降低光傳輸成本是通信系統(tǒng)提供商和網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商共同的目標(biāo)。行業(yè)內(nèi)部激烈的競爭一直是把成本推向更低的主要驅(qū)動(dòng)力。不過，最近為了證明10G到40G的過渡是業(yè)界必經(jīng)的趨勢，成本問題愈加受到關(guān)注。

本文中我們將介紹一下光纖布拉格光柵（FBG）色散補(bǔ)償技術(shù)如何支持新型低成本放大器設(shè)計(jì)和新的應(yīng)用方式，從而向夢寐以求的降成本的目標(biāo)邁出一大步。

FBG和色散補(bǔ)償光纖

使用FBG反射進(jìn)行色散補(bǔ)償和使用色散補(bǔ)償光纖（DCF）進(jìn)行補(bǔ)償?shù)膫鹘y(tǒng)方式有本質(zhì)的區(qū)別。通過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引入不同的時(shí)延?？梢詫ｉT制作光柵以便模擬光纖或者某個(gè)跨度上的色散特性。（見圖1）

圖1. 光柵針對不同波長引入不同時(shí)延，精確啁啾光柵用來模擬被補(bǔ)償光纖的色散特性。

采用FBG進(jìn)行色散補(bǔ)償和傳統(tǒng)的DCF方式相比，有很多明顯的優(yōu)勢。不過本文主要描述FBG直接導(dǎo)致新的放大器設(shè)計(jì)和架構(gòu)的幾個(gè)特點(diǎn)。

FBG色散補(bǔ)償模塊（FBG-DCM）最廣為人知的顯著優(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關(guān)，而DCF-DCM的插損則隨著光纖和傳輸跨度的增加而增加。

這個(gè)距離無關(guān)性除了帶來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(bǔ)償器件來說遲滯時(shí)間和器件中的光路長度成正比。

對DCF-DCM來說100毫秒的遲滯時(shí)間都是常見的，而FBG-DCM的遲滯時(shí)間則小三個(gè)數(shù)量級，在大部分的實(shí)際應(yīng)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)生非線性效應(yīng)，雖然DCF-DCM由于非線性效應(yīng)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(xiàn)行任何光網(wǎng)絡(luò)的最高功率上都不會(huì)引入非線性效應(yīng)。

插入損耗小，遲滯時(shí)間小到可以忽略，高功率時(shí)沒有非線性效應(yīng)，加上封裝小這些FBG-DCM重要的特性不僅使放大器的結(jié)構(gòu)得到改進(jìn)，而且對系統(tǒng)總體成本的降低起到了顯著作用。

中間接入EDFA設(shè)計(jì)

好好利用FBG-DCM的特性，傳統(tǒng)的EDFA可以通過很多種方式進(jìn)行優(yōu)化。不僅性能，比如噪聲系數(shù)，可以得到很大改善，而且尺寸、成本和結(jié)構(gòu)健壯性都會(huì)大幅提高。

讓我們首先考察一下FBG-DCM和距離無關(guān)的低插損可以帶來哪些好處。

傳統(tǒng)的中間接入放大器（MSA）是專門為了補(bǔ)償DCF 10dB的插損而加入的。值得一提的是，其實(shí)，實(shí)際應(yīng)用中從預(yù)放到輔助放大器，之間的損耗有12dB，因?yàn)樾枰尤牍飧綦x器防止后向散射。中間接入的10dB損耗預(yù)留出來是為了支持DCF，對100~120公里的單模光纖進(jìn)行色散補(bǔ)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(bǔ)償，如果對單通道補(bǔ)償，則距離可以更遠(yuǎn)。FBG-DCM內(nèi)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(jù)網(wǎng)絡(luò)不同的拓?fù)?、不同的鏈路結(jié)構(gòu)和損耗容限，起到的作用大小也不同。該特性可以用來簡化MSA結(jié)構(gòu)，在一些FBG提供的在線色散補(bǔ)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(tǒng)的中間接入放大器

傳統(tǒng)的MSA（如圖2）設(shè)計(jì)的目的是補(bǔ)償DCF-DCM的插損。比如圖2就使用了三級雙泵浦的設(shè)計(jì)方法（或者可以看成是二級預(yù)放加上一個(gè)輔助放大器）。

這個(gè)結(jié)構(gòu)中主要部分是二級可變增益預(yù)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(yù)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(qū)域內(nèi)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(shè)計(jì)的。

圖2. 色散補(bǔ)償光纖使中段放大器的設(shè)計(jì)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，從而很大程度上簡化了結(jié)構(gòu)。但是這個(gè)結(jié)構(gòu)必須要很大程度地降低預(yù)放的光功率，以免預(yù)放輸出功率過高（高泵浦功率）。再加上中間接入的大損耗，使整個(gè)MSA系統(tǒng)的噪聲系數(shù)顯著下降。

但是，即使使用兩級預(yù)放，MSA的噪聲系數(shù)還是要被另一個(gè)因素限制：為了使DCF產(chǎn)生的非線性效應(yīng)最小，DCF的輸入功率一般需要限制在每通道-2dBm之內(nèi)。這個(gè)要求又進(jìn)一步限制了預(yù)放的增益，也就使噪音系數(shù)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(shù)，另外簡化后的結(jié)構(gòu)少了很多無源光器件（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(shù)。最后因?yàn)橹虚g的輸入功率不再受非線性效應(yīng)影響，噪聲系數(shù)又進(jìn)一步降低。因?yàn)橹虚g插損減小而獲得的噪聲系數(shù)性能的改善情況參見圖3。圖中MSA的可變增益區(qū)域?yàn)?0到28dB。

不同中間損耗時(shí)噪聲系數(shù)和增益的關(guān)系

另外，更低的中間損耗和整體損耗，以及放大器的簡化結(jié)構(gòu)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。不過為了減少一個(gè)泵浦源，還要滿足一些條件，這就引出了中間接入遲滯時(shí)間和瞬態(tài)效應(yīng)抑制問題。

瞬態(tài)效應(yīng)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(yīng)。瞬態(tài)效應(yīng)需要適當(dāng)管理以免誤碼率突增，甚至嚴(yán)重的時(shí)候損壞接收機(jī)。

通常瞬態(tài)效應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)的DCF-DCM的實(shí)際反應(yīng)時(shí)間要短。所以，要把瞬態(tài)效應(yīng)的影響降到最小，每一級的放大器都需要在瞬態(tài)效應(yīng)進(jìn)入該級放大器的時(shí)候獨(dú)立地做出反應(yīng)，所以每一級都需要獨(dú)立的泵浦和控制環(huán)路。

FBG-DCM的反應(yīng)時(shí)間幾乎不存在，這個(gè)特點(diǎn)讓MSA設(shè)計(jì)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改進(jìn)中間接入放大器的結(jié)構(gòu)。

圖4. 使用FBG-DCM，中間接入放大器可以簡化成很少的器件和很簡單的電路。

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(shè)計(jì)的優(yōu)勢在于器件數(shù)量明顯減少（單泵浦、單可變光衰減器、減少了探測器和無源光器件）、電路顯著簡化（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(tǒng)的MSA結(jié)構(gòu)相比，管腳數(shù)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(tǒng)成本，因?yàn)楝F(xiàn)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)線卡上。這在ROADM系統(tǒng)中尤其有用，因?yàn)镽OADM系統(tǒng)要求放大器的各級東、西分開。

圖5是典型的ROADM系統(tǒng)，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卡，而使用DCF-DCM則需要四塊線卡。

通用構(gòu)架策略

通過使用基于FBG的色散補(bǔ)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?shù)慕?jīng)濟(jì)性。對于一個(gè)給定的光傳輸鏈路，如何降低成本和拓?fù)溆嘘P(guān)，不過有一些簡單和直觀的例子可以使經(jīng)濟(jì)性的提高立刻突現(xiàn)出來。

利用低插損的特性，幾百公里的單模光纖色散補(bǔ)償可以在一個(gè)節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)，從而使點(diǎn)到點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)的經(jīng)濟(jì)性得到很大提高。

低損耗和容許大功率讓網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)者可以把補(bǔ)償器直接放在轉(zhuǎn)發(fā)器側(cè)的合波器之后或者輔助放大器之后。而對于DCF-DCM，如果靠轉(zhuǎn)發(fā)器太近，損耗過高會(huì)限制色散補(bǔ)償能力，如果直接放在輔助放大器后面又會(huì)引入非線性效益。

對于需要分布式色散補(bǔ)償?shù)木W(wǎng)絡(luò)，比如最典型的例子是當(dāng)每個(gè)節(jié)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(jié)點(diǎn)的DCM。如前面所說，MSA數(shù)量的減少在有些網(wǎng)絡(luò)中是節(jié)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(yīng)用，和放大器相關(guān)的費(fèi)用可以節(jié)省高達(dá)40%。

即使在沒有使用MSA的網(wǎng)絡(luò)，插損相關(guān)的成本節(jié)省也是很可觀的。光是使用輸出功率較小的放大器，對標(biāo)準(zhǔn)的80km傳輸距離來說，成本的差價(jià)就可以達(dá)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(jī)會(huì)。在成本問題，尤其是未來的40G和100G網(wǎng)絡(luò)的成本問題日益受到關(guān)注的今天，人們的目光已經(jīng)被這項(xiàng)獨(dú)特而開創(chuàng)性的技術(shù)所吸引。世界各地正在部署的上千個(gè)不同類型的網(wǎng)絡(luò)都可證明這一點(diǎn)。