吴国锋 中国电子科技集团第34研究所
摘要：本文简要指出了环境因数造成的色散变化对40 Gbit/s系统的影响，并介绍了相关的几种动态色散补偿技术与器件产品情况。
关键词：动态色散补偿 啁啾Bragg光纤光栅 G-T标准具 环行共振腔
一、前言
从1997年出现第一个单波长40Gbit/s传输速率的系统，第二年即为4×40Gbit/s，1999年则上升为80×40Gbit/s，到2001年系统容量的最高纪录已达273×40Gbit/s。从近年来OFC的情况看，全球主要的通信设备制造商绝大部分都已将40Gbit/s DWDM系统作为追逐的目标，其应用领域不仅在长途而且正在转向城域。由于40Gbit/s DWDM系统的色散容限只有60ps/nm左右，即使采用色散补偿光纤对进行了完善的静态色散和色散斜率补偿，也难以保证系统的性能。因为系统的色度色散不仅受环境温度变化的影响，还会因光功率的变化引起非线性效应的变化，从而改变系统的色散容忍度；另外，在实际应用中，特别是在城域网中，光路由的变化，不同波长信号经过的路径不同，色散不一样；以及光纤老化及受环境应力的影响等，均会改变系统的色散容限，难以满足实际需求。在DWDM系统中，由于受到色散斜率与波长相关等多种因素的制约，色散补偿模块（DCM）的色散斜率指标总是存在10%左右的误差，即使100%斜率补偿型DCM也是如此。不同信道的积累色散量之间的差异将为边缘信道带来额外的系统代价。不仅如此，利用色散补偿光纤（DCF）构成的DCM的色散量不可调，另外，不同类型的光纤也需要不同类型的DCF，而且并不是所有的DCF都能实现100%的斜率补偿。因此，40Gbit/s DWDM系统有必要进行动态色散补偿。
二、可调色散补偿方案及器件
1.啁啾布拉格光栅（CFBG）技术
采用该类器件是目前可行的可调色散补偿方案，可对每个信道的残余色散进行可调的补偿。FBG是一种窄带器件，需要多个FBG器件才能使色散补偿范围覆盖整个C波带。温度调节和应力调节都可以实现色散补偿量的调节。
贝尔实验室采用分布式光纤薄膜加热器来分段控制Bragg光纤光栅的周期，如图1所示。使其具有衰减、反射、附加色散或选择性可调色散补偿功能。
加拿大TeraXion在2002年推出的基于光纤光栅的商用化可调色散补偿器TH-MTDC，可满足100GHz间隔16信道的40Gbit/s数据速率DWDM通信系统的动态色散补偿，如图2所示。具有非常低的群延迟抖动，以及低功率消耗。灵活的模块配置为DWDM系统提供用户化的可扩展色散补偿。该器件提供的色散量可以动态调整，以抵消由于气候变化和元件老化引起的色度色散变动，可调谐范围达1000 ps/nm，并可实现完全的色散斜率调节。可用于对高容量长距和超长距光网络的单通道色散补偿，接收机端的单通道色散补偿，DWDM系统中多通道子带或宽带色散补偿以及10Gbps或更高速的海底光缆通信系统的色散补偿。
以可调色散补偿器(TDC)而荣获《R&D Magazine》杂志“2002 R&D 100”奖的美国OFS公司推出的RightWave-TDC产品。采用啁啾光纤布喇格光栅与独特的加热配置方法，利用光栅内部的热光效应。在这一专利设计中，调试可以连续方式进行，响应快、耗电低，同时不会在光纤中产生机械应变。该器件被朗讯用于其LambdaXtreme 传输设备中，在无需电再生器的情况下将64个40Gbit/s光信号传输至一千公里以外，成为第一个无需再生器即可将信号传输如此长距离的商用40Gbit/s DWDM系统。
法国Highwave公司基于Bragg光纤光栅的商用化动态色散补偿器。对于10Gbps系统的应用，其色散补偿量可从700ps/nm到1300ps/nm，对于40Gbps系统的应用，其色散补偿量可从300ps/nm到700ps/nm。
日本三菱电子推出两款基于FBG技术采用温度控制方法的可调色散补偿器。适于40Gbps应用的FQ-40C其色散调谐范围可达350ps/nm；而适于10Gbps应用的FQ-10E其色散调谐范围可达1400ps/nm；具有低的群延迟抖动和较好的光信号质量，PMD小于0.5ps。两类器件的功耗均不到3W。
采用此类光纤光栅器件具有较大调节量的当数新加坡南洋理工大学报道的利用10cm长的CFBG，可实现色散补偿范围从178ps/nm到2126ps/nm，3dB带宽从0.42 到5.04nm。
2.基于G-T（Gires-Tournois）标准具干涉技术
G-T标准具与F-P标准具的不同之处在于一反射镜为全反射率，另一反射镜为低反射率，输入输出均为低反射端，可实现所谓“全波(All-wave)”或“全通(All-pass)”滤波，也有人将其称之为“虚拟图像相移阵列（virtual imaged phased arrays (VIPA)）”，可实现大动态范围的可调色散补偿。
基于G-T干涉技术的块状动态多波长色散补偿器，其核心元件为G-T干涉仪，利用G-T干涉仪，使光信号中不同的光谱分量所传输的光程不同，产生周期性的色散效果。当该色散周期与信道间隔匹配时，该方案可同时补偿所有DWDM信道的色散。从原理上讲，调整路径长度和微分路径长度即可实现色散补偿量及斜率的调节，因此研制出高质量的G-T干涉仪是研制高质量色散补偿器的关键。G-T干涉仪最先是被作为一种分波器件而应用到光通信领域的，主要是利用其良好的角度色散特性进行波长分离。G-T干涉仪的谐振腔是由两个平行反射镜构成，前一片是低反镜，后一片是全反镜，镜片之间的介质折射率小于周边反射镜的折射率。由于体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，可用于多波长色散补偿，并且具有动态色散选择补偿及色散斜率补偿能力。
图3为美国Avanex公司推出的Gires-Tournois型PowerShaper™ 可调谐色散补偿器，动态补偿范围为±1400ps/nm 。其柔性化设计可覆盖整个C带50GHz的可调补偿及多波长色散补偿，并具有动态色散选择补偿及色散斜率补偿能力。
3.基于MEMS（微电子机械系统）技术
日本SEI（Sumitomo Electric Industries Ltd.）在2003年推出第一个基于MEMS微镜的多通道可调色散补偿器，可以控制每一个通道，如图4所示。采用体衍射光栅分出每个信道，以微镜分别改变各个信道不同的相移量来实现动态色散补偿，补偿后信号光由环行器输出。每通道的补偿量从4.6 到16.7 ps/nm.，该器件零电压插入损耗10 dB，工作时插入损耗6dB。
贝尔实验室基于多级光全通滤波器，通过改变MEMS共振腔的大小，制作出动态色散补偿器，如图5所示。其二级结构的补偿调节量可达±100ps/nm，群时延抖动小于±3ps，适于50GH间隔的单个或多个信道的动态色散补偿。采用同端偏轴光纤耦合，避免了光环行器的使用，插入损耗小于2dB。
4. PLC环行共振腔技术
在OFC2004上，NEC发表了基于其高折射差的PLC（平面光波导回路）环形共振腔技术，研制的PLC动态色散补偿器，其调节量可达±800ps/nm，对25GHz信道间隔操作十分容易，并实现了16信道（50GHz间隔）同时进行1050ps/nm的色散补偿。该器件由SiON平面波导上的8个环型共振腔组成，每个共振腔由热光相移器控制，分别对应不同的自由频谱范围。如图6所示。
IBM苏黎士研究所在OFC2002上发表基于SiON的PLC技术，将动态增益均衡与可调色散补偿功能集成在同一芯片上，如图7所示。可调色散补偿量为200 ps/nm，并具有小的抖动和好的精度。此外，该所还提出一种称之为“无限推动响应型(infinite-impulse-response-type (IIR))”环行共振腔技术，在高折射率差SiON平面波导上级联4个环行共振腔可实现50GHz信道间隔的动态色散补偿。
美Inplane Photonics在2002 年推出业界第一个带光功率放大的可调谐色散补偿平面波导模块，内部集成了掺铒波导光放大器，对于10Gbps系统，在C带，可选择性的同时补偿8个50 GHz信道间隔的信道色散量，可调补偿量达1000 ps/nm。
2003年3月NEC发布基于SiON的超小型PLC芯片(尺寸仅为：15mmx2.5mm)的动态色散补偿模块，对于10Gbps系统，其动态色散补偿能力达±500ps/nm。
三、结语
上面介绍了几种新出现的动态色散补偿方案及器件。据Electroni Cast的统计，现有色散补偿器中DCF占89%，光栅、体光学干涉等模块占11%，到2009年DCF占26%，光栅、体光学干涉等模块占74%。基于体光学干涉的色散补偿方法，核心元件为G-T干涉仪，具有全面的色散补偿能力。基于MEMS及PLC环行共振腔技术的动态色散补偿器具有集成度高，并可加入其他功能，前景十分看好。随着首个全光子2R再生器在OFC2004上的亮相，相信基于各种新技术和工艺的动态色散补偿器将会不断涌现。
参考文献
1.Optics Express,Vol.11,No.22,pp2970,2003
2.IEEE Photonics Technology Letters, Vol.12, NO.6,pp651,2000
3.OFC2004, WK3
4.OFC2004，WK5
5.Optics Letters, Vol.29, Issue 9, pp1013,2004
6.IEEE Photonics Technology Letters, Vol.11, pp1455,1999
7.相关公司网站
摘自 光纤新闻网
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