可调色散补偿技术及其在DWDM系统中的应用.pdf

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1、通信系统与网络技术可调色散补偿技术及其在DWDM系统中的应用马 俊,杨 壮,陈德华(光纤通信技术和网络国家重点实验室 烽火通信科技股份有限公司,湖北 武汉 430074)摘要:文章对可调色散补偿(TDC)的几种主要实现方式进行了介绍,并对这几种实现方式进行了对比,详细描述了TDC模块在密集波分复用(DWMD)系统中各种不同场合的应用,给出了相关的应用模型,最后总结了TDC技术在DWMD系统应用中的发展目标。关键词:可调色散补偿;密集波分复用;误码率中图分类号:TN915 文献标识码:A 文章编号:100528788(2009)0320009203T unable dispersion comp

2、ensation technology and its applications in DWDM systemsMa Jun,Yang Zhuang,Chen Dehua(SKL of OCTN,FiberHome Technology Co.,Ltd.,Wuhan 430074,China)Abstract:This paper introduces a number of the main implementation methods for the Tunable Dispersion Compensation(TDC)and makes comparisons between them

3、.Then it makes a detailed description of the applications of the TDC modules invarious scenarios in DWDM systems and gives the relevant application models.Finally,it summarizes the development goal ofthe TDC technology in DWDM system applications.Key words:TDC;DWDM;BER 近年来,光纤通信发展迅速,40 Gbit/s密集波分复用(D

4、WDM)系统以及可重构光分插复用(ROADM)系 统 均 已 实 现 了 商 用。由 于 常 规40 Gbit/s DWDM系统的色散容限只有60 ps/nm左右,而系统的色度色散还会受环境温度变化的影响。在RAODM系统中,随着光路的重构,链路的残余色散值也随之变化。另外,在实际应用中光路由的变化、环境温度的变化和色散补偿模块补偿斜率的误差等都将导致不同信道的残余色散量有所差异。上述变化都将导致系统接收端的链路残余色散值超出最佳范围,影响系统的接收性能。即使采用色散补偿光纤进行完善的静态色散和色散斜率补偿也难以保证系统的性能。因此,对于朝着高速率、长距离和动态化发展的DWDM系统而言,可调色

5、散补偿(TDC)技术的研究及应用显得尤为必要。1TDC技术介绍TDC技术目前已有基于啁啾布拉格光纤光栅(FBG)、G2T(Gires2Tournois)标准具干涉、虚拟成像相位阵列(VIPA)、微电子机械系统(MEMS)和平面光波导回路(PLC)环形共振腔技术等多种实现方式,常用 的实现方式有啁啾FBG、G2T标准具干涉技术和VIPA 3种。1.1 啁啾FBG啁啾FBG是通过施加温度变化或机械应力,改变沿光纤轴向的光栅周期、平均折射率或者同时改变两者来实现色散补偿。温度变化和机械应力将导致啁啾FBG响应波长的漂移,漂移量为/=+(dn/ndt)T+-0.5n2eff P12-(P11+P12)

6、,从上式可以看到,前一项为温度对光栅的扰动,其大小与光纤材料的热膨胀系数和温度变化T相关;后一项为机械应力对光栅的扰动,其大小与外加机械应力和光弹张量Pij有关。由于在啁啾FBG中不同波长的入射光在啁啾FBG不同位置上反射并具有不同时延,波长的漂移导致了相应时延的变化,因此利用光纤随机械应力和温度变化呈现的波长漂移特性可实现啁啾FBG的动态调谐功能。与色散补偿光纤相比,啁啾FBG具有色散补偿量大、与光纤兼容性好、插入损耗小和结构紧凑等优势。施加温度变化的方式是采用镀膜技术在啁啾FBG外层制备一个光纤分布式加热器。当金属膜两端通上电流时,啁啾FBG在长度方向产生近似分布的温度梯度场,啁啾FBG布

7、拉格波长随通电电流发生漂移。而施加机械应力的方式通常有悬臂梁、电磁拉伸和侧应力挤压等几种,机械应力对啁啾收稿日期:2009202218作者简介:马俊(19792),男,湖北黄冈人,工程师,学士,主要从事DWDM系统研究及开发工作。92009年 第3期(总第153期)光 通 信 研 究STUDY ON OPTICAL COMMUNICATIONS2009.06(Sum.No.153)FBG的扰动要比温度对啁啾FBG的扰动明显,因而应力调谐方式的调谐范围大,响应速度快。目前由于采用温度调节的方式较之应力调节方式具有温度控制电压小、结构紧凑和制备简单等优点,因而实际应用中主要采用基于FBG技术的温度

8、调节型TDC模块。而采用应力调节技术的模块可实现斜率可调色散补偿,目前各厂家正在积极研究中。1.2G2T标准具基于G2T标准具干涉技术的TDC模块是利用多腔标准具在一个特定的带宽上具有线性变化的色散来实现TDC的。利用该技术制作的TDC模块通常由两个标准具构成,标准具A被设计成负色散斜率,而标准具B的色散斜率是正的。二者的色散斜率要么相同,要么呈简单的比例关系。当标准具A和标准具B的谱线发生相对移动时,就可以达到调节色散的目的,同时在一定区域内得到一个恒定的色散值,色散值的大小由两个标准具的相对偏移来决定。1.3VIPAVIPA主要利用光信号的角度色散特性。光信号从光纤端面出射后,经准直透镜、

9、半柱面镜汇聚到镜面玻璃板上。在镜面玻璃板后,由汇聚镜和反射镜面组成回路系统,使得不同波长的光按不同路径返回。波长较短的光色散角度偏上,走的光程长,波长较长的光色散角度偏下,走的光程短,这样正好补偿常规光纤的正色散。表1给出了几种不同TDC实现技术的相关性能指标的对比。表1 几种不同TDC实现技术的性能指标对比实现技术插入损耗/dB信道间隔调节速度斜率匹配应力调节型啁啾FBG24固定毫秒级可实现热调节型啁啾FBG24固定秒级难实现G2T标准具24固定秒级有可能实现VIPA210周期性变化毫秒级有可能实现 基于应力调节型啁啾FBG方案的优点是调节速度快,而采用热调节型FBG技术的器件调节速度相对较

10、慢。但采用热调节型FBG技术的器件较之应力调节方式具备温度控制电压小、结构紧凑和制备简单等优点,目前应用较多。采用G2T标准具技术的实现方案,由于其光学干涉色散补偿元件的可使用带宽很宽,能覆盖多个信道,而且色散补偿量也较大,因此可用于多波长色散补偿。采用VIPA技术的优点是可在较宽范围内实现色散值的正负连续调节,但目前基于该技术的器件由于采用自由空间设计方案,插损较大。2TDC模块在DWDM系统中的应用目前在10 Gbit/s DWDM系统中多采用固定色散补偿的方式来解决传输过程中色度色散对光脉冲信号的影响。固定色散补偿一般采用色散补偿光纤或啁啾FBG来实现。基于上述技术的色散补偿模块一般根据

11、系统设计的需要以及工程可实现性等因素,分布放置在链路各个跨段中。随着DWDM系统朝着高速率、大容量方向发展,系统在接收端可容许的残余色散量越来越小,此外由于保护倒换的需要以及ROADM设备的应用,系统接收端的残余色散也随着线路的变化而变化,因此TDC模块在DWDM系统中的应用越来越广泛。目前,TDC模块在DWDM系统中的应用主要有如下几种方式。2.1TDC模块在40 Git/s DWDM系统中的应用随着数据业务的急速增长,对传输带宽的要求也越来越大,40 Gbit/s DWDM系统已开始应用于传输网络中。众所周知,40 Gbit/s DWDM系统的色散容限约为10 Gbit/s DWDM系统的

12、1/16,尽管40 Gbit/s DWDM系统目前存在多种码型调制方式,但由于受到技术成熟度、成本可行性等因素的影响,目前比较成熟的不归零制(NRZ)、光纤双二进制(ODB)、差分相位键控(DPSK)等码型的色散容限均不是很高。由表2可见,在常见的40 Gbit/sDWDM调制码型中引起2 dB光信噪比(OSNR)代价下最大的色散容限为 160 ps/nm。实际应用中若只采用固定色散补偿方式,由于常规色散补偿模块的色散系数与色散斜率不能与光纤完全一致,经过一段长度的光纤传输后在系统接收端的残余色散很容易超出系统的色散容限;此外线路的保护倒换、环境温度的变化等均会引起链路残余色散的变化。因此为保

13、证系统的稳定运行,TDC模块应用在40 Gbit/s DWDM系统中显得尤为重要。表240 Gbit/s DWDM系统中各种码型调制方式下的色度色散容限调制码型2dB OSNR代价下色度色散容限/ps/nmNRZ45PSBT/ODB160NRZ2DPSK55RZ2DPSK-40+50RZ2DQPSK12501光通信研究2009年 第3期 总第153期 目前40 Gbit/s DWDM系统的色散补偿一般采用固定色散补偿加TDC的方式。固定色散补偿一般采用色散补偿模块对传输线路的色散进行大致的补偿,TDC模块一般位于系统接收端,采用基于单通道精确色散补偿方式进行。通常情况下TDC模块既可独立地看作

14、一个工作单元,也可与接收机集成在一起。根据图1所示,在40 Gbit/s DWDM系统接收侧从ODU进行特定波长光信号解复用后,每路特定波长均通过一个TDC模块。通常情况下TDC模块的动态补偿范围在正负几百个ps/(nmkm)之间。当系统接收端的链路残余色散超出接收机的最佳容忍范围时,便可通过网管对TDC模块的预设 值 进 行 重 新 设 置。目 前 已 有 不 少 厂 家 在40 Gbit/s DWDM系统中开始将TDC模块与光转发单元的接收机集成起来,以便实现TDC模块的动态自适应调整。例如通过对接收机的线路误码率、纠错量等信息采用一定算法来对TDC模块实现闭环控制。采用动态自适应的TDC

15、技术,将使整个系统更加稳定,接收机的性能始终保持最优化。图1TDC模块在40 Gbit/s DWDM系统中的典型应用2.2TDC模块在ROADM系统中的应用ROADM是DWDM系统目前一个热门的发展方向,基于波长选择开关(WSS)技术的ROADM系统可以实现多个维度的光信号调度(目前已可实现8个维度的光方向调度)。WSS系统的采用使得DWDM的组网模式从比较单一的点到点、链形和环形组网开始逐步迈向比较复杂的Mesh网。多维度的Mesh网使得波长级的光信号调度更加灵活,波长利用率更高,但随着光信号在不同路由的切换,系统末端的接收特性也相应地发生了变化。这些变化也包括链路的残余色散值。由于光信号的

16、路由是动态可重构的,因此采用固定DCM来进行系统色散补偿的方式便存在一定的局限性。当光信号在不同的维度间调度时,往往需要在系统的接收端采用TDC模块。2.3TDC模块在超长距离传输系统中的应用超长距离传输系统是DWDM系统的又一发展方向,近年来业界报道多个厂家的DWDM系统已实现了5 000 km或以上距离的无电中继光传输。在超长距离DWDM传输系统中,码型调制技术、光放大技术和动态增益均衡技术等是几项关键技术。超长距离DWDM传输系统目前大多采用归零(RZ)码一类码型调制技术,在接收侧RZ码的残余色散一般比NRZ码的残余色散控制要严。如图2所示,由于普通DCM的色散补偿系数以及色散斜率与物理

17、光纤存在差异,这使得经过几千公里的传输后,系统接收端的残余色散值往往不能落在最佳接收范围内。由于采用更换固定DCM来匹配物理光纤特性的方案在实际工程实施过程中并不现实,因此采用TDC技术往往是超长距离DWDM系统中必不可少的一项措施。图2 色散斜率失配引起的不同波长残余色散差异实际应用中考虑到系统的应用成本,通常采用能覆盖整个波段的TDC模块来解决所有波长的残余色散问题。参考图1,在超常距离DWDM系统中应用时,TDC模块一般位于系统接收端光放大器之前,这样一来既能通过调整TDC模块来解决各波长残余色散问题,又能通过放大器来补偿TDC模块引入的损耗。TDC技术结合光放大、增益平坦等其他技术使得

18、DWDM系统目前可实现5 000 km或以上距离的无电中继光传输。3TDC技术的进一步发展TDC模块从器件本身而言,制作工艺成熟、性能指标稳定,目前已有不少模块进入商用系统。但从系统应用的角度而言,还需要与TDC相关的技术有进一步发展才能满足系统应用的需要。随着光网络朝着高速率、大容量和智能化方向发展,可调斜(下转第48页)11马 俊 等:可调色散补偿技术及其在DWDM系统中的应用境温度高于25 时,应变量随温度增高而增大。4 结束语针对实验数据分别运用统计分析和线性回归法对因环境温度变化引起 0.9SM单芯紧套光纤布里渊散射光频率漂移所产生的应变量进行了分析校正,并给出了有关校正方程。进行B

19、OTDR监测数据温度影响校正可以减少BOTDR监测数据处理的工作量,有效剔除由于环境温度影响而导致的BOTDR监测假应变。这些对BOTDR应用于环境不确定条件下的滑坡和边坡稳定性监测具有一定的实际意义。参考文献:1 张俊义,晏鄂川,薛星桥,等.BOTDR技术在三峡库区崩滑灾害监测中的应用分析J.地球与环境,2005,(增刊):3552358.2 施斌,徐洪钟,张丹,等.BOTDR应变监测技术应用在大型基础工程健康诊断中的可行性研究J.岩石力学与工程学报,2004,23(3):4932499.3徐洪钟,施斌,张丹,等.基于小波分析的BOTDR光纤传感器信号处理方法J.光电子 激光,2003,14

20、(7):7372740.4 耿军平,许家栋.基于布里渊散射光的分布式光纤传感器的进展J.测试技术学报,2002,16(2):88291.5 崔何亮,施斌,徐洪钟,等.BOTDR温度监测技术在土木工程中的应用研究J.防灾减灾工程学报,2004,24(3):2522256.6 丁勇,崔何亮,施斌,等.BOTDR光纤传感网络在边坡稳定监测中的应用研究J.岩土工程学报,2005,27(3):3382342.7 黄民双,陈伟民,黄尚廉.基于Brillouin散射的分布式光纤拉伸应变传感器的理论分析J.光电工程,1995,22(4):11236.8Uchiyama H,Sakairi Y,Nozaki T

21、.An optical fiberstrain distribution Measurement instrument using thenew detection method J.ANDO Technical Bulletin,2002,(10):52260.(上接第11页)率色散补偿和动态色散补偿是目前的热门研究方向。目前用于固定色散补偿的色散光纤补偿模块的色散补偿斜率和传输光纤的色散斜率实现了较好的匹配。但TDC模块目前还难以实现可调斜率匹配,这样一来在40 Gbit/s DWDM等要求较高的应用场合只能采用基于单信道的TDC方案,系统应用成本较高。近年来研究人员通过对非线性啁啾FBG

22、进行仔细地啁啾轮廓设计,可实现可调色散斜率匹配,但离成熟应用还有一段距离。在ROADM系统发生路由改变或40 Gbit/sDWDM系统发生保护倒换时,均要求TDC模块能快速响应。动态自适应的TDC技术正逐步被采用,要实现动态自适应的TDC技术的关键是如何实时地对系统接收端的链路残余色散进行监测,通常情况下可以通过检测接收信号的Q值、眼图和误码率来评估残余色散量。从系统应用的角度而言,目前大多采用接收机的误码率来在线衡量链路残余色散。随着可调斜率色散补偿技术以及动态自适应TDC技术的逐步发展与融合,TDC模块的应用范围会日趋广泛,这将推动DWDM光网络朝着高速率、动态和智能化的方向发展。4 结束

23、语目前采用啁啾FBG或标准具技术的TDC模块已大量应用于40 Gbit/s DWDM系统中,波长覆盖范围也从早期的单波长应用发展到C波段全波段覆盖,从而能对高速DWDM系统接收端残余色散做到精确补偿,优化了系统的性能。与此同时,可调斜率色散补偿和动态自适应TDC技术也在发展和完善之中,这些技术的发展能降低系统的应用成本,提高系统响应时间,从而快速满足系统的动态变化,使光网络更加安全可靠。参考文献:1ITU2T Recommendation G.66722006,Characteristicsof adaptive chromatic dispersion compensators S.2Nie

24、lsen T N.Dynamic post dispersion optimization at40Gbit/s using atunable fiberBragg grating J.IEEEPhoton Tech Letters,2000,12(2):1732175.3Madsen C K.Integrated all2pass.Iters for tunable dis2persion and dispersion slope compensation J.IEEEPhoton Tech Letters,1999,11(12):1 62321 625.4 顾畹仪.WDM超长距离光传输技术M.北京:北京邮电大学出版社,2006.84光通信研究2009年 第3期 总第153期