光全重實驗室實現(xiàn)150.27 Tb/s總容量的150km傳輸系統(tǒng)

光全重實驗室羅鳴團隊：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(tǒng)

  01研究背景

  隨著邊緣計算、人工智能和數(shù)據(jù)中心服務等新興互聯(lián)網(wǎng)技術的迅猛發(fā)展,全球通信容量需求不斷增長,這為光傳輸系統(tǒng)帶來了挑戰(zhàn)。高光帶寬的密集型波分復用(DWDM)相干光傳輸系統(tǒng)是一種有效的應對手段,可滿足日益增長的通信容量需求。光通信技術和網(wǎng)絡全國重點實驗室聯(lián)合中國移動研究院、國家信息光電子創(chuàng)新中心、烽火通信和鵬城實驗室設計了三個波段上的156路波分復用通道的傳輸實驗，在150 km的標準單模光纖上使用集中式放大器實現(xiàn)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技術突破

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

  超高單波速率方面：在實際波分復用系統(tǒng)中，每個信道需要一套成本較高的收發(fā)機。因此波分復用系統(tǒng)朝著信道數(shù)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1 Tb/s的國際領先水平。然而，實現(xiàn)高單波速率也面臨挑戰(zhàn)：一方面，會受到調(diào)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拉曼散射等原理將光信號在鏈路傳輸過程中放大的方式。相較于分布式放大，集中式放大的維護成本較低，更受運營商青睞。本實驗在光纖傳輸鏈路中僅使用集中式放大器進行放大，這是單波Tb/s級S+C+L三波段傳輸實驗中首次利用完全集中式放大方式進行鏈路中繼。

  高光帶寬方面：在波分復用傳輸系統(tǒng)中，光帶寬越高，所能容納的通道數(shù)就越多，傳輸容量越大。本工作每個通道所占光帶寬為125GHz，S波段60個通道（7.5THz光帶寬），C波段48個通道（6THz光帶寬），L波段48個通道（6THz光帶寬），使用的光帶寬總計19.5THz，處于行業(yè)領先水平。限制光帶寬的一個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(shù)低于5.8；L波段EDFA增益帶寬可達6THz，噪聲指數(shù)低于8.5。

  03本文工作

  圖1所示為系統(tǒng)的實驗設置圖。該傳輸系統(tǒng)的發(fā)射端由一個位置可以移動的測試信道和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關產(chǎn)生；測試信道由115GBaud電信號通過調(diào)制器加載到光載波上形成。測試信道和填充信道通過對應波段的光選擇開關合并到一起，S/C/L三個波段的光再通過波分復用器耦合起來。三個波段的光同時輸入傳輸鏈路中。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波段。在系統(tǒng)接收端，測試信道被可調(diào)節(jié)波長的光濾波器從填充信道中分離出來。信號與本振光同時輸入至光調(diào)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。最終再使用離線數(shù)字信號處理算法恢復原始數(shù)據(jù)并計算傳輸速率與誤碼率。本工作使用了先進的概率星座整形調(diào)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(tǒng)的實驗設置(從左到右依次為發(fā)射端，傳輸鏈路和接收端)；

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

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

  04觀點評述

  本工作實現(xiàn)了總容量為150.27 Tb/s，傳輸距離為150km的傳輸系統(tǒng)。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1 Tb/s。該傳輸系統(tǒng)所占光帶寬為19.5THz，頻譜效率為7.71 b/s/Hz。隨著其他通信窗口（O波段、E波段、U波段）器件的逐漸成熟，系統(tǒng)的光帶寬和容量有望進一步提升。然而，傳輸波段的擴展會加劇光纖信道的非線性損傷，功率轉移導致的信道功率均衡問題也不容忽視。相干傳輸中的器件也正向著更高電帶寬演進，隨著器件的完善，器件帶寬不足而造成的頻譜效率降低也將緩解。未來大容量傳輸系統(tǒng)仍將朝著更高光帶寬、更高單波速率發(fā)展，以滿足日益增長的通信容量需求。

  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和網(wǎng)絡全國重點實驗室，中國移動研究院，國家信息光電子創(chuàng)新中心，烽火通信科技股份有限公司，鵬城實驗室