光全重实验室实现150.27 Tb/s总容量的150km传输系统

光全重实验室罗鸣团队：基于集中式放大器的156路波分复用通道总容量150.27 Tb/s的150 km S+C+L波段传输系统

  01研究背景

  随着边缘计算、人工智能和数据中心服务等新兴互联网技术的迅猛发展,全球通信容量需求不断增长,这为光传输系统带来了挑战。高光带宽的密集型波分复用(DWDM)相干光传输系统是一种有效的应对手段,可满足日益增长的通信容量需求。光通信技术和网络全国重点实验室联合中国移动研究院、国家信息光电子创新中心、烽火通信和鹏城实验室设计了三个波段上的156路波分复用通道的传输实验，在150 km的标准单模光纤上使用集中式放大器实现了总容量为150.27 Tb/s的传输，该工作以“150.27-Tb/s Capacity over 150-km in S+C+L Band Using 156-Channel 115-GBaud Signals with Doped Fiber Amplification”发表在Optical Fiber Communication Conference 2024上（编号 Tu3E.2）。

  02技术突破

  相较于常见的波分复用相干光传输实验，本工作在超高单波速率、使用集中式放大、高光带宽三个方面呈现出亮点。

  超高单波速率方面：在实际波分复用系统中，每个信道需要一套成本较高的收发机。因此波分复用系统朝着信道数减少而单波速率提升，信号波特率提升的趋势发展。本文采用115GBaud信号，在C波段、L波段达到了单通道速率超过1 Tb/s的国际领先水平。然而，实现高单波速率也面临挑战：一方面，会受到调制器、接收机等光器件电带宽的限制；另一方面，受到奈奎斯特采样定理的约束，ADC、DAC等器件的带宽也限制了信号波特率的上限。

  集中式放大方面：集中式放大是指光信号的放大集中在一段波导材料中的放大方式；而分布式放大是通过拉曼散射等原理将光信号在链路传输过程中放大的方式。相较于分布式放大，集中式放大的维护成本较低，更受运营商青睐。本实验在光纤传输链路中仅使用集中式放大器进行放大，这是单波Tb/s级S+C+L三波段传输实验中首次利用完全集中式放大方式进行链路中继。

  高光带宽方面：在波分复用传输系统中，光带宽越高，所能容纳的通道数就越多，传输容量越大。本工作每个通道所占光带宽为125GHz，S波段60个通道（7.5THz光带宽），C波段48个通道（6THz光带宽），L波段48个通道（6THz光带宽），使用的光带宽总计19.5THz，处于行业领先水平。限制光带宽的一个重要因素在于放大器的增益范围，本工作使用了武汉光迅科技股份有限公司开发的EDFA（掺铒光纤放大器）。其中C波段EDFA增益带宽可达6THz，噪声指数低于5.8；L波段EDFA增益带宽可达6THz，噪声指数低于8.5。

  03本文工作

  图1所示为系统的实验设置图。该传输系统的发射端由一个位置可以移动的测试信道和155路（60+48+48-1）填充信道组成。填充信道由被放大的自发辐射和对应波段的光选择开关产生；测试信道由115GBaud电信号通过调制器加载到光载波上形成。测试信道和填充信道通过对应波段的光选择开关合并到一起，S/C/L三个波段的光再通过波分复用器耦合起来。三个波段的光同时输入传输链路中。链路由两跨75 km的G654.E光纤和放大器件组成。经过75 km的传输，使用波分解复用器解耦合，分别使用掺杂光纤放大器放大（C波段和L波段使用掺铒光纤放大器，S波段使用掺铥光纤放大器）对应波段的光，再使用波分复用器耦合三个波段。在系统接收端，测试信道被可调节波长的光滤波器从填充信道中分离出来。信号与本振光同时输入至光调制分析仪（高带宽相干接收机），转换出的电信号由高速示波器采集并存储。最终再使用离线数字信号处理算法恢复原始数据并计算传输速率与误码率。本工作使用了先进的概率星座整形调制方式（图2所示）。该方式能使信道的传输速率更接近于理论极限。经测试，S波段的总容量为46.29 Tb/s，C波段的总容量为53.06 Tb/s，L波段的总容量为50.92 Tb/s。

图1 （a）传输系统的实验设置(从左到右依次为发射端，传输链路和接收端)；

（b）S+C+L三个波段的光谱，蓝线为发端光谱（点B），橙线为收端光谱（点A）

图2 各通道传输速率汇总（使用概率星座整形的调制方式，星座图分布集中在中心）

  04观点评述

  本工作实现了总容量为150.27 Tb/s，传输距离为150km的传输系统。传输信号的波特率高达115GBaud，C波段和L波段的单波速率超过1 Tb/s。该传输系统所占光带宽为19.5THz，频谱效率为7.71 b/s/Hz。随着其他通信窗口（O波段、E波段、U波段）器件的逐渐成熟，系统的光带宽和容量有望进一步提升。然而，传输波段的扩展会加剧光纤信道的非线性损伤，功率转移导致的信道功率均衡问题也不容忽视。相干传输中的器件也正向着更高电带宽演进，随着器件的完善，器件带宽不足而造成的频谱效率降低也将缓解。未来大容量传输系统仍将朝着更高光带宽、更高单波速率发展，以满足日益增长的通信容量需求。

  论文信息：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（对本工作贡献相同）

  完成单位：中国信科集团光通信技术和网络全国重点实验室，中国移动研究院，国家信息光电子创新中心，烽火通信科技股份有限公司，鹏城实验室