专题丨光传输系统中宽带光纤放大技术的频谱拓展方案
作者简介
肖 礼
武汉光迅科技股份有限公司北京研发中心技术总监，主要从事光传输系统设计、规划等方面的工作。
付成鹏
武汉光迅科技股份有限公司高级工程师，主要从事光放大器研究、设计和标准制定等方面的工作。
张蔚青
武汉光迅科技股份有限公司市场部经理，主要从事光器件和光放大器市场规划和行业标准的制定等工作。
卜勤练
武汉光迅科技股份有限公司副总裁，资深光通信领域专家，主要从事光通信技术研究等工作。
论文引用格式：
肖礼, 付成鹏, 张蔚青, 等. 光传输系统中宽带光纤放大技术的频谱拓展方案[J]. 信息通信技术与政策, 2021,47(12):62-68.
∗基金项目：国家重点研发计划项目（No.SQ2020YFB180042）资助
光传输系统中宽带光纤放大技术的频谱拓展方案*
肖礼 付成鹏 张蔚青 卜勤练
（武汉光迅科技股份有限公司，武汉 430205）
摘要：拓展光纤的可用光学带宽是应对不断增加的光传输系统容量需求的有效手段。将传统C波段光放大器的工作频谱展宽到超级C波段的方案传输性能可控，管理简单；在C波段光放大器上增加并联的L波段光放大器方案，增加管理复杂度，牺牲部分传输性能，但对传输容量提升大；在将L波段放大器工作频谱进一步向长波长延伸的探索中，如何实现高泵浦转换效率和平坦增益的折衷仍是待解决的技术难点。
关键词：掺铒光纤放大器；C波段；L波段；光传输系统
中图分类号：TN191.05 文献标识码：A
引用格式：肖礼, 付成鹏, 张蔚青, 等. 光传输系统中宽带光纤放大技术的频谱拓展方案[J]. 信息通信技术与政策, 2021,47(12):62-68.
doi：10.12267/j.issn.2096-5931.2021.12.008
0 引言
光纤的可用带宽资源非常丰富，国际电信联盟电信标准（ITU-T）将单模光纤在1260 nm以上的频带划分为O、E、S、C、L、U等波段[1-3]。常规C波段（CBand）由于损耗最低，而且与掺铒光纤放大器（Erbium Doped Fiber Amplifier，EDFA）高增益频段完美重合，成为二十多年来长距离传输的优选频段[4]。由于长距离光传输必须要对光纤传输产生的信号光功率损耗进行宽谱功率放大和补偿，所以光纤可用光学带宽拓展的核心在于宽谱光放大器的技术实现。本文分析在常规CBand基础上拓展宽谱光放大器频谱的几种方案，包括性能、成本、形态以及目前的技术可行性，并对未来技术的演进方向进行探讨。
1 光纤放大器不同工作频段的定义
光传输系统的工作频段基本上围绕不同产业发展阶段最优性价比的宽谱EDFA工作范围进行定义。ITU-T G.692将常规C波段4 THz光学带宽定义在192.10~196.10 THz（1528.77~1560.61 nm）范围内[3]。相干光通信技术普及后，光互联论坛（Optical Interconnection Forum，OIF）对集成可调谐激光器组件执行协议的工作频段提出建议[5]，逐渐引入拓展C波段（Extended CBand，ECBand）的概念，各厂家据此选取适合的频率范围，多为191.35~196.15 THz（1528.38~1566.72 nm）范围附近的4.8 T的带宽，使得光纤可用光纤带宽提高了20%，目前已经成为新部署光纤链路的典型覆盖波段。相应地，拓展L波段（Extended LBand，ELBand）的选择覆盖了与拓展C波段对称的4.8 T范围，即186.05~190.85 THz（1570.83~1611.35 nm）。其中，考虑到目前仍不存在有效的通过同一EDFA放大光路对C波段和L波段同时均衡放大的技术手段，C波段和L波段之间存在带隙，以通过波长复用器（Wavelength Division Multiplexer，WDM）实现将C波段和L波段EDFA并联起来。近年来，产业界推动超级C波段（Super CBand，SCBand）来替代拓展C波段，工作定义为190.70~196.70 THz（1524.11~1572.06 nm），它使得单个放大器覆盖的光纤带宽相对于ECBand提高了25%。由于SCBand的长波长范围占用了部分L波段频谱，与之匹配的L波段需要进一步向长波长偏移，形成偏移拓展L波段（Shifted ELBand），长波长可覆盖目前EDFA技术可覆盖的宽度范围185.40~190.40 THz（1574.54~1617.00 nm）。未来，为了构建对称的 6 THz+6 THz可用光纤带宽系统，要将L波段的频谱拓展至184.40~190.40 THz（1574.54~1625.77 nm）范围的超级L波段。不同方案的光纤传输频谱图总结如图1所示，不同厂家或标准定义的工作频谱左右略有偏移，大体保持一致。典型掺铒光纤的辐射效率谱也在图中示意，考虑到光纤放大器多采用波长作为工作范围定义方式，图中采用以nm为单位的真空波长作为横轴。
2 宽谱EDFA的主要参数和增益谱拓展的难度
EDFA的核心参数包括：增益，即通过EDFA的信号所获得的功率放大倍数；增益平坦度，即所有信道增益波动的峰峰值；噪声系数（Noise Figure，NF），即信号通过EDFA的光信噪比（Optical Signal Noise Ratio，OSNR）的劣化。EDFA的增益根据传输系统需要补偿的光功率衰减大小具体选择，较小的增益平坦度是保证EDFA均衡地补偿各个信道光功率的重要条件，较小的噪声系数则是保证经过一级或若干级EDFA后，光信号能被准确检测的主要条件。
EDFA的设计原理是通过优化泵浦功率沿铒纤的分布，提供相应的铒粒子翻转，当信号光经过铒纤时，位于激发态的铒粒子产生受激辐射回到基态，同时将信号光功率放大[6]。如图1所示，掺铒光纤的本征辐射系数光谱并不完全平坦，从1535 nm附近的峰值增益区往长波长，在1545 nm附近形成第一高增益台阶；然后缓慢下降至1560 nm，形成第二个台阶；到1566 nm开始骤降至1575 nm附近，然后维持缓慢下降至1610 nm的第三个台阶L波段，再往长波长再明显加速下降。不平坦本征辐射光谱意味着经过相同的一段铒纤，有的波长信号可以获得较大的增益，有的波长信号只能获得较小的增益。在DWDM系统中，为了保证所有波长的信号经过EDFA都能获得基本相同的增益，EDFA需要内置增益平坦滤波器（Gain Flattening Filter，GFF），将掺铒光纤本征的辐射系数谱进行反向修正，即给获得较大增益的波长增加额外的衰减，以保持和增益较低的波长增益相似[7]。在同一个放大光路上需要获得的增益谱平坦区域越宽，GFF需要实现的对本征增益谱修正的衰减深度越深，即GFF不同波长衰减差异越大。EDFA光路上额外的衰减意味着大量泵浦光功率并未有效转化成为信号的功率增益，泵浦转换效率（Pump Conversion Efficiency，PCE）即单位泵浦功率对信号光功率的贡献变低。另外，对信号光的反复衰减和放大，会劣化信号的信噪比，降低信号质量。同时，较大衰减深度的GFF工艺难度大，谱型误差变大，导致经过修正的光谱的残余增益不平坦度增大，且温度相关性更明显。因此，修正本征增益谱以获得平坦增益的方式并不能通过无限增加GFF衰减深度实现，EDFA的增益谱宽，往往是NF性能、PCE、平坦度、成本等诸多因素的折衷选择。
3 不同工作频段拓展方案的光放大器性能
3.1 CBand到ECBand的拓展在20世纪90年代G.692定义CBand范围时，并不旺盛的需求导致业界只选取EDFA的峰值增益和最高增益的第一台阶作为标准。随着业务的增加，从常规CBand拓展到ECBand是产业发展的必然。常规增益范围的ECBand EDFA用到的GFF的衰减深度可以控制在10 dB以内，以固定增益的EDFA为例，ECBand EDFA的NF特性劣化并不显著；PCE由30%降至26%，随着商用高功率半导体泵浦激光器的输出功率越来越高及单位功率成本的下降，PCE下降带来的EDFA总成本增加幅度也会缩小。
用更宽增益带宽的C波段EDFA替代原有C波段EDFA的好处是显而易见的。首先，设备形态维持不变，无需增加额外的设备，控制逻辑基本维持不变，网络管理系统也无需增加额外的管理模型，只需在现有的管理频谱范围做线性的业务频谱拓展即可；其次，每个EDFA是单一设备，内部逻辑可以进行快速瞬态控制，无需协调多个设备协同工作以应对快速信道增减带来的增益波动。
3.2 ECBand到SCBand的拓展沿着用更宽带宽C波段EDFA替代原有放大器的思路进一步延伸，从ECBand到SCBand拓展则面临着掺铒光纤辐射系数从第二个台阶往长波长陡降的难题。为了保证长波长还能提供和1535 nm附近峰值辐射波长有相同的增益，需要更高的泵浦总功率注入。通过优化沿铒纤分布的翻转粒子数水平，对于典型增益为25 dB的放大器来说，图2显示从ECBand拓展到SCBand可用光纤光学带宽增加25%，增益平坦度劣化0.6 dB，NF劣化0.3 dB左右，PCE降低10%左右。这样小幅度的性能劣化，对于传输链路来说可以接受。
如果进一步增加单个C波段EDFA的工作波长范围，已经进入掺铒光纤辐射谱的第三个台阶。超出6 THz增益带宽后，要实现平坦的增益谱，单个GFF已经无法满足需求，只能采用多个GFF级联，则意味着更高的放大器内部损耗和更低的泵浦转换效率。从图3可以看出，EDFA的平坦度和NF随着增益谱宽的增加而增加，伴随着PCE的骤降和成本的急剧增加。6 THz的SCBand选择是相对优化的性能成本平衡点，而继续拓展带来的EDFA性能劣化，已经使得宽频谱单放大器方案无法满足系统实用化的需求。
3.3 ECBand到ECBand+ELBand的拓展在不带来巨大性能劣化的条件下无法通过单个放大器实现更宽的增益谱，如图4（a）所示，通过WDM将ECBand EDFA和ELBand EDFA并联，是拓展单纤容量的有效方案。由于不用和ECBand EDFA共享放大光路，ELBand EDFA可以通过提高铒粒子掺杂浓度和多元素共掺的特殊铒纤，以及较长铒纤实现针对L波段放大的优化[8]。但是由于L波段总体铒粒子辐射率比C波段低若干数量级，在较长的铒纤中维持反转粒子数水平，需要多次注入高泵浦功率才能实现大功率的放大信号输出，L波段EDFA的NF比C波段有明显的增加[9]。图4（b）比较了相同增益条件范围的可变增益ECBand和ELBand EDFA的噪声系数。在低增益区，两者噪声系数并无太大差异；而在高增益区，ELBand EDFA噪声系数比ECBand EDFA的NF大1.5 dB左右。考虑到并联的系统，在链路输入和输出口需要增加一对C/L WDM，也额外引入链路损耗。总体而言，ECBand+ELBand并联的光传输链路比单独的ECBand光纤传输链路多约2 dB的OSNR代价[10]。在传输距离要求一定的情况下，相干调制的传输系统可通过降低调制阶数来实现与ECBand传输链路相同的传输距离或者在ECBand和ELBand传输不同调制、不同速率，例如将16QAM 400G的码率降速为8QAM 300G的码率，或者在ECBand采用16QAM 400G并且在ELBand采用 8QAM 300G。因此，虽然ECBand到ECBand+ELBand实现了光纤可用光学带宽的倍增，但实际上带来的传输容量增加约为50%~75%左右。
ELBand内本征增益谱单调由短波长到长波长下降，GFF的设计更多是抑制短波长增益以保证长波长有足够的功率，如何为长波长提供有效的增益是主要的难 题。一般来说，相同输出功率的ELBand 比ECBand EDFA成本高80%~100%，体积也基本上增加50%左右；相当于ECBand+ELBand并联结构总成本是ECBand的3倍，体积增加150%。
从设备管理层面来讲，ECBand+ELBand并联光传输系统控制逻辑较单独的ECBand光传输系统更为复杂[11]。链路的整体工作频谱范围接近100 nm，光纤中的自发拉曼辐射（Spontaneous Raman Scattering，SRS）效应不可忽略，整体表现为ECBand向ELBand信号光功率转移，使得输出光谱功率往长波长倾斜。同时，考虑到ELBand光纤本征插损较ECBand光纤本征插损略大，对于常规每信道入纤功率约1 dBm，长度约80~100 km的普通单模光纤（G.652）光纤跨段，ECBand和ELBand的平均等效传输损耗基本相同，甚至需要ECBand比ELBand增益大1 dB左右以实现两者平均功率的均衡。当然，ECBand和ELBand内部由于SRS功率转移和光纤本征衰减谱的不平坦益造成的增益谱倾斜，还需要调节EDFA的增益谱斜率来修正。
SRS效应的强度和入光纤的光功率密度密切相关，在ECBand+ELBand并联的光传输系统中，需要保证链路中、高、低负载下增益谱相对稳定。在利用灵活栅格（Flexgrid）波长选择开关（Wavelength Selective Switch，WSS）进行合分波的系统中，可采用在未配置业务的频段内填充宽谱光源的方式，让EDFA始终保持在满负荷的工作条件下运转，从而避免增减业务导致的已有业务增益波动（见图5）。这种主动填充信道的方式，可以在稳态下保持光放大器链路的增益稳定；但在发生设备异常故障导致的瞬态功率增减时，如ELBand EDFA意外故障对ECBand等效增益产生影响，如何快速响应并对链路功率水平实时恢复，仍然是并联放大链路有待解决的难题。
3.4 SCBand到SCBand+Shifted ELBand的拓展由于SCBand已经占用了一部分L波段的范围，在SCBand波长范围基础上再拓展L波段工作频段，只能将其继续向长波长推移，而这正是L波段EDFA设计的难点。当EDFA的增益范围第三个台阶波长超过1610 nm以后，辐射效率相比于ELBand再次急剧下降。提高泵浦功率已经无法抵消GFF衰减带来的功率损失，因而通过常规EDFA的设计方法已经不能再提升1610 nm+的增益，不得不采用专门为长波长优化设计的多元素共掺掺铒光纤以及磷硅酸盐等基质材料的掺铒光纤，将L波段的增益范围拓展到1617 nm左右，即Shifted ELBand的范围[12]。图6为光迅科技产品化Shifted ELBand EDFA的增益和噪声谱。
3.5 SCBand到SCBand+SLBand的拓展由于磷硅酸盐等基质掺铒光纤带来的铒粒子辐射谱红移效果有限，将L波段增益范围从覆盖1617 nm的Shifted ELBand再进一步拓展到覆盖1626 nm的SLBand的光纤放大器方案目前仍然是待突破的技术难题[12]。一种初步仿真可行的方案是采用EDFA和拉曼（Raman）放大器的混合放大方式。如图7（a）所示，在入传输光纤一侧注入1520 nm和信号同向传输的前向拉曼泵浦，以补偿前放（Booster Amplifier，BA）的增益在长波长的不足；同时，反向注入和信号反向传输的后向拉曼泵浦补偿链路损耗的，以减小线放（Line Amplifier，LA）和预放（Pre-Amplifier，PA）增益在长波长的压力。图7（b）为仿真的拉曼增益谱和SLBandEDFA增益谱，EDFA的增益谱由短波长向长波长下降，而拉曼放大的增益谱提升，二者相叠加，可以共同实现SLBand范围内较为平坦的增益谱。由于分布式拉曼放大器贡献了可观的增益，整体噪声系数可以控制在4 dB以内，尤其是长波长的噪声系数较好。
4 结束语
通过设计思路、设备形态、性能、成本等几个方面，对比分析了几种光纤带宽资源拓展方法的特性。从常规C波段到扩展C波段，基本上性能和成本维持不变；从扩展C波段到超级C波段，性能略有下降，而传输容量增加25%，足以支撑成本的增加。在>6 THz范围上通过单个EDFA实现频谱拓展已经不太现实。并联的CBand+LBand放大器是可以实用化的方案，但并联结构的放大器管理较单个放大器复杂，由于整体谱宽较宽，需考虑补偿信号间由于拉曼辐射功率转移带来的等效增益功率相关性。在拓展C波段上增加与之并联的拓展L波段放大器，虽然光学频谱翻倍，但由于传输性能受限，实际传输容量预计增加50%~75%。在超级C波段上并联偏频拓展L波段的解决方案，依赖于专门针对长波长优化的铒纤，已经有产品化的放大器解决方案，但目前成本还较高；与超级C波段对称的超级L波段光放大器解决方案尚待进一步技术的突破。
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Spectrum broaden solutions for broadband amplifiers in optical transmission networks
XIAO Li, FU Chengpeng, ZHANG Weiqing, BU Qinlian
(Accelink Technology Co.,Ltd., Wuhan 430205, China)
Abstract: Extending more usable optical bandwidth is an effective solution for dealing with the transmission capacity demand multiplication. It is with acceptable performance and easy for management by extending conventional CBand to super CBand. Adding Lband amplifier in parallel with CBand amplifier will bring some performance penalty, while almost double the bandwidth. The technical solution for further extending to super Lband is still under investigation, to study how to achieve high pump conversion efficiency as well as gain flatness.Keywords: erbium doped fiber amplifier; CBand; LBand; optical transmission system
本文刊于《信息通信技术与政策》2021年 第12期
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