OFC2025 | 使用非相干拉曼放大技术的无中继光纤传输突破

逍遥设计自动化 · 发表于 2025-4-16 08:00:00

引言
无中继光纤链路在海底通信中具有重要作用，特别是在沿线安装供电放大器不切实际或成本过高的情况下。近期在光纤技术、放大技术和信号处理方面的进展，已经实现超过400公里的传输距离，且具备多太比特传输量。本文探讨一项利用非相干拉曼放大技术，在不使用远端光泵浦放大器（ROPA）的情况下，实现的无中继传输重大突破[1]。

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理解无中继传输的挑战
无中继海底链路面临信号在长距离传输中衰减的基本挑战。传统方法依靠超低损耗光纤、专用信号编码和分布式拉曼放大（DRA）来最大化传输距离。虽然ROPA技术能显著延长传输距离，但也增加了系统复杂性和成本。

让我们检视近期无中继传输容量和距离的进展。

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图1：(a) 近期无中继传输系统的吞吐量与距离比较。蓝色圆圈表示使用ROPA的系统，实心蓝色圆圈显示不使用ROPA的系统。本研究在不使用ROPA的情况下，实现了403公里传输10.3 Tb/s的性能。(b) 基于半导体光放大器（SOA）的非相干拉曼泵浦结构，展示种子SOA、透镜耦合和增强型SOA元件。

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非相干拉曼泵浦：创新方法
本研究的关键创新在于使用非相干拉曼泵浦（iPUMPs）配合传统的反向传播泵浦。与传统相干泵浦不同，iPUMPs基于放大自发辐射（ASE），通过平均来自多个波长元件的增益贡献，减少相对强度噪声（RIN）的影响。

非相干泵浦系统的内部结构（如图1(b)所示）利用半导体光放大器（SOAs）产生并放大ASE。这种创新方法包括一个种子SOA，接着是透镜耦合系统和一个具有隔离器的增强型SOA，以防止反向反射。

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破纪录传输的实验设置

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图2：(a) 403.1公里无中继传输完整实验设置，显示信号产生、光纤链路配置和接收器元件；(b) 光纤输入和输出的光谱；(c) 链路损耗特性，显示最小损耗为62.7 dB；(d) 信号和泵浦的光谱分布；(e) 拉曼增益分布图，显示正向传播（约10 dB）和反向传播（约30 dB）泵浦的互补贡献，产生高达37 dB的双向增益。

传输信号包含73个波长通道，每个通道承载49 GBaud偏振多工正交相移键控（PM-QPSK）信号。这些通道以50 GHz间隔横跨30 nm光谱，范围从1547.1 nm到1576.8 nm，覆盖C频段和L频段的部分区域。

信号产生系统采用滑动测试频段方法，包含三个通道和基于ASE的虚拟频段。测试通道使用外腔激光器（ECLs）和双偏振IQ调制器产生，由65 GSa/s任意波形产生器驱动。

传输链路包括一段251.9公里的住友Z+ULL光纤，前后分别连接50.4公里和100.8公里的康宁SMF28 ULLS+光纤。这种配置在1561.6 nm处提供最低62.7 dB的损耗，如图2(c)所示。

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双向分布式拉曼放大
为了补偿显著的光纤损耗，研究人员采用双向分布式拉曼放大。在正向传播方向，使用四个中心波长分别为1425 nm、1461 nm和1495 nm的iPUMPs，功率在40 nm到90 nm之间。这些iPUMPs通过五个功率高达260 mW、波长在1330 nm到1395 nm之间的正向传播相干泵浦进行放大。

反向传播方向使用四个传统相干拉曼泵浦，波长分别为1426 nm、1444 nm、1462 nm和1490 nm，总功率为1.5 W。如图2(e)所示，双向配置实现了最高37 dB的增益，其中反向泵浦提供约30 dB增益，正向泵浦提供约10 dB增益。

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性能分析与结果

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图3：(a) OSNR和Q因子的波长依赖性图，显示在整个30 nm范围内OSNR保持在9.5 dB以上；(b) 通过GMI估计和软判决FEC后实现的通道吞吐量图，展示系统总吞吐量达到10.37 Tb/s。

传输后，接收到的信号分为C频段和L频段元件，经过滤波选择个别通道，然后使用32 GHz相干接收器检测。数字化信号通过频域色散补偿和33抽头、2×2时域MIMO均衡器进行离线处理。

图3(a)显示了整个信号光谱的光信噪比（OSNR）和Q因子测量结果。在整个30 nm范围内，OSNR始终保持在9.5 dB以上，所有通道的Q因子均超过2.8 dB。

图3(b)显示了吞吐量性能，几乎所有通道在前向纠错（FEC）后都达到了超过130 Gb/s的吞吐量。系统总吞吐量在FEC后达到10.37 Tb/s，而广义互信息（GMI）估计表明系统潜在容量可达11.21 Tb/s。

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结论
本研究成功展示了在不使用ROPA技术的情况下，将10.3 Tb/s信号无中继传输超过403公里的记录距离。这一成就通过双向拉曼放大与正向传播非相干泵浦的创新组合实现，有效减少了RIN导致的信号退化。

这些结果为在超过400公里距离的无ROPA无中继系统建立了新的容量距离基准。这种方法为长距离海底通信提供了有效解决方案，特别适用于简单性、可靠性和成本效益为首要考虑的情境。

容量距离乘积超过4 Pb/s·km，代表在最大化无中继光纤链路信息传输容量方面的重大进展。这项技术在扩展全球海底通信网络方面具有重要意义，尤其适用于传统中继系统不实用的挑战路线。

参考文献
[/ol][1] J. Chesnoy, Undersea fiber communication systems (Academic, 2015), chap. 7.

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[4] R. S. Luis et al., “40.5 Tb/s, 312.9 km, Unrepeatered transmission using erbium-doped tellurite fiber amplifiers,” in ECOC, (2023), p. Th.B.2.5.

[5] B. Zhu et al., “25.6 Tbit/s (64x400Gb/s) Real-time unrepeatered transmission over 320 km SCUBA fibres by 400ZR+ pluggable modules,” in ECOC, (2021), pp. 1–4.

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[12] J. Wu et al., “Real-time 33.6 Tb/s (42 × 800 Gb/s) unrepeatered transmission over 302 km using ROPA system,” in OFC, (2023), p. Tu2G.7.

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END
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