降低光傳輸成本是通信系統提供商和網絡運營商共同的目標。行業內部激烈的競爭一直是把成本推向更低的主要驅動力。不過，最近為了證明10G到40G的過渡是業界必經的趨勢，成本問題愈加受到關注。

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

FBG和色散補償光纖

使用FBG反射進行色散補償和使用色散補償光纖（DCF）進行補償的傳統方式有本質的區別。通過FBG進行色散管理的基本原理是使用一個精確啁啾光纖光柵對不同的波長引入不同的時延。可以專門制作光柵以便模擬光纖或者某個跨度上的色散特性。（見圖1）

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

采用FBG進行色散補償和傳統的DCF方式相比，有很多明顯的優勢。不過本文主要描述FBG直接導致新的放大器設計和架構的幾個特點。

FBG色散補償模塊（FBG-DCM）最廣為人知的顯著優勢是插入損耗小。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，而DCF-DCM的插損則隨著光纖和傳輸跨度的增加而增加。

這個距離無關性除了帶來更好的模塊封裝形式外，還引出FBG-DCM和DCF-DCM相比的另一個主要的優勢，那就是遲滯時間，也就是光信號進出一個器件造成的時延。對被動色散補償器件來說遲滯時間和器件中的光路長度成正比。

對DCF-DCM來說100毫秒的遲滯時間都是常見的，而FBG-DCM的遲滯時間則小三個數量級，在大部分的實際應用中是可以忽略的。

FBG-DCM另外一個明顯優于DCF-DCM的特點是它在大光功率輸入時不會產生非線性效應，雖然DCF-DCM由于非線性效應產生的光功率不大，一般每通道在-2dBm以下，但是FBG-DCM技術在現行任何光網絡的最高功率上都不會引入非線性效應。

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

中間接入EDFA設計

好好利用FBG-DCM的特性，傳統的EDFA可以通過很多種方式進行優化。不僅性能，比如噪聲系數，可以得到很大改善，而且尺寸、成本和結構健壯性都會大幅提高。

讓我們首先考察一下FBG-DCM和距離無關的低插損可以帶來哪些好處。

傳統的中間接入放大器（MSA）是專門為了補償DCF 10dB的插損而加入的。值得一提的是，其實，實際應用中從預放到輔助放大器，之間的損耗有12dB，因為需要加入光隔離器防止后向散射。中間接入的10dB損耗預留出來是為了支持DCF，對100~120公里的單模光纖進行色散補償。

而同樣的插損，如果使用FBG-DCM則可以對400公里的距離進行色散補償，如果對單通道補償，則距離可以更遠。FBG-DCM內置環形器的特點更在放大器中間接入模塊中去除了隔離器這個損耗因素。

FBG-DCM的低插損特性根據網絡不同的拓撲、不同的鏈路結構和損耗容限，起到的作用大小也不同。該特性可以用來簡化MSA結構，在一些FBG提供的在線色散補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傳輸跨度上成本的40%。

傳統的中間接入放大器

傳統的MSA（如圖2）設計的目的是補償DCF-DCM的插損。比如圖2就使用了三級雙泵浦的設計方法（或者可以看成是二級預放加上一個輔助放大器）。

這個結構中主要部分是二級可變增益預放大器和中間接入之前一個另加的可變光增益衰減器。預放大器的兩級之間的可變光增益衰減器為整個MSA提供可變增益（整個增益區域內有平坦的增益）。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的不同的損耗而設計的。

圖2. 色散補償光纖使中段放大器的設計中加入一些低效因素。

原理上，兩個可變增益衰減器可以合并，從而很大程度上簡化了結構。但是這個結構必須要很大程度地降低預放的光功率，以免預放輸出功率過高（高泵浦功率）。再加上中間接入的大損耗，使整個MSA系統的噪聲系數顯著下降。

但是，即使使用兩級預放，MSA的噪聲系數還是要被另一個因素限制：為了使DCF產生的非線性效應最小，DCF的輸入功率一般需要限制在每通道-2dBm之內。這個要求又進一步限制了預放的增益，也就使噪音系數進一步受到影響。

如果把DCF-DCM換成FBG-DCM，那么其和傳輸跨度無關的低插損就可以使放大器的兩個可變增益衰減器合成一個，也不會影響到噪聲系數，另外簡化后的結構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），進一步降低了噪聲系數。最后因為中間的輸入功率不再受非線性效應影響，噪聲系數又進一步降低。因為中間插損減小而獲得的噪聲系數性能的改善情況參見圖3。圖中MSA的可變增益區域為10到28dB。

不同中間損耗時噪聲系數和增益的關系

另外，更低的中間損耗和整體損耗，以及放大器的簡化結構都使泵浦光功率的需求總量降低。泵浦功率需求降低，整個MSA就有可能只用一個泵浦源。不過為了減少一個泵浦源，還要滿足一些條件，這就引出了中間接入遲滯時間和瞬態效應抑制問題。

瞬態效應在所有的光網絡中都存在，主要是由于普通的網絡操作，比如上下波長信道引起的，意外的光纖折斷、網絡重新路由和重配置等也會引起瞬態效應。瞬態效應需要適當管理以免誤碼率突增，甚至嚴重的時候損壞接收機。

通常瞬態效應會有上升和下降時間，一般在毫秒量級，這個時間通常比標準的DCF-DCM的實際反應時間要短。所以，要把瞬態效應的影響降到最小，每一級的放大器都需要在瞬態效應進入該級放大器的時候獨立地做出反應，所以每一級都需要獨立的泵浦和控制環路。

FBG-DCM的反應時間幾乎不存在，這個特點讓MSA設計者可以使用一個控制環路就可以控制整個放大器。

圖3. 減少中間損耗即可顯著改進中間接入放大器的結構。

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進行色散管理的優化MSA。這款設計的優勢在于器件數量明顯減少（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（單控制環路取代兩個分立的控制環路）。這將降低30%的成本。和傳統的MSA結構相比，管腳數量減少50%。如果把FBG的環行器集成到放大器中，還能進一步降低成本。如圖5所示。

管腳的減少可以大幅降低系統成本，因為現在一塊單板上可以集成更多的器件了。例如，MSA和FBG-DCM可以集成在同一個線卡上或者兩個放大器可以集成在同一個封裝里面，然后裝在一個線卡上。這在ROADM系統中尤其有用，因為ROADM系統要求放大器的各級東、西分開。

圖5是典型的ROADM系統，一個使用FBG-DCM，另一個使用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。

通用構架策略

通過使用基于FBG的色散補償，除了前面討論的FBG-DCM優化的MSA外還有幾種方式提高光傳輸的經濟性。對于一個給定的光傳輸鏈路，如何降低成本和拓撲有關，不過有一些簡單和直觀的例子可以使經濟性的提高立刻突現出來。

利用低插損的特性，幾百公里的單模光纖色散補償可以在一個節點實現，從而使點到點網絡的經濟性得到很大提高。

低損耗和容許大功率讓網絡設計者可以把補償器直接放在轉發器側的合波器之后或者輔助放大器之后。而對于DCF-DCM，如果靠轉發器太近，損耗過高會限制色散補償能力，如果直接放在輔助放大器后面又會引入非線性效益。

對于需要分布式色散補償的網絡，比如最典型的例子是當每個節點對信號的保真度都要求很高的時候，通常會使用MSA或者針對節點的DCM。如前面所說，MSA數量的減少在有些網絡中是節省成本的最有吸引力的策略。如果這個策略在網絡中廣泛應用，和放大器相關的費用可以節省高達40%。

即使在沒有使用MSA的網絡，插損相關的成本節省也是很可觀的。光是使用輸出功率較小的放大器，對標準的80km傳輸距離來說，成本的差價就可以達到20%。

基于FBG的色散管理技術為通信行業網絡成本和性能的優化提供了空前的機會。在成本問題，尤其是未來的40G和100G網絡的成本問題日益受到關注的今天，人們的目光已經被這項獨特而開創性的技術所吸引。世界各地正在部署的上千個不同類型的網絡都可證明這一點。