張勇生，張 林，吳劍軍

(1. 國(guó)網(wǎng)內(nèi)蒙古東部電力有限公司信息通信分公司，呼和浩特 012000； 2. 國(guó)網(wǎng)內(nèi)蒙古東部電力有限公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，哈爾濱 150000； 3. 武漢光迅科技股份有限公司，武漢 430205)

0 引 言

超長(zhǎng)距無中繼傳輸系統(tǒng)由于其傳輸跨距長(zhǎng)和經(jīng)濟(jì)成本低等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用在跨洋海底通信、島嶼及電力通信網(wǎng)絡(luò)特別是特高壓電力通信系統(tǒng)中。隨著第五代移動(dòng)通信技術(shù)(5th Generation Mobile Networks, 5G)大數(shù)據(jù)時(shí)代的到來，通信系統(tǒng)傳輸容量將呈指數(shù)增長(zhǎng)，為滿足海量數(shù)據(jù)傳輸需求，復(fù)雜的編碼方式和高波特率器件不斷涌現(xiàn)，單載波傳輸速率也不斷提升，從100到400甚至600 Gbit/s，而傳輸速率的提高將對(duì)超長(zhǎng)跨距通信系統(tǒng)的傳輸距離帶來巨大挑戰(zhàn)[1-2]。這是由于單載波傳輸速率越高，接收端需要的信噪比也越高，這將使得傳輸距離大大縮短，因此提高傳輸距離對(duì)高速率超長(zhǎng)距無中繼傳輸系統(tǒng)具有重要意義。

電子和光路子系統(tǒng)是超長(zhǎng)跨距無中繼通信系統(tǒng)中最重要的兩部分，前向糾錯(cuò)(Forward Error Correction ，F(xiàn)EC)技術(shù)、數(shù)字信號(hào)處理(Digital Signal Processing，DSP)技術(shù)及性能優(yōu)越的電子子系統(tǒng)使得單波400 Gbit/s傳輸將成為下一代通信網(wǎng)絡(luò)主流的傳輸速率，據(jù)報(bào)道，目前單載波400 Gbit/s無中繼傳輸?shù)淖钸h(yuǎn)距離為482.35 km[3]。本文采用高階泵浦方式，通過優(yōu)化光路子系統(tǒng)參數(shù)，結(jié)合大有效面積光纖(G.654E)、子載波頻分多路復(fù)用(Frequency-Division Multiplexing，F(xiàn)DM)技術(shù)及遙泵放大( Remote Optically Pumped Amplifier，ROPA)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了500 km單載波400 Gbit/s速率單纖芯無中繼傳輸。

1 理論分析

高階泵浦對(duì)信號(hào)光的放大作用是拉曼放大原理，信號(hào)光和泵浦光在光纖中傳輸時(shí)，由于拉曼散射效應(yīng)，強(qiáng)功率泵浦光與光纖相互作用產(chǎn)生斯托克斯(Stokes)散射光，當(dāng)信號(hào)光波長(zhǎng)在Stokes散色光波長(zhǎng)范圍內(nèi)時(shí)，可實(shí)現(xiàn)信號(hào)光的增益放大。泵浦光只經(jīng)過一次拉曼頻移對(duì)信號(hào)光進(jìn)行放大，稱為一階拉曼放大；當(dāng)泵浦光強(qiáng)度大，使得一次頻移產(chǎn)生的Stokes散射光能量足夠高，則可產(chǎn)生二次拉曼頻移，實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)光的二階放大；當(dāng)一階泵浦光更大時(shí)，可以發(fā)生三階拉曼頻移，從而實(shí)現(xiàn)高階泵浦放大[4]。

考慮泵浦與信號(hào)之間的作用、光纖的損耗以及泵浦光自身及與信號(hào)光之間相互的作用，高階泵浦拉曼放大傳輸方程組可表示為[5]

2 400 Gbit/s無中繼超長(zhǎng)距傳輸實(shí)驗(yàn)

400 Gbit/s超長(zhǎng)跨距實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示，系統(tǒng)收發(fā)端為400 Gbit/s相干集成板卡，為了增強(qiáng)信號(hào)光在光纖中的非線性容忍度，400 Gbit/s信號(hào)業(yè)務(wù)采用概率星座整形(Probabilistic Constellation Shaping，PCS)和FDM技術(shù)[6]，調(diào)制格式和調(diào)制速率分別為16進(jìn)制偏振復(fù)用正交幅度調(diào)制(Polarization multiplexing-16 Quadrature Amplitude Modulation，PM-16QAM)和95 GBaud。400 Gbit/s相干集成板卡背靠背光信噪比(Optical Signal to Noise Ratio，OSNR)容限為16 dB，F(xiàn)EC糾前誤碼率(Pre-Bit Error Rate，Pre-BER)和品質(zhì)因子Q容限分別為4.1E-2和4.8 dB。發(fā)送端通過可調(diào)衰減器(Variable Optical Attenuator,VOA)調(diào)節(jié)信號(hào)光的入纖光功率，信號(hào)光和高階泵浦單元(High Pump Unit，HPU)產(chǎn)生的泵浦光通過波分復(fù)用器(Wavelength Division Multiplexing，WDM)合波后進(jìn)入光纖傳輸；接收端采用摻鉺光纖放大器(Erbium Doped Fiber Amplifier，EDFA)對(duì)信號(hào)光功率進(jìn)行前置功率放大，并通過帶寬為200 GHz的濾波器對(duì)EDFA產(chǎn)生的自發(fā)輻射噪聲(Amplified Spontaneous Emission，ASE)進(jìn)行濾除。實(shí)驗(yàn)采用單波波長(zhǎng)為1 560.61 nm的信號(hào)光。

注：RGU為遠(yuǎn)程增益單元。圖1 400 Gbit/s超長(zhǎng)跨距實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用前后向高階泵浦遙泵放大器對(duì)信號(hào)光進(jìn)行無中繼放大，前后向HPU均為三階泵浦，各由5個(gè)相同波長(zhǎng)泵浦激光器組成，其中一階泵浦使用1個(gè)激光器，二階和三階泵浦各使用2個(gè)激光器，一階泵浦波長(zhǎng)為1 480 nm，二階泵浦波長(zhǎng)范圍為1 420～ 1 450 nm，三階泵浦波長(zhǎng)范圍為1 320 ～ 1 360 nm；系統(tǒng)鏈路僅采用1根G.654E大有效面積光纖傳輸，并未增加任何旁路泵浦光纖，傳輸光纖由3段組成，如圖1所示，第1(L1)、第2(L2)和第3段光纖(L3)的長(zhǎng)度分別為127.82、228.60和144.76 km，其中L1和L3長(zhǎng)度的設(shè)計(jì)是通過仿真計(jì)算得出的，L2長(zhǎng)度是最終實(shí)驗(yàn)測(cè)量值。傳輸跨段總損耗隨傳輸波長(zhǎng)的變化如圖2所示，在1 560.61 nm波長(zhǎng)處總損耗為78.68 dB(501.18 km)，實(shí)驗(yàn)鏈路L1和L3采用有效面積為150(A150)和130 μm2(A130)兩種大有效面積光纖組合傳輸，L2采用A130大有效面積光纖傳輸，其中L1鏈路A150和A130光纖長(zhǎng)度分別為100.00和27.82 km；L3鏈路A150和A130光纖長(zhǎng)度分別為50.00和94.76 km。傳輸光纖的損耗系數(shù)和色散系數(shù)分別為0.157 dB/km和20.9 ps/nm/km。

圖2 傳輸跨段總損耗隨波長(zhǎng)的變化

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

由于非線性效應(yīng)，光纖中傳輸?shù)墓夤β什荒苓^強(qiáng)，這使得傳輸信號(hào)光功率受限，為提高信號(hào)光入纖光功率和高階泵浦光功率，A150光纖分別使用在L1鏈路發(fā)送端和L2鏈路接收端，通過優(yōu)化信號(hào)光入纖光功率和前后向高階泵浦功率使得系統(tǒng)傳輸性能最優(yōu)，優(yōu)化后的信號(hào)光入纖光功率為-0.68 dBm，前后向HPU功率分別為2 030和2 540 mW，到達(dá)前后向RGU殘余泵浦光分別為3.82和4.38 mW，系統(tǒng)鏈路中泵浦功率和信號(hào)光功率隨傳輸距離的變化如圖3所示，由圖可知，隨著光纖傳輸距離的增加，前向泵浦光功率逐漸減小，而信號(hào)光功率由于前向拉曼放大的作用先增大后減小，當(dāng)?shù)竭_(dá)127.8和356.4 km處信號(hào)光功率突然增大，這是由于RGU對(duì)信號(hào)光的放大作用，在接收端由于后向拉曼放大作用，信號(hào)光功率先減小后增大。

圖3 信號(hào)光和泵浦光功率隨傳輸距離的變化

為延長(zhǎng)傳輸距離提高系統(tǒng)功率預(yù)算，前后向RGU分別放置在距離發(fā)送端和接收端127.82和144.76 km處，前后向RGU選用的摻鉺光纖長(zhǎng)度分別為11和17 m，RGU增益隨泵浦功率的變化如圖4(a)所示，隨著泵浦功率的增大，RGU增益也逐漸增大直至達(dá)到飽和輸出，當(dāng)泵浦功率分別達(dá)到3.82和4.38 mW時(shí)，前后向RGU增益分別為12.2和17.2 dB；為進(jìn)一步提升系統(tǒng)傳輸性能，在系統(tǒng)末端對(duì)不同傳輸波長(zhǎng)的傳輸品質(zhì)因子Q進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，結(jié)果如圖4(b)所示，由圖可知，隨著波長(zhǎng)的增大，Q值先變大后減小，說明不同波長(zhǎng)的傳輸性能不一樣，并且在波長(zhǎng)1 560.61 nm處系統(tǒng)傳輸性能最佳。

圖4 RGU性能及不同波長(zhǎng)對(duì)400 Gbit/s系統(tǒng)的影響

實(shí)驗(yàn)發(fā)送端和接收端光譜分別如圖5(a)和(b)所示，光譜分辨率為0.1 nm，由圖可知，傳輸信號(hào)光譜由4個(gè)子載波組成，系統(tǒng)接收端OSNR為16.6 dB，與背靠背OSNR容限(16 dB)相比，經(jīng)過系統(tǒng)傳輸后信號(hào)光產(chǎn)生0.6 dB代價(jià)，用誤碼儀對(duì)客戶側(cè)業(yè)務(wù)進(jìn)行24 h連續(xù)監(jiān)測(cè)，并記錄線路側(cè)誤碼率如圖5(c)所示，24 h線路側(cè)Pre-BER最大值為3.7E-2，未超過設(shè)備FEC糾錯(cuò)容限，并且誤碼儀未顯示誤碼，這說明該傳輸系統(tǒng)可長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。

圖5 400 Gbit/s系統(tǒng)收發(fā)端光譜和穩(wěn)定性驗(yàn)證

4 結(jié)束語

本文理論分析了高階泵浦對(duì)光纖中信號(hào)光功率的影響，利用高階泵浦放大方式，結(jié)合G.654E光纖及ROPA技術(shù)，通過優(yōu)化高階泵浦功率和信號(hào)光波長(zhǎng)等光路子系統(tǒng)參數(shù)成功實(shí)現(xiàn)了單載波400 Gbit/s速率單跨501.18 km(78.68 dB)無中繼單纖芯傳輸。實(shí)驗(yàn)采用的400 Gbit/s信號(hào)由4個(gè)數(shù)字子載波組成，利用FDM和PCS產(chǎn)生，其調(diào)制格式和速率分別為PM-16QAM和95 GBaud。實(shí)驗(yàn)前后向RGU摻鉺光纖長(zhǎng)度分別選取為11和17 m，且分別放置在距離發(fā)送端和接收端127.82和177.76 km處，傳輸系統(tǒng)接收端OSNR為16.6 dB，傳輸代價(jià)為0.6 dB，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)運(yùn)行24 h無誤碼。本實(shí)驗(yàn)對(duì)下一代通信系統(tǒng)超長(zhǎng)跨距傳輸工程的建設(shè)具有一定參考作用。