單載波400 Gbit/s無中繼超長距傳輸實驗研究

張勇生，張 林，吳劍軍

(1. 國網內蒙古東部電力有限公司信息通信分公司，呼和浩特 012000； 2. 國網內蒙古東部電力有限公司經濟技術研究院，哈爾濱 150000； 3. 武漢光迅科技股份有限公司，武漢 430205)

0 引 言

超長距無中繼傳輸系統由于其傳輸跨距長和經濟成本低等特點被廣泛應用在跨洋海底通信、島嶼及電力通信網絡特別是特高壓電力通信系統中。隨著第五代移動通信技術(5th Generation Mobile Networks, 5G)大數據時代的到來，通信系統傳輸容量將呈指數增長，為滿足海量數據傳輸需求，復雜的編碼方式和高波特率器件不斷涌現，單載波傳輸速率也不斷提升，從100到400甚至600 Gbit/s，而傳輸速率的提高將對超長跨距通信系統的傳輸距離帶來巨大挑戰[1-2]。這是由于單載波傳輸速率越高，接收端需要的信噪比也越高，這將使得傳輸距離大大縮短，因此提高傳輸距離對高速率超長距無中繼傳輸系統具有重要意義。

電子和光路子系統是超長跨距無中繼通信系統中最重要的兩部分，前向糾錯(Forward Error Correction ，FEC)技術、數字信號處理(Digital Signal Processing，DSP)技術及性能優越的電子子系統使得單波400 Gbit/s傳輸將成為下一代通信網絡主流的傳輸速率，據報道，目前單載波400 Gbit/s無中繼傳輸的最遠距離為482.35 km[3]。本文采用高階泵浦方式，通過優化光路子系統參數，結合大有效面積光纖(G.654E)、子載波頻分多路復用(Frequency-Division Multiplexing，FDM)技術及遙泵放大( Remote Optically Pumped Amplifier，ROPA)技術實現了500 km單載波400 Gbit/s速率單纖芯無中繼傳輸。

1 理論分析

高階泵浦對信號光的放大作用是拉曼放大原理，信號光和泵浦光在光纖中傳輸時，由于拉曼散射效應，強功率泵浦光與光纖相互作用產生斯托克斯(Stokes)散射光，當信號光波長在Stokes散色光波長范圍內時，可實現信號光的增益放大。泵浦光只經過一次拉曼頻移對信號光進行放大，稱為一階拉曼放大；當泵浦光強度大，使得一次頻移產生的Stokes散射光能量足夠高，則可產生二次拉曼頻移，實現對信號光的二階放大；當一階泵浦光更大時，可以發生三階拉曼頻移，從而實現高階泵浦放大[4]。

考慮泵浦與信號之間的作用、光纖的損耗以及泵浦光自身及與信號光之間相互的作用，高階泵浦拉曼放大傳輸方程組可表示為[5]

2 400 Gbit/s無中繼超長距傳輸實驗

400 Gbit/s超長跨距實驗系統如圖1所示，系統收發端為400 Gbit/s相干集成板卡，為了增強信號光在光纖中的非線性容忍度，400 Gbit/s信號業務采用概率星座整形(Probabilistic Constellation Shaping，PCS)和FDM技術[6]，調制格式和調制速率分別為16進制偏振復用正交幅度調制(Polarization multiplexing-16 Quadrature Amplitude Modulation，PM-16QAM)和95 GBaud。400 Gbit/s相干集成板卡背靠背光信噪比(Optical Signal to Noise Ratio，OSNR)容限為16 dB，FEC糾前誤碼率(Pre-Bit Error Rate，Pre-BER)和品質因子Q容限分別為4.1E-2和4.8 dB。發送端通過可調衰減器(Variable Optical Attenuator,VOA)調節信號光的入纖光功率，信號光和高階泵浦單元(High Pump Unit，HPU)產生的泵浦光通過波分復用器(Wavelength Division Multiplexing，WDM)合波后進入光纖傳輸；接收端采用摻鉺光纖放大器(Erbium Doped Fiber Amplifier，EDFA)對信號光功率進行前置功率放大，并通過帶寬為200 GHz的濾波器對EDFA產生的自發輻射噪聲(Amplified Spontaneous Emission，ASE)進行濾除。實驗采用單波波長為1 560.61 nm的信號光。

注：RGU為遠程增益單元。圖1 400 Gbit/s超長跨距實驗系統

實驗系統采用前后向高階泵浦遙泵放大器對信號光進行無中繼放大，前后向HPU均為三階泵浦，各由5個相同波長泵浦激光器組成，其中一階泵浦使用1個激光器，二階和三階泵浦各使用2個激光器，一階泵浦波長為1 480 nm，二階泵浦波長范圍為1 420～ 1 450 nm，三階泵浦波長范圍為1 320 ～ 1 360 nm；系統鏈路僅采用1根G.654E大有效面積光纖傳輸，并未增加任何旁路泵浦光纖，傳輸光纖由3段組成，如圖1所示，第1(L1)、第2(L2)和第3段光纖(L3)的長度分別為127.82、228.60和144.76 km，其中L1和L3長度的設計是通過仿真計算得出的，L2長度是最終實驗測量值。傳輸跨段總損耗隨傳輸波長的變化如圖2所示，在1 560.61 nm波長處總損耗為78.68 dB(501.18 km)，實驗鏈路L1和L3采用有效面積為150(A150)和130 μm2(A130)兩種大有效面積光纖組合傳輸，L2采用A130大有效面積光纖傳輸，其中L1鏈路A150和A130光纖長度分別為100.00和27.82 km；L3鏈路A150和A130光纖長度分別為50.00和94.76 km。傳輸光纖的損耗系數和色散系數分別為0.157 dB/km和20.9 ps/nm/km。

圖2 傳輸跨段總損耗隨波長的變化

3 實驗結果與分析

由于非線性效應，光纖中傳輸的光功率不能過強，這使得傳輸信號光功率受限，為提高信號光入纖光功率和高階泵浦光功率，A150光纖分別使用在L1鏈路發送端和L2鏈路接收端，通過優化信號光入纖光功率和前后向高階泵浦功率使得系統傳輸性能最優，優化后的信號光入纖光功率為-0.68 dBm，前后向HPU功率分別為2 030和2 540 mW，到達前后向RGU殘余泵浦光分別為3.82和4.38 mW，系統鏈路中泵浦功率和信號光功率隨傳輸距離的變化如圖3所示，由圖可知，隨著光纖傳輸距離的增加，前向泵浦光功率逐漸減小，而信號光功率由于前向拉曼放大的作用先增大后減小，當到達127.8和356.4 km處信號光功率突然增大，這是由于RGU對信號光的放大作用，在接收端由于后向拉曼放大作用，信號光功率先減小后增大。

圖3 信號光和泵浦光功率隨傳輸距離的變化

為延長傳輸距離提高系統功率預算，前后向RGU分別放置在距離發送端和接收端127.82和144.76 km處，前后向RGU選用的摻鉺光纖長度分別為11和17 m，RGU增益隨泵浦功率的變化如圖4(a)所示，隨著泵浦功率的增大，RGU增益也逐漸增大直至達到飽和輸出，當泵浦功率分別達到3.82和4.38 mW時，前后向RGU增益分別為12.2和17.2 dB；為進一步提升系統傳輸性能，在系統末端對不同傳輸波長的傳輸品質因子Q進行實驗測試，結果如圖4(b)所示，由圖可知，隨著波長的增大，Q值先變大后減小，說明不同波長的傳輸性能不一樣，并且在波長1 560.61 nm處系統傳輸性能最佳。

圖4 RGU性能及不同波長對400 Gbit/s系統的影響

實驗發送端和接收端光譜分別如圖5(a)和(b)所示，光譜分辨率為0.1 nm，由圖可知，傳輸信號光譜由4個子載波組成，系統接收端OSNR為16.6 dB，與背靠背OSNR容限(16 dB)相比，經過系統傳輸后信號光產生0.6 dB代價，用誤碼儀對客戶側業務進行24 h連續監測，并記錄線路側誤碼率如圖5(c)所示，24 h線路側Pre-BER最大值為3.7E-2，未超過設備FEC糾錯容限，并且誤碼儀未顯示誤碼，這說明該傳輸系統可長期穩定運行。

圖5 400 Gbit/s系統收發端光譜和穩定性驗證

4 結束語

本文理論分析了高階泵浦對光纖中信號光功率的影響，利用高階泵浦放大方式，結合G.654E光纖及ROPA技術，通過優化高階泵浦功率和信號光波長等光路子系統參數成功實現了單載波400 Gbit/s速率單跨501.18 km(78.68 dB)無中繼單纖芯傳輸。實驗采用的400 Gbit/s信號由4個數字子載波組成，利用FDM和PCS產生，其調制格式和速率分別為PM-16QAM和95 GBaud。實驗前后向RGU摻鉺光纖長度分別選取為11和17 m，且分別放置在距離發送端和接收端127.82和177.76 km處，傳輸系統接收端OSNR為16.6 dB，傳輸代價為0.6 dB，實驗系統運行24 h無誤碼。本實驗對下一代通信系統超長跨距傳輸工程的建設具有一定參考作用。