多波段大容量光传输系统研究

张 旭，罗 鸣，杨 超，贺志学

(1.中国信息通信科技集团有限公司 a.光纤通信技术和网络国家重点实验室；b.国家信息光电子创新中心，武汉 430074； 2.鹏城实验室，广东 深圳 518000)

0 引 言

为应对日益增长的互联网流量需求，发展全波段光传输技术被认为是缓解信息传递承载带宽瓶颈问题的主要途径之一。传统的C和L波段波长范围为1 530～1 625 nm，而全波段波长范围可达1 260～1 675 nm[1]，极大地拓展了传输信道的带宽，可以最大化现有单模光纤光通信系统的整体容量。根据2020年都灵理工大学针对G.652.D光纤传输能力的一项评估，利用O、E、S、C和L这5个波段365 nm带宽，理论上50 km单纤传输容量可达450 Tbit/s，600 km单纤传输容量可达220 Tbit/s[2]。

然而在全波段范围内，由于不同波长在光纤、收发端器件和光放大器等方面的性能不同，导致各个波段之间的传输性能差距较大，甚至同一波段内不同波长之间的性能差距也比较大。同时，波长信道数的增加会加剧包括受激拉曼散射等在内的光纤非线性效应，造成信道质量的进一步劣化。对全波段光传输展开系统性的研究，解决系统中因传输波段扩展所导致的各种问题，充分挖掘现有光纤网络的传输潜力，对解决大容量光通信网络中的瓶颈问题具有十分重要的意义。本文通过对当前全波段光传输技术的研究现状进行全面的分析和探讨，重点开展了对S、C和L波段性能差异的实验分析研究，针对各波段的性能差异，采用现有常规器件，完成了波长范围覆盖S、C和L，容量可达到122.4 Tbit/s的偏振复用(Polarization Division Multiplexed，PDM)16进制正交幅度调制(Quadrature Amplitude Modulation，QAM)信号40 km光传输系统实验。

1 全波段光传输技术研究现状

业界关于全波段光传输技术的研究可以追溯到20多年前，以直调直检(Intensity Modulation-Direct Detection， IM-DD)为主的光通信网络，基于波分复用(Wavelength Division Multiplexing, WDM)技术实现了传输容量的大规模扩展，同时期在C和L波段的基础上进一步引入S波段的研究开始出现[3-5]。然而随着相干光通信技术的成熟，基于C和L波段的光通信系统不论是在传输带宽上还是在距离上都取得了迅速发展[6-8]，业界对于扩展波段光传输技术的研究逐渐减少。直到最近几年，随着大数据和云计算等互联网新兴业务的快速发展，光通信系统出现了容量瓶颈问题，关于全波段光传输技术的研究又再次兴起。

目前业界关于全波段光传输系统的研究成果主要来自于国外的一些研究机构，普遍采用了S、C和L波段，系统传输容量达到了100 Tbit/s以上。2017年，诺基亚贝尔实验室采用S、C和L波段(1 507.63～1 608.33 nm)进行实验，实现了250个信道(信道栅格50 GHz)的传输。实验使用概率整形(Probabilistic Shaping，PS)64QAM格式(波特率为49 GBaud)，通过掺铒光纤放大器(Erbium Doped Fiber Amplifier, EDFA)和超宽带半导体光放大器(Semiconductor Optical Amplifier, SOA)分别对C、L和S波段进行放大。其中SOA的增益带宽覆盖了1 508～1 611 nm，增益可达16.5～19.8 dB，噪声系数则维持在5.5～8.0 dB之间。实验基于大有效面积纯硅芯光纤进行，传输距离为100 km，传输总容量为115.9 Tbit/s[9]。

2018年日本电报电话(Nippon Telegraph & Telephone，NTT)公司基于S、C和L波段(1 478.267～1 512.957 nm)进行实验，使用272个信道(信道栅格50 GHz)，加载PDM-128QAM信号(波特率为45 GBaud)，分别采用掺铥光纤放大器(Thulium Doped Fiber Amplifier，TDFA)对S波段进行放大，EDFA对C和L波段进行放大。实验基于标准单模光纤进行，实现了40 km的传输，总容量为150.3 Tbit/s[10]。

2019年诺基亚贝尔实验室采用S、C和L波段(1 515～1 618 nm)进行实验，使用了254个信道(信道栅格50 GHz)，信号调制格式为PS-64QAM(波特率为49 GBaud)，通过超宽带SOA和拉曼放大器对信号进行混合放大。实验基于标准单模光纤进行，每100 km一个跨段，通过超宽带波长选择开关(Wavelength Selective Switch, WSS)平衡各波段性能，最终在300 km链路中实现了107 Tbit/s的传输[11]。

2020年NTT公司采用O、E、S、C和L波段(系统总带宽达到了173.83 nm)进行实验，共使用625个信道(信道栅格37.5 GHz)。实验根据不同波段之间的性能差异，在O和E波段使用正交相移键控(Quadrature Phase Shift Keying，QPSK)调制格式，S、C和L波段使用16QAM(波特率均为32 GBaud)。在放大器方面，O波段采用掺镨光纤放大器(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。实验最终在60 km的标准单模光纤中实现了106.77 Tbit/s的传输[12]。

2020年伦敦学院大学基于S、C和L波段(1 484.86～1 619.67 nm)进行实验，使用660个信道(信道栅格25 GHz)，根据信噪比(Signal Noise Ratio, SNR)优劣为各信道差异化地分配了几何整形(Geometrically Shaping，GS) 1 024QAM(GS-1 024QAM)、GS-256QAM或GS-64QAM 3种不同的调制格式(波特率均为25 GBaud)，并通过TDFA、EDFA和拉曼放大器分别进行放大，最终在40 km超低损耗光纤中实现了178.08 Tbit/s的传输[13]。

2021年日本情报通信研究机构(National Institute of Information and Communications Technology，NICT)基于S、C和L波段(1 481.92～1 620.06 nm)进行实验，使用了690个信道(信道栅格25 GHz)，采用双偏振(Dual Polarization，DP)256QAM作为调制格式(波特率为24.5 GBaud)，通过EDFA、TDFA和拉曼放大器对光信号进行放大，总的入纤功率为20 dBm，同时在收端通过环行器将拉曼泵浦光接入光纤，最终在54 km标准单模光纤中实现了190.1 Tbit/s的传输[14]。

截至2021年，全波段光传输系统方面的研究统计如表1所示，总的来看，目前业界研究方向主要集中在S、C和L波段，传输容量最高可以达到190.10 Tbit/s(日本NICT)，而O、E、S、C和L波段传输的研究还比较少，目前做到的最高速率为106.70 Tbit/s(日本NTT)。其中所涉及的问题主要在于，当系统将传输信道扩展到O、E和S波段时，不仅光纤损耗更高，所使用的收发端光电器件性能也会有明显的下降，而且光放大器的增益和噪声等性能相比C和L波段还有所欠缺，另外不同波段之间的受激拉曼散射(Stimulated Raman Scattering, SRS)还会导致能量转移及信道串扰，因此需要对以上问题进行优化，并根据各信道情况采用不同的调制格式。NTT在S、C和L波段使用了16QAM，O和E波段使用了QPSK。而在其他关于S、C和L波段的实验研究中大都采用了64QAM以上的高阶调制格式。同时，业界相关研究集中在中短距离方向，主要面向数据中心和城域网等大容量传输场景。在现阶段针对S、C和L波段的研究中，针对S波段，可以通过优化发送端同相正交(In-phase Quadrature，IQ)调制器偏置电压以及接收端相干接收机光混频器的性能以提升整体传输性能。

表1 全波段光传输系统研究统计

2 S波段性能测试

在基于S、C和L波段的传输系统中，S波段无论是在光纤还是收发端器件性能方面都存在一定程度的劣化，因此在开展系统实验之前，需要针对S波段进行测试，以验证相关器件在S波段光传输方面的性能，进而对出现问题的地方进行优化，从而保证S、C和L波段传输系统的整体性能。

研究基于规模商业应用的G.652.D光纤进行，首先对S和C波段的光纤损耗进行了实际测试，结果如图1所示。相比C波段，S波段尤其是在短波长方向的损耗呈现了明显的上升趋势，其损耗最大值相比C波段最小值增加了约0.055 dB/km。

图1 G.652.D光纤中S和C波段的损耗Figure 1 Propagation loss of S and C band in G.652.D fiber

此外，在收发端器件和放大器性能上，S波段与C波段也存在较大的差别，通过背对背实验环境以自零差相干接收的方式来对比S与C波段的性能。实验框图如图2所示，发送端光源先后经过光放大器和偏振控制器来产生偏振态稳定的高功率光信号，然后经过偏振分束器产生两路偏振光，一路偏振光用于功率监测，另一路用于后续测试。测试信号再经过50∶50耦合器一分为二，两路输出光分别作为信号光源和本振光源。在信号光输出端，由任意波形发生器(Arbitrary Waveform Generator, AWG)(采样率92 GSa/s)产生64 GBaud的PDM-16QAM信号，通过射频放大器驱动IQ调制器产生400 Gbit/s单载波光信号。调制器输出的光信号经过可调衰减器(Variable Optical Attenuator, VOA)，由SOA进行放大后，接95:5耦合器，5%的光信号接光谱仪监测光谱，95%的光信号由相干接收机进行接收，其输出电信号经示波器采样后(采样率80 GSa/s，模拟带宽36 GHz)在电脑中进行离线处理。实验中S和C波段除了光源和发送端放大器以外,其他设备都相同。

图2 S与C波段性能对比测试实验框图Figure 2 Experimental setup of S and C bands for performance comparison

在本实验中,当波长低于1 495 nm以下时信号无法恢复，因此测试过程中主要对比了1 550、1 510、1 500和1 495 nm 4个波长，光信噪比(Optical Signal Noise Ratio, OSNR)与误码率关系的测试结果如图3所示。与C波段1 550 nm相比，S波段性能确实存在明显下降，且波长越短性能越差。在误码率1×10-3处，波长1 500～1 510 nm附近的性能劣化在2 dB左右，而当波长低于1 500 nm后，性能出现了迅速下降。

图3 S和C波段性能对比测试结果Figure 3 Experimental results of S and C bands for performance comparison

由于实验所用IQ调制器和相干接收机都是适用于C波段的，因此当其工作在S波段时，在器件带宽和响应方面都存在一定劣化。实验还针对S波段对IQ调制器偏置电压和接收端数字信号处理部分的参数进行了优化，但性能改善并不明显。因此进一步对相干接收机进行了测试，发现90 °混频器的输出平衡性在S波段存在明显差异。90 °混频器的输出包含4对端口，理论上每一对端口中的两路光信号功率应基本一致，否则会影响后续平衡探测器抑制共模信号的作用。实验以这4对端口光功率偏差的绝对值之和作为判断其平衡性的依据，测试了1 450～1 640 nm波长的功率平衡性，波长覆盖S、C和L波段。测试结果如图4所示，由图可知，在改善前，90 °混频器仅在1 510～1 600 nm之间保持了较好的输出平衡性，而在超出该波长范围之后，其平衡性呈现了明显劣化趋势，随着波长的偏离，平衡性越来越差。

图4 90 °混频器输出平衡性测试结果Figure 4 Measured output balance of 90 ° hybrid

该测试结果与前述S和C波段性能对比测试结果相吻合，波长从1 500 nm开始迅速劣化。针对以上问题对90 °混频器进行了优化，改善了在中心波长两端的平衡性。由图4改善后的测试曲线可知，改善后的混频器在1 450～1 610 nm之间的响应保持平坦，仅在1 640 nm附近略有劣化，其性能可以覆盖S、C和L波段的传输需求。

3 S、C和L波段大容量光传输系统实验

在S波段性能测试及改善的基础上，搭建实验平台对S、C和L波段光传输系统展开研究，传输系统的实验结构如图5所示。在发射端，测试信道光源由S、C和L各波段激光器产生，由于S波段光源功率较小，因此使用1个SOA(增益范围1 450～1 600 nm)进行放大，并增加偏振控制器保持偏振态。另外，受限于只有1个S波段光源，因此使用了50∶50耦合器，将50%的光源用于接收端本振。调制信号由AWG(采样率92 GSa/s)产生，通过射频放大器驱动IQ调制器产生高速单载波光信号。输出信号放大后经过1个VOA，最终通过4∶1耦合器与填充信道完成合波。

图5 S、C和L波段传输系统实验结构框图Figure 5 Experimental setup of S, C and L bands transmission system

在填充信道发送端，各波段光信号通过放大自发辐射(Amplified Spontaneous Emission，ASE)光源与对应波段的WSS来产生，信道栅格50 GHz。测试信道和填充信道通过4∶1耦合器合波后，进入48 km的G.652.D光纤进行传输。在测试过程中，通过调节对应波段的WSS来预留测试信道的栅格；同时，调节VOA使测试信道与被替换的填充信道光功率相同。

在信号接收端，接收光信号首先经过对应波段的放大器进行放大，然后通过光滤波器滤出测试信道，再由对应波段的放大器进行放大。由于TDFA数量不足，S波段信号使用了SOA进行放大。放大后的光信号经过一个偏振控制器后，在相干接收机中完成接收。相干接收机的输出电信号经示波器(采样率80 GSa/s，模拟带宽36 GHz)采样后在电脑中进行离线处理。

在光纤链路的输入端，测试信道与填充信道合波之后的总发射功率约为22 dBm，该系统传输的S、C和L波段一共包含340个信道，信道栅格50 GHz，其中S波段1 465.5～1 520.5 nm，包含148个信道；C波段1 527.6～1 567.5 nm, 包含100个信道；L波段1 570.0～1 608.8 nm，包含92个信道。系统链路发送端和接收端的光谱如图6所示。

图6 S、C和L波段系统传输信号光谱Figure 6 Spectrum of S, C and L bands transmission systems

接下来通过实验对不同波段内信道的传输性能分别进行评估，测试采用PDM-16QAM调制格式，波特率为45 GBaud，在接收端将示波器采样信号经电脑离线处理后，计算出误码率，测试结果如图7所示。

图7 S、C和L波段传输性能测试Figure 7 Experimental results of S, C and L bands transmission

结果表明，C和L波段传输性能要明显好于S波段，S波段受限于放大器增益、光纤固有衰减以及收发端光电器件的性能，性能要明显低于C和L波段，估算该系统总的传输速率可以达到122.4 Tbit/s。由于各波段的原始误码率均低于3.8×10-3的前向纠错(Forward Error Correction，FEC)门限，经过纠错解码后可实现无误码传输。

4 结束语

基于全波段的光传输系统被认为是有效提升光通信传输容量的方法之一，本文介绍了当前全波段传输技术的研究现状，比较分析了近年来业界在全波段传输领域取得的一些进展。相比其他波段，S波段性能与C和L波段差距较小，但在调制器、放大器和接收机等方面还存在进一步优化的空间。在全波段的传输系统中，为了实现频谱资源利用率的最大化，根据各波段性能差异采用多种调制格式可以进一步提升传输总容量。同时，针对全波段光纤传输信道中各频段的性能差异，通过优化系统参数配置，结合数字信号处理技术，建立全波段光传输系统损伤的光电协同信道均衡算法体系，有望实现系统整体性能的进一步优化。本文详细介绍了基于S、C和L波段开展的一系列测试，比较了S与C波段的性能差异并进行了针对性的改善，通过搭建实验平台对S、C和L波段大容量传输系统进行了测试，最终基于48 km的G.652.D光纤实现了340个信道、信道栅格50 GHz、单信道传输速率为360 Gbit/s、总容量为122.4 Tbit/s的PDM-16QAM信号多波段(S+C+L波段)的光传输系统实验，下一步可根据信道条件引入信道匹配的调制方式来进一步提升系统容量。