)簡(jiǎn)化MSA結構，在一些FBG提供的在線(xiàn)色散補償能力富足的情況下，甚至可以把MSA去掉。后面這種情況下去掉MSA減少的成本可以占到整個(gè)傳輸跨度上成本的40%。 傳統的中間接入放大器 傳統的MSA（如圖2）設計的目的是補償DCF-DCM的插損。比如圖2就使用了三級雙泵浦的設計方法（或者可以看成是二級預放加上一個(gè)輔助放大器）。 這個(gè)結構中主要部分是二級可變增益預放大器和中間接入之前一個(gè)另加的可變光增益衰減器。預放大器的兩級之間的可變光增益衰減器為整個(gè)MSA提供可變增益（整個(gè)增益區域內有平坦的增益）。在中間接入前另加的可變光衰減器是為了支持不同跨度引起的DCF的不同的損耗而設計的。 圖2. 色散補償光纖使中段放大器的設計中加入一些低效因素。 原理上，兩個(gè)可變增益衰減器可以合并，從而很大程度上簡(jiǎn)化了結構。但是這個(gè)結構必須要很大程度地降低預放的光功率，以免預放輸出功率過(guò)高（高泵浦功率）。再加上中間接入的大損耗，使整個(gè)MSA系統的噪聲系數顯著(zhù)下降。 但是，即使使用兩級預放，MSA的噪聲系數還是要被另一個(gè)因素限制：為了使DCF產(chǎn)生的非線(xiàn)性效應最小，DCF的輸入功率一般需要限制在每通道-2dBm之內。這個(gè)要求又進(jìn)一步限制了預放的增益，也就使噪音系數進(jìn)一步受到影響。 如果把DCF-DCM換成FBG-DCM，那么其和傳輸跨度無(wú)關(guān)的低插損就可以使放大器的兩個(gè)可變增益衰減器合成一個(gè)，也不會(huì )影響到噪聲系數，另外簡(jiǎn)化后的結構少了很多無(wú)源光器件（比如光隔離器、泵浦信號合成器、連接器），進(jìn)一步降低了噪聲系數。最后因為中間的輸入功率不再受非線(xiàn)性效應影響，噪聲系數又進(jìn)一步降低。因為中間插損減小而獲得的噪聲系數性能的改善情況參見(jiàn)圖3。圖中MSA的可變增益區域為10到28dB。 不同中間損耗時(shí)噪聲系數和增益的關(guān)系 另外，更低的中間損耗和整體損耗，以及放大器的簡(jiǎn)化結構都使泵浦光功率的需求總量降低。泵浦功率需求降低，整個(gè)MSA就有可能只用一個(gè)泵浦源。不過(guò)為了減少一個(gè)泵浦源，還要滿(mǎn)足一些條件，這就引出了中間接入遲滯時(shí)間和瞬態(tài)效應抑制問(wèn)題。 瞬態(tài)效應在所有的光網(wǎng)絡(luò )中都存在，主要是由于普通的網(wǎng)絡(luò )操作，比如上下波長(cháng)信道引起的，意外的光纖折斷、網(wǎng)絡(luò )重新路由和重配置等也會(huì )引起瞬態(tài)效應。瞬態(tài)效應需要適當管理以免誤碼率突增，甚至嚴重的時(shí)候損壞接收機。 通常瞬態(tài)效應會(huì )有上升和下降時(shí)間，一般在毫秒量級，這個(gè)時(shí)間通常比標準的DCF-DCM的實(shí)際反應時(shí)間要短。所以，要把瞬態(tài)效應的影響降到最小，每一級的放大器都需要在瞬態(tài)效應進(jìn)入該級放大器的時(shí)候獨立地做出反應，所以每一級都需要獨立的泵浦和控制環(huán)路。 FBG-DCM的反應時(shí)間幾乎不存在，這個(gè)特點(diǎn)讓MSA設計者可以使用一個(gè)控制環(huán)路就可以控制整個(gè)放大器。 圖3. 減少中間損耗即可顯著(zhù)改進(jìn)中間接入放大器的結構。 圖4. 使用FBG-DCM，中間接入放大器可以簡(jiǎn)化成很少的器件和很簡(jiǎn)單的電路。 綜合上述考慮，圖4是使用FBG進(jìn)行色散管理的優(yōu)化MSA。這款設計的優(yōu)勢在于器件數量明顯減少（單泵浦、單可變光衰減器、減少了探測器和無(wú)源光器件）、電路顯著(zhù)簡(jiǎn)化（單控制環(huán)路取代兩個(gè)分立的控制環(huán)路）。這將降低30%的成本。和傳統的MSA結構相比，管腳數量減少50%。如果把FBG的環(huán)行器集成到放大器中，還能進(jìn)一步降低成本。如圖5所示。 管腳的減少可以大幅降低系統成本，因為現在一塊單板上可以集成更多的器件了。例如，MSA和FBG-DCM可以集成在同一個(gè)線(xiàn)卡上或者兩個(gè)放大器可以集成在同一個(gè)封裝里面，然后裝在一個(gè)線(xiàn)卡上。這在ROADM系統中尤其有用，因為ROADM系統要求放大器的各級東、西分開(kāi)。 圖5. 把FBG-DCM的環(huán)行器集成到放大器中，中間接入放大器可以進(jìn)一步改進(jìn)。 圖6是兩個(gè)典型的ROADM系統，一個(gè)使用FBG-DCM，另一個(gè)使用DCF-DCM，可以看出采用了FBG-DCM只需要兩塊放大器線(xiàn)卡，而使用DCF-DCM則需要四塊線(xiàn)卡。 通用構架策略 通過(guò)使用基于FBG的色散補償，除了前面討論的FBG-DCM優(yōu)化的MSA外還有幾種方式提高光傳輸的經(jīng)濟性。對于一個(gè)給定的光傳輸鏈路，如何降低成本和拓撲有關(guān)，不過(guò)有一些簡(jiǎn)單和直觀(guān)的例子可以使經(jīng)濟性的提高立刻突現出來(lái)。 利用低插損的特性，幾百公里的單模光纖色散補償可以在一個(gè)節點(diǎn)實(shí)現，從而使點(diǎn)到點(diǎn)網(wǎng)絡(luò )的經(jīng)濟性得到很大提高。 圖6. 使用FBG-DCM使ROADM的線(xiàn)卡數量減少一半。 低損耗和容許大功率讓網(wǎng)絡(luò )設計者可以把補償器直接放在轉發(fā)器側的合波器之后或者輔助放大器之后。而對于DCF-DCM，如果靠轉發(fā)器太近，損耗過(guò)高會(huì )限制色散補償能力，如果直接放在輔助放大器后面又會(huì )引入非線(xiàn)性效益。 對于需要分布式色散補償的網(wǎng)絡(luò )，比如最典型的例子是當每個(gè)節點(diǎn)對信號的保真度都要求很高的時(shí)候，通常會(huì )使用MSA或者針對節點(diǎn)的DCM。如前面所說(shuō)，MSA數量的減少在有些網(wǎng)絡(luò )中是節省成本的最有吸引力的策略。如果這個(gè)策略在網(wǎng)絡(luò )中廣泛應用，和放大器相關(guān)的費用可以節省高達40%。 即使在沒(méi)有使用MSA的網(wǎng)絡(luò )，插損相關(guān)的成本節省也是很可觀(guān)的。光是使用輸出功率較小的放大器，對標準的80km傳輸距離來(lái)說(shuō)，成本的差價(jià)就可以達到20%。 基于FBG的色散管理技術(shù)為通信行業(yè)網(wǎng)絡(luò )成本和性能的優(yōu)化提供了空前的機會(huì )。在成本問(wèn)題，尤其是未來(lái)的40G和100G網(wǎng)絡(luò )的成本問(wèn)題日益受到關(guān)注的今天，人們的目光已經(jīng)被這項獨特而開(kāi)創(chuàng )性的技術(shù)所吸引。世界各地正在部署的上千個(gè)不同類(lèi)型的網(wǎng)絡(luò )都可證明這一點(diǎn)。 |
