色散会否成为40Gb/s系统的杀手

James Jungjohann, Rick Schafer, Alan Bezoza, Kevin Gallagher 著 黄照祥 译

　　早在上世纪90年代中期，10Gb/s光网络还颇多争议时，人们就已经预测到，光纤的色散将会阻碍在现有光纤上再提高传输速率。值得注意的是，信号的衰减可以采用掺铒光纤放大器（EDFA）来补偿。当时，设计师所面临的最大挑战是如何面对10Gb/s系统的硬件成本与2.5Gb/s系统相比贵好几倍的现实。

　　如今，网络设计师在设计下一代网络时，必须考虑许多问题，如色散和偏振模色散（PMD）、损耗、光信噪比（OSNR）和光纤非线性等因素，在设计方案中必须折衷考虑。

　　原始设备制造商争论的重点是哪一个因素是主导。Corvis、Ciena、Nortel、Solinet、PhotonEx等公司认为PMD是40Gb/s系统的主要限制因素。PMD的产生，源于光脉冲的电场包含两个偏振分量，它们或以一定角度或彼此正交地在光纤中传输。而极化是指光信号电场矢量的方向性。正常情况下，两个分量都以相同的速率沿着距离相同的光纤传输。但是，当光纤不是理想的圆柱体时，如果其中的一个分量比另一个分量快或慢，就会导致脉冲展宽并与相邻脉冲重叠，在接收端造成误码。

　　然而，这些制造商也指出，色散对高信道数系统影响较大。传输距离越长，脉冲就变得越宽。当脉冲展宽至与相邻脉冲重叠时，就会出现码间干扰。与PMD的影响一样，干扰越大，产生高误码率的可能性越大，导致接收机无法识别“0”或“1”。总而言之，色散对信道数较多的系统的影响更为严重。

充分利用已铺光纤

　　最初的商用10Gb/s系统色散补偿器件，主要是瞄准那些采用“老”光纤的运营商，如AT&T、Sprint、Worldcom，和大部分国际业务运营商。在当前投资紧缩的市场环境下，上一代“老”光纤（占已铺设光纤的33%）仍然会继续使用一段时间。在美国，已铺设的光纤中大约有1/3是用于长途网。

　　据估算，2000年铺设的光纤中，常规单模光纤占了80%，其余20%是长途网和城域网的非零色散位移光纤（NZDSF）。据预测，2004年以前，用于长途传输的NZDSF将会以近33%的年增长率递增；但由于在2003-2004年可能会开始采用40Gb/s系统，NZDSF在2003年期间可能会呈现平稳增长态势。

　　此时，人们也许会问，运营商是否还能从现有的光纤中获取更多的利润呢？回答是肯定的。最初的色散控制市场是面向那些采用10Gb/s“老”光纤的运营商，然后才是面向包括40Gb/s的所有光纤类型。“老”光纤网市场还是有利可图的，Ciena宣称其大约50%的销售收入仍然来自2.5Gb/s系统。

　　短期内，大多数运营商并不愿意新建网络，他们宁愿利用已经铺设好的闲置光纤，充分发挥波分复用设备的长处。在资本市场垂青于运营商的那段时期，网络的扩容常常超前于带宽需求多达18个月。但是随着18个月“缓冲期”的消失，运营商只能根据需求随时扩容了。

　　运营商在采用新一代160信道的DWDM系统之前，必须等到其原有的40信道DWDM系统利用率达到90%。这种扩容方式所依靠的是增加波长数，而非升级到复杂的40Gb/s高速系统。从10Gb/s到40Gb/s的系统扩容可把容量扩大300%。相比而言，运营商也可以通过在现有的20个波长基础上再增加60个波长来获得近似的扩容。

　　参加过OFC2001或Supercom 2001的人也许会注意到，几乎所有较大的OEM都展示了其在40Gb/s WDM网络设备的领先地位。然而运营商和投资商认为应当把事实与现实分开，今天疲软的资本市场对直接向40Gb/s网络过渡的设想十分不明确。有迹象表明，运营商削减了他们对新建长途网的投资。

　　从现状看来，随着网络部件成本的下降，采用10Gb/s波长逐步升级的方法远比直接转向40Gb/s高速系统经济得多。虽然近期内40Gb/s网络市场还不是很乐观，但相信，即便发展迟缓，最终还是要看好的。

　　此外，那些未采用NZDSF光纤的运营商发现，采用这种光纤提供高速传输非常不经济。可以预料，几个较大的长途运营商，如AT&T、Sprint、Worldcom，今年将会转向租用长途线路而不是自己新建网络。据了解，大多数运营商目前还未部署新一代光纤。大部分常规单模光纤仍适用于10Gb/s速率，但对40Gb/s就可能行不通了。虽然还有争议，但目前已有众多的OEM正在开发采用常规单模光纤的40Gb/s系统。如果能有效地控制色散，SMF也可能适用于40Gb/s传输。

　　色散仍影响40Gb/s系统

　　运营商通常有两种扩容方式：增加现有系统波长数，或升级到高速系统，如新一代的40Gb/s系统。40Gb/s网络的价格太高，故至少要等到2003年才能开始部署。40Gb/s高速光网络还面临以下诸多技术难题：

* 色散和PMD

* 采用外调制器来减少激光器啁啾和色散

* 采用特殊的调制方式，如双二进制、啁啾归零码、准孤子或逆复用技术等

* 采用新型色散可控制光纤，如LEAF或TrueWave

* 光时分复用（OTDM）克服电子瓶颈

　　目前，40Gb/s光电器件的商用化远远落后于OEM的期望。40Gb/s这样高的速度，在光学上实现起来相当困难。虽然激光源可以大量供货，但是40Gb/s的铌酸锂（LiNbO3）调制器和电吸收调制器目前还很少。通常，发射机的色散补偿比较容易实现，但补偿程度有限。在接收端使用的，40Gb/s PIN和APD光二极管今年产量太少。在物理层，时钟数据恢复（CDR）集成电路和判决电路几乎没有产品。或许只有AMCC和Nortel能制造40Gb/s的CDR，而其它OEM仍通过时分复用（TDM）来实现。

　　最大的问题之一是要开发出低成本且能商用化的色散控制方法。色散补偿可以通过康宁和朗讯生产的色散补偿光纤（DCF）来实现。色散补偿器件目前还仅局限于色散补偿器和色散斜率补偿器。通常，色散补偿是利用接在放大器后面的一盘DCF来实现。目前，PMD是通过选用新型光纤来抵消，连续补偿的新方法也即将面世。DCF是解决现有2.5Gb/s网络和早期的10Gb/s网络色散的主要方法。

　　大多数OEM和器件厂商认为，当前的PMD控制方案成本太高，阻碍了40Gb/s的广泛应用。比如，如果一个PMD补偿器需要1.8万美元，那么一个40Gb/s、40个波长的DWDM传输系统的相关成本将会达到100万美元。

　　同样，色散控制成本也相当高。例如，如果采用Laser-Comm的色散斜率匹配宽带补偿模块，同样的40Gb/s波长网络，也要花费1-1.5万美元。如果采用Phaethon的波段可调谐补偿方法可提供4-8个波长的补偿，成本可能低于1万美元，即每一个波长1千美元左右。

　　网络规划者所面临的大问题是色散控制成本仍然相当昂贵，换句话说，是不是仍然采用光—电—光（O-E-O）再生更经济些？

　　因此，提供色散控制解决方案的厂商将被迫降低成本，据估计，目前10Gb/s的单波长补偿的市场价在4万美元左右。未来几年的市场预计会出现较大变化。CIBC认为市场还具有很大弹性，价格仍会下跌，越来越多的OEM将能充分享受到下一代色散控制器件的实惠。

　　现在，许多厂商宣称能提供160波的DWDM系统。波长间隔为50GHz（0.4nm）。最困难的是让所有波长在单根光纤中传输，而速率保持不变且彼此不相互干扰。

　　然而，无论是光功率还是信号质量，在传输中都会有所下降。当然信号功率可以通过EDFA和拉曼放大器来放大，但是色散和噪声对信号的影响必须采用再生的方法加以补偿。因此，再生也是色散补偿的一种方法。采用光放大技术可抵消损耗的影响，但当传输距离增加时色散的影响仍然很突出。 新型NZDSF有助于减小色散，但是在提高发射功率、减小非线性影响方面更为有效。然而，这些光纤并不能降低所有信道的色散，由于色散具有波长相关性且不同速率的累积值不可忽略。

　　当光纤弯曲或随温度变化或顺风扭曲时，新型光纤并不能有效地减少PMD的动态变化。传统的色散补偿方法存在技术缺陷且成本高。DCF具有负色散特性，能实现周期性补偿。然而，它不能为每一个波长提供精确的补偿（即斜率补偿），不能容忍高速率多波长传输系统所需的大功率。

　　色散“控制”是多方面的。它能有效地减弱PMD的影响，维持色散和斜率补偿之间的平衡。色散不仅仅来自于光纤，还来自于许多器件，如EDFA。

色散控制

　　在降低10Gb/s和40Gb/s网络成本和商用化方面，设计一个能同时降低色散和PMD的解决方案是关键。现有系统受噪声和色散影响很大，经过400-600公里传输之后，信号质量将会恶化。当信号质量下降到一定程度，接近于接收机灵敏度时，必须用再生方法将光信号变成电信号，在电域上再生后再恢复成光信号。
　　某些情况下，再生成本相当高，几乎为整个网络成本的50%。这就是网络设计者为什么不断努力将中继距离从600公里扩展到3000公里，实现超长无中继传输的原因。相应系统目前已经商用化，如Corvis、Nortel公司的产品。严重的是，色散和PMD的影响造成大量信号串扰，会随着传输速率的增加呈平方增长；同时还与传输距离和波长数成比例。因此，随着带宽需求增加而信道间隔变窄、速率变高，色散控制将成为图3所描述的高速光网络的最大瓶颈。

　　目前，诸多因素推动着下一代色散控制方法向前发展。

　　更多的信道数。光纤传输系统已从早期的16波发展到160波以上，占据了L波段和C波段，色散控制需要在两个波段同时实现。波长范围的扩展，意味着较短波长与较长波长之间的色散累积差别巨大。波长数越多，色散控制需求越大。在高信道数系统中，信道间隔非常近，要求色散和色散斜率控制连续且宽频带。色散斜率控制非常富有挑战性，特定波长色散的较大调整非常必要。波长相关性意味着最短波长和最长波长之间的色散斜率相差较大。

　　目前所期望的最佳色散斜率控制应该是“连续”的，能同时补偿全部波长，而不是仅限于特定波长。
更高的传输速度。新一代的40Gb/s系统，色散控制的精确度要求比10Gb/s系统高16倍。全波段连续的色散控制对于40Gb/s系统相当困难。为了使40Gb/s系统能有效运行，整个工作波段的色散值容限的精确度要求达到99%以上，即色散容差应该在1%之内，不管传输跨距是多少，绝对值约为15-20ps/km。

　　更长的再生间隔距离。色散是光纤的物理特性，与光纤长度成正比。连续宽带色散控制随着中继距离的增加变得必不可少。目前能实现5000公里的超长无中继传输。再生器成本占了整个网络的相当大部分。运营商正在设法延长无中继传输距离。特别是对超过40信道的系统。传输距离的扩展，要求放大器之间的色散控制更为精确。下一代啁啾非归零（NRZ）或准孤子传输，要求更均匀地布置色散补偿模块。

理想色散

　　实际上，光纤中有一些色散更为理想。一定量的可控制色散，可以降低光纤传输的非线性效应，如四波混频。尤其是当信道间隔降到100GHz或50GHz时，信号传输受非线性的影响比色散更大。脉冲展宽导致不同WDM信道之间存在相对时延。

　　避免四波混频的一种方法是在光纤中人为地引入一定量的色散来破坏相邻波长的相位匹配条件。因此，超长距离传输就成为可能，接收机也能识别“0”或“1”代码。非常重要的是，色散是线性效应，其影响可以抵消；而像四波混频等非线性效应是无法恢复的。

摘自《通讯世界》译自《Lightwave》2001.10期《Will dispersion kill next-generation 40-Gb/sec system?》