简化系统结构降低系统成本是发展下一代光通信网络的主要驱动力。色散长期以来一直是制约光网络性能的主要因素：在无补偿的情况下，标准单模光纤（ITU-T G.652）因受限于色散，其10Gb/s速率下传输距离仅80公里。随着1990年代前后出现了EDFA（掺铒光纤放大器）与WDM波分复用技术，光通信系统的色散补偿是通过在传输线路固定的间距上使用被动色散补偿模块（DCM）来实现的。然而这种方案的缺点是：这些线路中的模块极大地增加了线路的复杂性和建设成本；需要双级放大器补偿这些模块造成的额外衰减；导致系统的PMD指标大大增加。因此，这种方案在传输速率升级时的复杂性极高，极大地限制了网络通过可重构光分插复用器（ROADM）迁移到透明网络的能力。因此，没有色散补偿设备的网络对设计者来说是极具诱惑力的解决方案。
近期，容忍色散通信技术成为业界关注的焦点。例如，双二进制（Duobinary）调制与基于接收器的电子色散补偿技术已经实现网络在无色散补偿模块的情况下运行，这两种互为竞争的技术都在争取成为业界首选的色散补偿技术[1, 2]。 fcF光波通信
1. 接收器端与发射器端电子色散补偿方案对比。 |
2. 在使用双二进制调制方式、带MLSE技术的接收器端EDC设备同时配合LEAF光纤时，38个信道10.7Gb/s速率下传输1500公里后的的OSNR与Q值。 |
3.在使用双二进制调制方式、带MLSE技术的接收器端EDC设备同时配合LEAF光纤时，10.7Gb/s速率下边缘与中心信道的Q值与传输距离的函数关系。 |
4. LEAF 光纤与中度色散光纤MDF成本节约净现值相对于标准单模光纤的对比。成本节约是通过在LEAF光纤1500公里的链路上（MDF光纤链路长度900公里）取消对在线补偿模块的需要来实现的。而对于标准单模光纤在450公里以外的链路长度上就需要在线色散补偿模块的支持了。LEAF光纤对整个链路的成本节约效果可以延伸至2550公里，而对MDF光纤则可以延伸至1050公里。本图所示净现值是基于以下假设：24芯光缆，32个信道，传输速率10Gb/s全保护，年度带宽增长率100%，300Gb/s初始带宽需求。 |
实验数据 喸从谑笛槭荩偕鐶.656、G.652光纤在1550nm窗口的色散值分别是8ps/nm.km与17ps/nm.km |
|
高级调制方式
传输的数据流编码使用的调制方式对于因非线性效应及色散对信号质量的降低程度有极大的影响。光网络使用的传统的数据编码方式非归零码（NRZ）和归零码（RZ）的特点是由不同振幅的信号分别代表0和1。新出现的两种分别叫双二进制（Duobinary）和ABI（alternative block inversion交替块反转）的调制方法表现出比传统调制方法如NRZ更大的信号色散容忍能力。通过引入交替相位状态作为第三级信号编码，双二进制与ABI调制降低了色散引起的信号间干扰，从而实现了更大的色散容忍度。双二进制技术比ABI技术更成熟，目前已经有商用产品，其支持的G.652光纤典型无补偿传输距离可达到80公里（1550nm），在传输10Gb/s速率时更可达到200公里左右[1]。
电子色散补偿
电子色散补偿（EDC）是一项旨在扩展光网络无补偿传输距离的新技术，目前已经非常成熟。EDC系统有两种形式：基于发射器端的EDC（Tx-based EDC）和基于接收器端的EDC（Rx-based EDC），如图1所示。基于接收器端的EDC使用高级信号处理技术可以使被色散扭曲的信号成功复原。目前共有三种基于接收器端的EDC技术：判决反馈均衡（DFE）、馈均衡（FFE）和最大似然序列估计（MLSE）。康宁经过研究发现DFE和FFE的纠错能力不如MLSE。通过演示发现使用MLSE技术的基于接收器端的EDC在使用NRZ调制方式时可以提高60%的传输距离，而再配合使用双二进制调制方式时更可以提高70%-75%的传输距离 [3]。
从全局来看，如果将双二进制调制与基于接收器端的EDC集成起来将可以使无补偿的传输距离延长。根据估算，集成后的技术将使标准单模光纤上无补偿传输距离延长到250公里。
非零色散位移（NZDS）光纤
然而，故事还有另一个方面。在色散修正技术发明之前很久，光纤厂家就研制出了一种能在1550nm窗口延长无补偿传输距离的产品。在1990年代末，当10Gb/s传输速率与WDM技术被采用，在多信道运行上述速率会因色散造成对传输距离的限制。此时在C波段具有低色散值的非零色散位移光纤被引入。此类产品目前被归于G.655标准。G.655与G.652光纤在城域、区域及长途应用时都需要色散补偿以扩展传输距离。而且像康宁LEAF这样的低色散G.655光纤的色散值比G.652光纤要低75%，因此使用NRZ调制方式仅靠LEAF光纤就可以使无色散补偿模块的传输距离延伸到320公里。如果使用双二进制调制方式那么无色散补偿模块的传输距离更可延伸到600公里以上[4]。如果再将接收器端EDC配合NRZ调制方式在LEAF上传输信号，那么无色散补偿模块的传输距离达到600公里是可实现的，康宁公司的研究表明了这点。在这个距离上大多数今天的网络都可以不需要色散补偿设备，只是还达不到延长无在线补偿网络传输距离的目标而已。
如果进一步研究将高级调制方式、EDC技术与非零色散位移光纤三者结合起来应用的情况，结果又会怎样呢？我们能最终实现WDM光传输系统无色散补偿模块的情况下达到更远传输距离的目标吗？
系统集成：接收器端EDC、双二进制调制方式与非零色散位移光纤
为了回答这个问题，康宁对使用新色散容忍技术配合低色散光纤的传输能力做了研究。在康宁公司Sullivan Park研究中心的实验室里实现了在10.7Gb/s速率下在覆盖半个C波段范围（最差的传输条件）的38个信道，50GHz信道间隔条件下使用双二进制调制方式、带MLSE技术的接收器端EDC设备同时配合LEAF光纤达到了超过900公里的无光学色散补偿设备的传输距离[4,5]。更进一步的研究还表明，如果在发射端仅使用一个在1550nm固定色散补偿值为-3360ps/nm的光学预补偿模块，上述900公里的传输距离更可以延长到1500公里，如图2a与2b所示[5]。在1500公里的距离上，系统的色散是受波长最长的信道的色散值所限，因为该信道累积的色散最大。值得注意的是在1200公里的距离上，传输系统在所有信道上的性能都是平滑的，所以可以在最大至1500公里的距离上取出任意一个信道而无需改变接收器。这个特性对透明传输网络和可重构光网络来说是非常重要的优点。使用双二进制调制方式、带MLSE技术的接收器端EDC设备同时配合LEAF光纤的方案使电信业的光传输网络出现了重大的全新概念：10 Gb/s速率无补偿链路长度达到1500公里。
基于这些数据我们可以预期：在使用双二进制调制方式、接收器端EDC设备同时配合一个预补偿模块的情况下G.652光纤无补偿链路长度可以延长到450公里；而对于中度色散光纤（如ITU-T G.656标准的NZDS光纤），无补偿链路长度可以延长到900公里，如表1所示。
很明显，通过使用集成双二进制调制方式的接收器端EDC的设备同时配合低色散的G.655光纤在绝大多数网络上实现无色散补偿传输链路的方法是一个令人兴奋的概念。但是在对光传输系统部署费用极度敏感的今天，这些新技术配合G.655光纤使用的成本是否适合大规模部署呢？
双二进制调制方式、接收器端EDC设备配合低色散光纤的价值
为了了解在10Gb/s 速率下应用双二进制调制方式、接收器端EDC设备配合低色散的G.655光纤方案的投入成本与成本节约两个方面的情况，康宁对上述新技术配合不同色散水平光纤（LEAF 光纤，G.656标准中度色散光纤MDF及G.652光纤）的方案成本做了对比。许多使用新技术的方案通常会因其略高的初始安装成本而被人怀疑。事实上双二进制转发设备目前比传统转发设备的成本的确要高10%至15%[1]。而人们却往往忽视了新的方案可以在网络的整个生命周期内持续节约成本的事实。例如，双二进制调制方式、接收器端EDC设备配合低色散光纤的方案将在您每次开通一根光纤时都会因无需色散补偿模块的优点而给您带来成本的节约。
我们可以进一步用净现值（NPV）模型来说明这个问题，不仅考虑初始安装成本，还考虑未来所有在开通新光纤时因无需DCM而引起的支出的节省。为了使针对每一种光纤的情况具有可比性，未来节约的DCM的价值被折算成当前的价值。此外，为了更好地体现与DCM直接相关的支出节省，其它因省略放大器设备而引起的支出节省在本模型中没有考虑。
尽管在实际系统中DCM通常是在链路上平均配置的，为了方便读者更直观地解读对比的结果，本模型假设每一种光纤的情况都仅在最大无补偿距离以外才开始使用第一个DCM。因此，对于LEAF 光纤是从1500公里开始；对于MDF光纤是从900公里开始；对于G.652光纤是从450公里开始。比较的结果如图3所示。在450公里上G.652光纤开始需要DCM，因此从650公里开始LEAF 光纤与MDF光纤相对于G.652光纤因DCM而引起的成本节约表现出正的净现值。MDF光纤的净现值在900公里之前持续增加，而自900公里起MDF开始需要DCM，因此其净现值开始呈现快速下降趋势。相比之下，低色散的LEAF 光纤的净现值在1500公里前一直是持续提高的。自1500公里起，因前面累积了大量的正净现值，尽管净现值开始下降但仍保持正值，直至2500公里左右。这个分析显示，使用双二进制调制方式、接收器端EDC设备配合低色散LEAF光纤的方案在长达2500公里跨距的网络上都可以为网络节约巨大的成本。
参考文献
1: “Optical duobinary promises improved reach, greater flexibility”, Stephen Hardy, Lightwave May 2006.
2: “Dispersion Tolerant Technologies Battle for Attention”, Hardy, Lightwave, June 2006.
3: “Experimental measurements of uncompensated reach increase from MLSE-EDC with regard to measurement BER and modulation format,”J. D. Downie, M. Sauer, and J. Hurley, Opt. Express 14, 11520-11527 （2006） http://www.opticsinfobase.org/abstract.cfm?URI=oe-14-24-11520
4: “Flexible 10.7Gb/s DWDM Transmission over up to 1200km without Optical In-Line or Post-Compensation of Dispersion using MLSE-EDC”, Downie, Sauer,Hurley
5: “1500km Transmission over NZ-DSF without in-line or post-compensation of dispersion for 38′10.7Gbit/s channels”, Downie, Sauer, Hurley, Electronics Letters, 25th May 2006, Vol.42, No.11.
