光全重實(shí)驗室實(shí)現150.27 Tb/s總容量的150km傳輸系統

光全重實(shí)驗室羅鳴團隊：基于集中式放大器的156路波分復用通道總容量150.27 Tb/s的150 km S+C+L波段傳輸系統

  01研究背景

  隨著(zhù)邊緣計算、人工智能和數據中心服務(wù)等新興互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的迅猛發(fā)展,全球通信容量需求不斷增長(cháng),這為光傳輸系統帶來(lái)了挑戰。高光帶寬的密集型波分復用(DWDM)相干光傳輸系統是一種有效的應對手段,可滿(mǎn)足日益增長(cháng)的通信容量需求。光通信技術(shù)和網(wǎng)絡(luò )全國重點(diǎn)實(shí)驗室聯(lián)合中國移動(dòng)研究院、國家信息光電子創(chuàng )新中心、烽火通信和鵬城實(shí)驗室設計了三個(gè)波段上的156路波分復用通道的傳輸實(shí)驗，在150 km的標準單模光纖上使用集中式放大器實(shí)現了總容量為150.27 Tb/s的傳輸，該工作以“150.27-Tb/s Capacity over 150-km in S+C+L Band Using 156-Channel 115-GBaud Signals with Doped Fiber Amplification”發(fā)表在Optical Fiber Communication Conference 2024上（編號 Tu3E.2）。

  02技術(shù)突破

  相較于常見(jiàn)的波分復用相干光傳輸實(shí)驗，本工作在超高單波速率、使用集中式放大、高光帶寬三個(gè)方面呈現出亮點(diǎn)。

  超高單波速率方面：在實(shí)際波分復用系統中，每個(gè)信道需要一套成本較高的收發(fā)機。因此波分復用系統朝著(zhù)信道數減少而單波速率提升，信號波特率提升的趨勢發(fā)展。本文采用115GBaud信號，在C波段、L波段達到了單通道速率超過(guò)1 Tb/s的國際領(lǐng)先水平。然而，實(shí)現高單波速率也面臨挑戰：一方面，會(huì )受到調制器、接收機等光器件電帶寬的限制；另一方面，受到奈奎斯特采樣定理的約束，ADC、DAC等器件的帶寬也限制了信號波特率的上限。

  集中式放大方面：集中式放大是指光信號的放大集中在一段波導材料中的放大方式；而分布式放大是通過(guò)拉曼散射等原理將光信號在鏈路傳輸過(guò)程中放大的方式。相較于分布式放大，集中式放大的維護成本較低，更受運營(yíng)商青睞。本實(shí)驗在光纖傳輸鏈路中僅使用集中式放大器進(jìn)行放大，這是單波Tb/s級S+C+L三波段傳輸實(shí)驗中首次利用完全集中式放大方式進(jìn)行鏈路中繼。

  高光帶寬方面：在波分復用傳輸系統中，光帶寬越高，所能容納的通道數就越多，傳輸容量越大。本工作每個(gè)通道所占光帶寬為125GHz，S波段60個(gè)通道（7.5THz光帶寬），C波段48個(gè)通道（6THz光帶寬），L波段48個(gè)通道（6THz光帶寬），使用的光帶寬總計19.5THz，處于行業(yè)領(lǐng)先水平。限制光帶寬的一個(gè)重要因素在于放大器的增益范圍，本工作使用了武漢光迅科技股份有限公司開(kāi)發(fā)的EDFA（摻鉺光纖放大器）。其中C波段EDFA增益帶寬可達6THz，噪聲指數低于5.8；L波段EDFA增益帶寬可達6THz，噪聲指數低于8.5。

  03本文工作

  圖1所示為系統的實(shí)驗設置圖。該傳輸系統的發(fā)射端由一個(gè)位置可以移動(dòng)的測試信道和155路（60+48+48-1）填充信道組成。填充信道由被放大的自發(fā)輻射和對應波段的光選擇開(kāi)關(guān)產(chǎn)生；測試信道由115GBaud電信號通過(guò)調制器加載到光載波上形成。測試信道和填充信道通過(guò)對應波段的光選擇開(kāi)關(guān)合并到一起，S/C/L三個(gè)波段的光再通過(guò)波分復用器耦合起來(lái)。三個(gè)波段的光同時(shí)輸入傳輸鏈路中。鏈路由兩跨75 km的G654.E光纖和放大器件組成。經(jīng)過(guò)75 km的傳輸，使用波分解復用器解耦合，分別使用摻雜光纖放大器放大（C波段和L波段使用摻鉺光纖放大器，S波段使用摻銩光纖放大器）對應波段的光，再使用波分復用器耦合三個(gè)波段。在系統接收端，測試信道被可調節波長(cháng)的光濾波器從填充信道中分離出來(lái)。信號與本振光同時(shí)輸入至光調制分析儀（高帶寬相干接收機），轉換出的電信號由高速示波器采集并存儲。最終再使用離線(xiàn)數字信號處理算法恢復原始數據并計算傳輸速率與誤碼率。本工作使用了先進(jìn)的概率星座整形調制方式（圖2所示）。該方式能使信道的傳輸速率更接近于理論極限。經(jīng)測試，S波段的總容量為46.29 Tb/s，C波段的總容量為53.06 Tb/s，L波段的總容量為50.92 Tb/s。

圖1 （a）傳輸系統的實(shí)驗設置(從左到右依次為發(fā)射端，傳輸鏈路和接收端)；

（b）S+C+L三個(gè)波段的光譜，藍線(xiàn)為發(fā)端光譜（點(diǎn)B），橙線(xiàn)為收端光譜（點(diǎn)A）

圖2 各通道傳輸速率匯總（使用概率星座整形的調制方式，星座圖分布集中在中心）

  04觀(guān)點(diǎn)評述

  本工作實(shí)現了總容量為150.27 Tb/s，傳輸距離為150km的傳輸系統。傳輸信號的波特率高達115GBaud，C波段和L波段的單波速率超過(guò)1 Tb/s。該傳輸系統所占光帶寬為19.5THz，頻譜效率為7.71 b/s/Hz。隨著(zhù)其他通信窗口（O波段、E波段、U波段）器件的逐漸成熟，系統的光帶寬和容量有望進(jìn)一步提升。然而，傳輸波段的擴展會(huì )加劇光纖信道的非線(xiàn)性損傷，功率轉移導致的信道功率均衡問(wèn)題也不容忽視。相干傳輸中的器件也正向著(zhù)更高電帶寬演進(jìn)，隨著(zhù)器件的完善，器件帶寬不足而造成的頻譜效率降低也將緩解。未來(lái)大容量傳輸系統仍將朝著(zhù)更高光帶寬、更高單波速率發(fā)展，以滿(mǎn)足日益增長(cháng)的通信容量需求。

  論文信息：150.27-Tb/s Capacity over 150-km in S+C+L Band Using 156-Channel 115-GBaud Signals with Doped Fiber Amplification

  作 者：Qingyu He?，Dawei Ge?, Ming Luo, Xu Zhang, Liang Mei, Ping Du, Dong Wang, Hongguang Zhang, Dezhao Zhang, Han Li, Xi Xiao（對本工作貢獻相同）

  完成單位：中國信科集團光通信技術(shù)和網(wǎng)絡(luò )全國重點(diǎn)實(shí)驗室，中國移動(dòng)研究院，國家信息光電子創(chuàng )新中心，烽火通信科技股份有限公司，鵬城實(shí)驗室