多波段大容量光傳輸系統研究

張 旭，羅 鳴，楊 超，賀志學

(1.中國信息通信科技集團有限公司 a.光纖通信技術和網絡國家重點實驗室；b.國家信息光電子創新中心，武漢 430074； 2.鵬城實驗室，廣東 深圳 518000)

0 引 言

為應對日益增長的互聯網流量需求，發展全波段光傳輸技術被認為是緩解信息傳遞承載帶寬瓶頸問題的主要途徑之一。傳統的C和L波段波長范圍為1 530～1 625 nm，而全波段波長范圍可達1 260～1 675 nm[1]，極大地拓展了傳輸信道的帶寬，可以最大化現有單模光纖光通信系統的整體容量。根據2020年都靈理工大學針對G.652.D光纖傳輸能力的一項評估，利用O、E、S、C和L這5個波段365 nm帶寬，理論上50 km單纖傳輸容量可達450 Tbit/s，600 km單纖傳輸容量可達220 Tbit/s[2]。

然而在全波段范圍內，由于不同波長在光纖、收發端器件和光放大器等方面的性能不同，導致各個波段之間的傳輸性能差距較大，甚至同一波段內不同波長之間的性能差距也比較大。同時，波長信道數的增加會加劇包括受激拉曼散射等在內的光纖非線性效應，造成信道質量的進一步劣化。對全波段光傳輸展開系統性的研究，解決系統中因傳輸波段擴展所導致的各種問題，充分挖掘現有光纖網絡的傳輸潛力，對解決大容量光通信網絡中的瓶頸問題具有十分重要的意義。本文通過對當前全波段光傳輸技術的研究現狀進行全面的分析和探討，重點開展了對S、C和L波段性能差異的實驗分析研究，針對各波段的性能差異，采用現有常規器件，完成了波長范圍覆蓋S、C和L，容量可達到122.4 Tbit/s的偏振復用(Polarization Division Multiplexed，PDM)16進制正交幅度調制(Quadrature Amplitude Modulation，QAM)信號40 km光傳輸系統實驗。

1 全波段光傳輸技術研究現狀

業界關于全波段光傳輸技術的研究可以追溯到20多年前，以直調直檢(Intensity Modulation-Direct Detection， IM-DD)為主的光通信網絡，基于波分復用(Wavelength Division Multiplexing, WDM)技術實現了傳輸容量的大規模擴展，同時期在C和L波段的基礎上進一步引入S波段的研究開始出現[3-5]。然而隨著相干光通信技術的成熟，基于C和L波段的光通信系統不論是在傳輸帶寬上還是在距離上都取得了迅速發展[6-8]，業界對于擴展波段光傳輸技術的研究逐漸減少。直到最近幾年，隨著大數據和云計算等互聯網新興業務的快速發展，光通信系統出現了容量瓶頸問題，關于全波段光傳輸技術的研究又再次興起。

目前業界關于全波段光傳輸系統的研究成果主要來自于國外的一些研究機構，普遍采用了S、C和L波段，系統傳輸容量達到了100 Tbit/s以上。2017年，諾基亞貝爾實驗室采用S、C和L波段(1 507.63～1 608.33 nm)進行實驗，實現了250個信道(信道柵格50 GHz)的傳輸。實驗使用概率整形(Probabilistic Shaping，PS)64QAM格式(波特率為49 GBaud)，通過摻鉺光纖放大器(Erbium Doped Fiber Amplifier, EDFA)和超寬帶半導體光放大器(Semiconductor Optical Amplifier, SOA)分別對C、L和S波段進行放大。其中SOA的增益帶寬覆蓋了1 508～1 611 nm，增益可達16.5～19.8 dB，噪聲系數則維持在5.5～8.0 dB之間。實驗基于大有效面積純硅芯光纖進行，傳輸距離為100 km，傳輸總容量為115.9 Tbit/s[9]。

2018年日本電報電話(Nippon Telegraph & Telephone，NTT)公司基于S、C和L波段(1 478.267～1 512.957 nm)進行實驗，使用272個信道(信道柵格50 GHz)，加載PDM-128QAM信號(波特率為45 GBaud)，分別采用摻銩光纖放大器(Thulium Doped Fiber Amplifier，TDFA)對S波段進行放大，EDFA對C和L波段進行放大。實驗基于標準單模光纖進行，實現了40 km的傳輸，總容量為150.3 Tbit/s[10]。

2019年諾基亞貝爾實驗室采用S、C和L波段(1 515～1 618 nm)進行實驗，使用了254個信道(信道柵格50 GHz)，信號調制格式為PS-64QAM(波特率為49 GBaud)，通過超寬帶SOA和拉曼放大器對信號進行混合放大。實驗基于標準單模光纖進行，每100 km一個跨段，通過超寬帶波長選擇開關(Wavelength Selective Switch, WSS)平衡各波段性能，最終在300 km鏈路中實現了107 Tbit/s的傳輸[11]。

2020年NTT公司采用O、E、S、C和L波段(系統總帶寬達到了173.83 nm)進行實驗，共使用625個信道(信道柵格37.5 GHz)。實驗根據不同波段之間的性能差異，在O和E波段使用正交相移鍵控(Quadrature Phase Shift Keying，QPSK)調制格式，S、C和L波段使用16QAM(波特率均為32 GBaud)。在放大器方面，O波段采用摻鐠光纖放大器(Praseodymium Doped Fiber Amplifier, PDFA)，E波段采用SOA，S波段采用TDFA，C和L波段采用EDFA。實驗最終在60 km的標準單模光纖中實現了106.77 Tbit/s的傳輸[12]。

2020年倫敦學院大學基于S、C和L波段(1 484.86～1 619.67 nm)進行實驗，使用660個信道(信道柵格25 GHz)，根據信噪比(Signal Noise Ratio, SNR)優劣為各信道差異化地分配了幾何整形(Geometrically Shaping，GS) 1 024QAM(GS-1 024QAM)、GS-256QAM或GS-64QAM 3種不同的調制格式(波特率均為25 GBaud)，并通過TDFA、EDFA和拉曼放大器分別進行放大，最終在40 km超低損耗光纖中實現了178.08 Tbit/s的傳輸[13]。

2021年日本情報通信研究機構(National Institute of Information and Communications Technology，NICT)基于S、C和L波段(1 481.92～1 620.06 nm)進行實驗，使用了690個信道(信道柵格25 GHz)，采用雙偏振(Dual Polarization，DP)256QAM作為調制格式(波特率為24.5 GBaud)，通過EDFA、TDFA和拉曼放大器對光信號進行放大，總的入纖功率為20 dBm，同時在收端通過環行器將拉曼泵浦光接入光纖，最終在54 km標準單模光纖中實現了190.1 Tbit/s的傳輸[14]。

截至2021年，全波段光傳輸系統方面的研究統計如表1所示，總的來看，目前業界研究方向主要集中在S、C和L波段，傳輸容量最高可以達到190.10 Tbit/s(日本NICT)，而O、E、S、C和L波段傳輸的研究還比較少，目前做到的最高速率為106.70 Tbit/s(日本NTT)。其中所涉及的問題主要在于，當系統將傳輸信道擴展到O、E和S波段時，不僅光纖損耗更高，所使用的收發端光電器件性能也會有明顯的下降，而且光放大器的增益和噪聲等性能相比C和L波段還有所欠缺，另外不同波段之間的受激拉曼散射(Stimulated Raman Scattering, SRS)還會導致能量轉移及信道串擾，因此需要對以上問題進行優化，并根據各信道情況采用不同的調制格式。NTT在S、C和L波段使用了16QAM，O和E波段使用了QPSK。而在其他關于S、C和L波段的實驗研究中大都采用了64QAM以上的高階調制格式。同時，業界相關研究集中在中短距離方向，主要面向數據中心和城域網等大容量傳輸場景。在現階段針對S、C和L波段的研究中，針對S波段，可以通過優化發送端同相正交(In-phase Quadrature，IQ)調制器偏置電壓以及接收端相干接收機光混頻器的性能以提升整體傳輸性能。

表1 全波段光傳輸系統研究統計

2 S波段性能測試

在基于S、C和L波段的傳輸系統中，S波段無論是在光纖還是收發端器件性能方面都存在一定程度的劣化，因此在開展系統實驗之前，需要針對S波段進行測試，以驗證相關器件在S波段光傳輸方面的性能，進而對出現問題的地方進行優化，從而保證S、C和L波段傳輸系統的整體性能。

研究基于規模商業應用的G.652.D光纖進行，首先對S和C波段的光纖損耗進行了實際測試，結果如圖1所示。相比C波段，S波段尤其是在短波長方向的損耗呈現了明顯的上升趨勢，其損耗最大值相比C波段最小值增加了約0.055 dB/km。

圖1 G.652.D光纖中S和C波段的損耗Figure 1 Propagation loss of S and C band in G.652.D fiber

此外，在收發端器件和放大器性能上，S波段與C波段也存在較大的差別，通過背對背實驗環境以自零差相干接收的方式來對比S與C波段的性能。實驗框圖如圖2所示，發送端光源先后經過光放大器和偏振控制器來產生偏振態穩定的高功率光信號，然后經過偏振分束器產生兩路偏振光，一路偏振光用于功率監測，另一路用于后續測試。測試信號再經過50∶50耦合器一分為二，兩路輸出光分別作為信號光源和本振光源。在信號光輸出端，由任意波形發生器(Arbitrary Waveform Generator, AWG)(采樣率92 GSa/s)產生64 GBaud的PDM-16QAM信號，通過射頻放大器驅動IQ調制器產生400 Gbit/s單載波光信號。調制器輸出的光信號經過可調衰減器(Variable Optical Attenuator, VOA)，由SOA進行放大后，接95:5耦合器，5%的光信號接光譜儀監測光譜，95%的光信號由相干接收機進行接收，其輸出電信號經示波器采樣后(采樣率80 GSa/s，模擬帶寬36 GHz)在電腦中進行離線處理。實驗中S和C波段除了光源和發送端放大器以外,其他設備都相同。

圖2 S與C波段性能對比測試實驗框圖Figure 2 Experimental setup of S and C bands for performance comparison

在本實驗中,當波長低于1 495 nm以下時信號無法恢復，因此測試過程中主要對比了1 550、1 510、1 500和1 495 nm 4個波長，光信噪比(Optical Signal Noise Ratio, OSNR)與誤碼率關系的測試結果如圖3所示。與C波段1 550 nm相比，S波段性能確實存在明顯下降，且波長越短性能越差。在誤碼率1×10-3處，波長1 500～1 510 nm附近的性能劣化在2 dB左右，而當波長低于1 500 nm后，性能出現了迅速下降。

圖3 S和C波段性能對比測試結果Figure 3 Experimental results of S and C bands for performance comparison

由于實驗所用IQ調制器和相干接收機都是適用于C波段的，因此當其工作在S波段時，在器件帶寬和響應方面都存在一定劣化。實驗還針對S波段對IQ調制器偏置電壓和接收端數字信號處理部分的參數進行了優化，但性能改善并不明顯。因此進一步對相干接收機進行了測試，發現90 °混頻器的輸出平衡性在S波段存在明顯差異。90 °混頻器的輸出包含4對端口，理論上每一對端口中的兩路光信號功率應基本一致，否則會影響后續平衡探測器抑制共模信號的作用。實驗以這4對端口光功率偏差的絕對值之和作為判斷其平衡性的依據，測試了1 450～1 640 nm波長的功率平衡性，波長覆蓋S、C和L波段。測試結果如圖4所示，由圖可知，在改善前，90 °混頻器僅在1 510～1 600 nm之間保持了較好的輸出平衡性，而在超出該波長范圍之后，其平衡性呈現了明顯劣化趨勢，隨著波長的偏離，平衡性越來越差。

圖4 90 °混頻器輸出平衡性測試結果Figure 4 Measured output balance of 90 ° hybrid

該測試結果與前述S和C波段性能對比測試結果相吻合，波長從1 500 nm開始迅速劣化。針對以上問題對90 °混頻器進行了優化，改善了在中心波長兩端的平衡性。由圖4改善后的測試曲線可知，改善后的混頻器在1 450～1 610 nm之間的響應保持平坦，僅在1 640 nm附近略有劣化，其性能可以覆蓋S、C和L波段的傳輸需求。

3 S、C和L波段大容量光傳輸系統實驗

在S波段性能測試及改善的基礎上，搭建實驗平臺對S、C和L波段光傳輸系統展開研究，傳輸系統的實驗結構如圖5所示。在發射端，測試信道光源由S、C和L各波段激光器產生，由于S波段光源功率較小，因此使用1個SOA(增益范圍1 450～1 600 nm)進行放大，并增加偏振控制器保持偏振態。另外，受限于只有1個S波段光源，因此使用了50∶50耦合器，將50%的光源用于接收端本振。調制信號由AWG(采樣率92 GSa/s)產生，通過射頻放大器驅動IQ調制器產生高速單載波光信號。輸出信號放大后經過1個VOA，最終通過4∶1耦合器與填充信道完成合波。

圖5 S、C和L波段傳輸系統實驗結構框圖Figure 5 Experimental setup of S, C and L bands transmission system

在填充信道發送端，各波段光信號通過放大自發輻射(Amplified Spontaneous Emission，ASE)光源與對應波段的WSS來產生，信道柵格50 GHz。測試信道和填充信道通過4∶1耦合器合波后，進入48 km的G.652.D光纖進行傳輸。在測試過程中，通過調節對應波段的WSS來預留測試信道的柵格；同時，調節VOA使測試信道與被替換的填充信道光功率相同。

在信號接收端，接收光信號首先經過對應波段的放大器進行放大，然后通過光濾波器濾出測試信道，再由對應波段的放大器進行放大。由于TDFA數量不足，S波段信號使用了SOA進行放大。放大后的光信號經過一個偏振控制器后，在相干接收機中完成接收。相干接收機的輸出電信號經示波器(采樣率80 GSa/s，模擬帶寬36 GHz)采樣后在電腦中進行離線處理。

在光纖鏈路的輸入端，測試信道與填充信道合波之后的總發射功率約為22 dBm，該系統傳輸的S、C和L波段一共包含340個信道，信道柵格50 GHz，其中S波段1 465.5～1 520.5 nm，包含148個信道；C波段1 527.6～1 567.5 nm, 包含100個信道；L波段1 570.0～1 608.8 nm，包含92個信道。系統鏈路發送端和接收端的光譜如圖6所示。

圖6 S、C和L波段系統傳輸信號光譜Figure 6 Spectrum of S, C and L bands transmission systems

接下來通過實驗對不同波段內信道的傳輸性能分別進行評估，測試采用PDM-16QAM調制格式，波特率為45 GBaud，在接收端將示波器采樣信號經電腦離線處理后，計算出誤碼率，測試結果如圖7所示。

圖7 S、C和L波段傳輸性能測試Figure 7 Experimental results of S, C and L bands transmission

結果表明，C和L波段傳輸性能要明顯好于S波段，S波段受限于放大器增益、光纖固有衰減以及收發端光電器件的性能，性能要明顯低于C和L波段，估算該系統總的傳輸速率可以達到122.4 Tbit/s。由于各波段的原始誤碼率均低于3.8×10-3的前向糾錯(Forward Error Correction，FEC)門限，經過糾錯解碼后可實現無誤碼傳輸。

4 結束語

基于全波段的光傳輸系統被認為是有效提升光通信傳輸容量的方法之一，本文介紹了當前全波段傳輸技術的研究現狀，比較分析了近年來業界在全波段傳輸領域取得的一些進展。相比其他波段，S波段性能與C和L波段差距較小，但在調制器、放大器和接收機等方面還存在進一步優化的空間。在全波段的傳輸系統中，為了實現頻譜資源利用率的最大化，根據各波段性能差異采用多種調制格式可以進一步提升傳輸總容量。同時，針對全波段光纖傳輸信道中各頻段的性能差異，通過優化系統參數配置，結合數字信號處理技術，建立全波段光傳輸系統損傷的光電協同信道均衡算法體系，有望實現系統整體性能的進一步優化。本文詳細介紹了基于S、C和L波段開展的一系列測試，比較了S與C波段的性能差異并進行了針對性的改善，通過搭建實驗平臺對S、C和L波段大容量傳輸系統進行了測試，最終基于48 km的G.652.D光纖實現了340個信道、信道柵格50 GHz、單信道傳輸速率為360 Gbit/s、總容量為122.4 Tbit/s的PDM-16QAM信號多波段(S+C+L波段)的光傳輸系統實驗，下一步可根據信道條件引入信道匹配的調制方式來進一步提升系統容量。