EEPW论坛

吴海涛（上海贝尔传输网络事业部） 　　摘要：本文讨论了40G DWDM系统中的一些关键技术，特别是其中的色散补偿器和拉曼放大器的使用问题。讨论了固定的和可调的两种的色散补偿方式，讨论了放大器的增益和噪声控制。 1. 引言 　　仅仅在3年之前，人们还在激烈的争论是否需要10G的DWDM系统，当时认为只要在2.5G的DWDM系统中增加更多的波长通道，就能够满足带宽的增长需求。1999年北电网络在10G的DWDM系统上取得了60亿美元的销售收入，使得这场争论画上了句号。尽管现在2.5G的DWDM系统仍然是光通信市场上最主要的部分，但是10G的DWDM系统越来越多的应用说明，现在的确已经进入了10G时代。新的争论是是否需要40G的DWDM系统？在2.5G向10G演化的过程中，带宽增加了4倍，而大部分的技术难度和元器件价格都没有达到4倍。而在10G向40G演化的过程中，还存在着一些重大的技术挑战，如色散补偿和增益、噪声控制等问题。本文将重点对这两个问题进行详细讨论。 2. 色散问题 　　色散是光纤的基本属性之一，光传播的速度取决于介质的折射率，由于光纤的折射率与波长相关，不同波长的光在光纤中传播的速度不同，这就是色散效应。单色光不会产生色散，但是在光纤通信中，即便用单色光作为光源，数据的调制过程也会使得光信号的波长展宽，调制信号的速率约稿，造成的展宽越大。每个光脉冲都包含着不同的波长成分，由于色散效应，该光脉冲在传播的过程中会变形、展宽和失真，最终限制了系统的总体性能。色散的单位是ps/(nm.km)，脉冲越短、波长越宽和光纤越长都会线性的增加色散，例如脉冲越短则对色散的容忍度越小，只要有较小的色散就有可能造成两个相邻的脉冲互相重叠。比特率的增加会自然的缩短脉冲、增加带宽，因此色散会非线性（平方）的增加，从10G向40G演化，比特率增加到4倍，色散相应的增加到16倍。 　　虽然可以制造出零色散光纤，但是这种光纤并不适用于DWDM系统，因为在DWDM系统中有很多波长通道，如果所有波长的速度相同，各个通道的光功率过于集中，会造成严重的非线性效应，如交叉相位调制（XPM）、四波混频（FWM）等。因此在DWDM系统中，要求光纤必须有一定的色散，并且要进行色散补偿。 2.1 固定的色散补偿 　　对于2.5G系统，只要光纤长度在500km以下色散的影响都很小；对于10G系统，色散的影响对光纤长度的限制是100km；而对于40G系统，如果没有色散补偿，光纤长度不能超过10km，这是任何系统设计所不能接收的，因此必须进行色散补偿。几乎所有已经敷设的光纤都是正色散的（波长越长，光的传播速度越慢），因此一个简单的解决方案是周期性的在光纤之间插入负色散的器件（波长越长，光的传播速度越快）。光脉冲在正色散的光纤中被展宽，而在负色散的器件中被压缩。目前有两种常用的固定式（非可调）负色散器件：色散补偿光纤（DCF）和啁啾布拉格光纤光栅（FBG），其中应用最广泛的还是DCF。 　　色散补偿光纤是色散为负的特殊光纤，其负色散的值约为普通单模光纤（SMF）的正色散值的4-5倍，因此一卷15km的DCF能够补偿80km的SMF。DCF是宽带器件，能够同时对许多光波长进行补偿，但是由于DCF的负色散值是固定的，因此只有一个波长能够被完全补偿，而其它较短的波长会有剩余的正色散，较长的波长会有多余的负色散，称为色散不匹配现象。另外DCF的插损较大，约为SMF的两倍。 　　啁啾布拉格光纤光栅是特殊的FBG，其光栅周期沿着光纤方向逐渐缩短（啁啾）。特定周期的光纤光栅能够反射特定波长的光，因此在啁啾FBG中，速度慢的长波长的光传播了较近的距离就会被长周期的光纤光栅反射，而速度快的短波长的光将传播较远的距离才会被短周期的光纤光栅反射，这样光脉冲经过啁啾FBG后会被压缩（色散补偿）。一般10cm光栅就能够补偿一个波长通道的色散，对于DWDM系统中的色散不匹配问题，有两种解决方法：一是简单的把多个适用于不同波长通道的啁啾FBG级连起来构成较长的分段的啁啾FBG，二是根据多个波长通道的色散曲线构造特殊的取样函数，用来制作更加特殊的啁啾FBG，这样在一段综合的啁啾FBG中就包含了多个波长通道的色散补偿信息，能够同时对多个波长通道进行色散补偿。 2.2 可调的色散补偿 　　在最理想的情况下，所有的光纤都有已知的固定的色散值，这样就能够利用固定的色散补偿器来精确的为每一段光纤进行色散补偿，不过以下三个原因要求有可调的色散补偿。 　　首先，事实上不可能完全知道所有已经敷设的光纤长度和色散，而且光纤经常需要维护和更新，因此如果使用固定的色散补偿器，一方面管理困难（特别是在40G系统中，几乎每隔10km就需要一个固定的色散补偿器），另一方面还是不能对色散进行精确的补偿，只有使用可调的色散补偿才可能解决问题。其次，现在可配置的光网络应用越来越多，在这种系统中光纤的长度经常发生变化。例如在环网保护时保护路径的长度与工作路径的长度不同；可配置的OADM使得光通道经过的节点数在需要时发生变化；全波长的OXC使得光通道的路由可以动态的改变。在色散对光纤长度很敏感的40G系统中，这一切都要求有可调的色散补偿。最后，光纤的色散是随着温度变化的，在40G系统中，只要有很小的色散不匹配就会对系统的总体性能有很大的影响。如果使用固定的色散补偿器，在温度变化的情况下必然会出现色散不匹配现象，因此必须有可调的色散补偿。 　　目前研究的实现可调的色散补偿的技术有：自由空间虚相位阵列[]，机械可调FBG[]，温控可调FBG[]等。利用机械作用或温度作用来调节啁啾FBG的长度，就可以改变色散补偿的波长曲线，实现可调的色散补偿。现在需要研究的是啁啾FBG长度的变化与色散补偿曲线变化的关系，特别是对于能够同时补偿多个波长通道的综合的啁啾FBG，其长度的变化对各个波长通道色散补偿的影响。 3.拉曼光纤放大器 　　增益和噪声也对网络的总体性能有很大的限制，在40G系统中无中继的光纤长度不能超过40km，这将大大增加网络建设的成本，因此从经济的角度一般都要求保证无中继的光纤长度达到80-100km。要达到这个要求，必须解决好系统的噪声问题。在现有的DWDM系统中，噪声主要来自于EDFA中放大的自发辐射（ASE），因为EDFA在对信号光进行放大获得增益的同时，也放大了自发辐射。ASE的带宽很宽，相当于对所有的信号光都引入了白噪声基底。还有一个问题是EDFA的级连会造成ASE噪声的累积，进一步限制了系统的总体性能。拉曼光纤放大器（RFA）与EDFA相比具有一系列优点，比如低噪声、去掉泵浦光后不会引入额外的损耗、、没有瞬态效应等（RFA的响应时间是飞秒级的）。因此成为40G系统的重要组成部分，事实上EDFA+RFA已经成为支持40G系统的重要技术。并且拉曼光纤放大技术适用于各种光纤，能够非常经济的对现有系统进行升级。拉曼光纤放大器的应用不限于40G系统，还可以应用在补偿高损耗的区段、增加区段长度、改善波长交换节点的噪声累积等场合。 　　拉曼光纤放大利用了光纤中的非线性受激拉曼散射效应（SRS），SRS是一种三阶非线性过程，是光子与声子（分子振动模）之间的非弹性散射，把短波长泵浦光的能量转化为长波长信号光的能量，实现对信号光的放大。SRS对于泵浦光的功率有较高的要求，因此只有当最近1400-1510nm的高功率（大于250mW）泵浦激光源实现之后，RFA才有可能真正实用化。SRS对泵浦光的波长的要求是，只要比信号光的波长短，并且泵浦光与信号光之间的频率差能够与光纤的某一个分子振动模的频率相匹配。在SRS中所有的波长都可能有相互作用，所有的短波长光都向长波长光转移能量，所有的长波长光都从短波长光吸取能量，因此是一个非常复杂的过程。　　在RFA的实现过程中，需要对增益、增益平坦和噪声等各项参数有清晰的了解，才能对网络性能进行优化设计。对于EDFA+RFA的系统，还必须综合考虑光纤和模块之间的相互影响。 3.1 增益控制 　　EDFA的增益来自于一个单独的模块，而RFA的增益来自于传输光纤。拉曼光纤放大的分布式的，其增益特性与与光纤的一些参数有关系，如增益系数、有效面积、有效长度等。有效面积越大、有效长度越长则RFA的增益也越大，在持续的泵浦光作用下，信号光的强度随着光纤长度指数增加，并且自动的相位匹配。而增益系数不仅与光纤的材料和结构有关，还与泵浦光源的一些参数有关，如泵浦光中心波长、泵浦光波长数目、泵浦光功率、泵浦光的偏振等。泵浦光中心波长决定了该波长对增益谱形状的影响；泵浦光波长数目决定了整个增益谱形状；大约500mW的泵浦功率能够提供10dB的平均拉曼增益，增益与泵浦功率成正比；SRS在原理上是偏振相关的，如果泵浦光与信号光的偏振互相垂直，几乎就没有任何拉曼增益，在非保偏光纤中，由于偏振模式的分散，拉曼增益是偏振无关的，但是同时增益系数降低了一半。 　　增益平坦度是另一个关键性的参数，在对系统性能有严格要求的条件下，必须考虑如何控制增益平坦度。影响系统增益平坦度的主要有四个方面，包括固有的拉曼增益谱形状（由泵浦光源的数目决定）、泵浦光波长的变化、增益平坦滤波器（GFF）的插损谱（如果使用了GFF），以及其它光模块的衰减谱。另外不同光纤的增益形状变化、光纤内部的增益形状变化等与光纤相关的方面也对增益平坦度有一定的影响。这以上这些影响因素中，有的是系统固有的，将会随着光纤区段数目的增加而线性增加；有的是随机的，根据统计规律将与光纤区段数目成平方根关系。泵浦光源的波长数目越多，增益平坦度越好，不过由于每个波长都需要两个相互垂直的偏振光源，因此价格也就会增加很多。增益平坦的另一项重要手段是使用GFF，GFF可以是介质膜的或是光纤光栅的，在保持较少的泵浦波长数目的条件下改进增益平坦度。不过使用GFF对增益的灵活性有一定的限制。 3.2 噪声控制 　　在系统设计中应用RFA需要考虑其噪声特性。由于拉曼光纤放大是分布式的过程，RFA的等效噪声相对于EDFA要小。低噪声的原因是在拉曼光纤放大过程中ASE也在一段较长的光纤中被衰减了，光纤越长噪声越低，由于光纤越长增益越大，因此对于RFA的特性是增益越大噪声越低。 　　不过RFA对噪声性能的改进受到二次背向瑞里散射（DRBS）的限制，DRBS对信号光有干扰并且造成串扰，尤其在高增益的情况下，DRBS对噪声的贡献变得更加显著，因此RFA的增益也受到一定的限制。提高拉曼光放大器的噪声性能有两个方法，改变泵浦衰减或改变信号衰减。泵浦衰减影响到拉曼光放大器的等效光纤长度，衰减越小长度越大，因此对ASE的衰减也越大，有利于提高噪声性能。拉曼光放大器的优点就在于其分布式放大过程，增加信号带宽的衰减也能够进一步衰减掉ASE，不过同时也要求增加拉曼光放大器的增益来补偿对信号的衰减。对于泵浦衰减和信号衰减的控制是改善整个系统光信噪比的重要手段。 4. 结语 　　在10G DWDM系统开始大规模商用的情况下，有必要研究40G DWDM系统的一些要求、必要性和可行性。从技术的角度讨论面临的困难和挑战，如同预期的那样，色散补偿问题和非线性问题将成为人们关注的焦点。本文详细讨论了固定的和可调的两种的色散补偿方式，以及放大器的增益和噪声控制。 摘自《通讯世界》