光傳輸系統(tǒng)中寬帶光纖放大技術(shù)的頻譜拓展方案

肖禮 付成鵬 張蔚青 卜勤練

(武漢光迅科技股份有限公司，武漢 430205)

0 引言

光纖的可用帶寬資源非常豐富，國際電信聯(lián)盟電信標準(ITU-T)將單模光纖在1260 nm以上的頻帶劃分為O、E、S、C、L、U等波段[1-3]。常規(guī)C波段(CBand)由于損耗最低，而且與摻鉺光纖放大器(Erbium Doped Fiber Amplifier，EDFA)高增益頻段完美重合，成為二十多年來長距離傳輸?shù)膬?yōu)選頻段[4]。由于長距離光傳輸必須要對光纖傳輸產(chǎn)生的信號光功率損耗進行寬譜功率放大和補償，所以光纖可用光學帶寬拓展的核心在于寬譜光放大器的技術(shù)實現(xiàn)。本文分析在常規(guī)CBand基礎上拓展寬譜光放大器頻譜的幾種方案，包括性能、成本、形態(tài)以及目前的技術(shù)可行性，并對未來技術(shù)的演進方向進行探討。

1 光纖放大器不同工作頻段的定義

光傳輸系統(tǒng)的工作頻段基本上圍繞不同產(chǎn)業(yè)發(fā)展階段最優(yōu)性價比的寬譜EDFA工作范圍進行定義。ITU-T G.692將常規(guī)C波段4 THz光學帶寬定義在192.10～196.10 THz(1528.77～1560.61 nm)范圍內(nèi)[3]。相干光通信技術(shù)普及后，光互聯(lián)論壇(Optical Interconnection Forum，OIF)對集成可調(diào)諧激光器組件執(zhí)行協(xié)議的工作頻段提出建議[5]，逐漸引入拓展C波段(Extended CBand，ECBand)的概念，各廠家據(jù)此選取適合的頻率范圍，多為191.35～196.15 THz(1528.38～1566.72 nm)范圍附近的4.8 T的帶寬，使得光纖可用光纖帶寬提高了20%，目前已經(jīng)成為新部署光纖鏈路的典型覆蓋波段。相應地，拓展L波段(Extended LBand，ELBand)的選擇覆蓋了與拓展C波段對稱的4.8 T范圍，即186.05～190.85 THz(1570.83～1611.35 nm)。其中，考慮到目前仍不存在有效的通過同一EDFA放大光路對C波段和L波段同時均衡放大的技術(shù)手段，C波段和L波段之間存在帶隙，以通過波長復用器(Wavelength Division Multiplexer，WDM)實現(xiàn)將C波段和L波段EDFA并聯(lián)起來。近年來，產(chǎn)業(yè)界推動超級C波段(Super CBand，SCBand)來替代拓展C波段，工作定義為190.70～196.70 THz(1524.11～1572.06 nm)，它使得單個放大器覆蓋的光纖帶寬相對于ECBand提高了25%。由于SCBand的長波長范圍占用了部分L波段頻譜，與之匹配L波段需要進一步向長波長偏移，形成偏移拓展L波段(Shifted ELBand)，長波長可覆蓋目前EDFA技術(shù)可覆蓋的寬度范圍185.40～190.40 THz(1574.54～1617.00 nm)。未來，為了構(gòu)建對稱的6 THz + 6 THz可用光纖帶寬系統(tǒng)，要將L波段的頻譜拓展至184.40～190.40 THz(1574.54～1625.77nm)范圍的超級L波段。不同方案的光纖傳輸頻譜圖總結(jié)如圖1所示，不同廠家或標準定義的工作頻譜左右略有偏移，大體保持一致。典型摻鉺光纖的輻射效率譜也在圖中示意，考慮到光纖放大器多采用波長作為工作范圍定義方式，圖中采用以nm為單位的真空波長作為橫軸。

圖1 光纖傳輸頻段譜圖及摻鉺光纖輻射系數(shù)

2 寬譜EDFA的主要參數(shù)和增益譜拓展的難度

EDFA的核心參數(shù)包括：增益，即通過EDFA的信號所獲得的功率放大倍數(shù)；增益平坦度，即所有信道增益波動的峰峰值；噪聲系數(shù)(Noise Figure，NF)，即信號通過EDFA的光信噪比(Optical Signal Noise Ratio，OSNR)的劣化。EDFA的增益根據(jù)傳輸系統(tǒng)需要補償?shù)墓夤β仕p大小具體選擇，較小的增益平坦度是保證EDFA均衡地補償各個信道光功率的重要條件，較小的噪聲系數(shù)則是保證經(jīng)過一級或若干級EDFA后，光信號能被準確檢測的主要條件。

EDFA的設計原理是通過優(yōu)化泵浦功率沿鉺纖的分布，提供相應的鉺粒子翻轉(zhuǎn)，當信號光經(jīng)過鉺纖時，位于激發(fā)態(tài)的鉺粒子產(chǎn)生受激輻射回到基態(tài)，同時將信號光功率放大[6]。如圖1所示，摻鉺光纖的本征輻射系數(shù)光譜并不完全平坦，從1535 nm附近的峰值增益區(qū)往長波長，在1545 nm附近形成第一高增益臺階；然后緩慢下降至1560 nm，形成第二個臺階；到1566 nm開始驟降至1575 nm附近，然后維持緩慢下降至1610 nm的第三個臺階L波段，再往長波長再明顯加速下降。不平坦本征輻射光譜意味著經(jīng)過相同的一段鉺纖，有的波長信號可以獲得較大的增益，有的波長信號只能獲得較小的增益。在DWDM系統(tǒng)中，為了保證所有波長的信號經(jīng)過EDFA都能獲得基本相同的增益，EDFA需要內(nèi)置增益平坦濾波器(Gain Flattening Filter，GFF)，將摻鉺光纖本征的輻射系數(shù)譜進行反向修正，即給獲得較大增益的波長增加額外的衰減，以保持和增益較低的波長增益相似[7]。在同一個放大光路上需要獲得的增益譜平坦區(qū)域越寬，GFF需要實現(xiàn)的對本征增益譜修正的衰減深度越深，即GFF不同波長衰減差異越大。EDFA光路上額外的衰減意味著大量泵浦光功率并未有效轉(zhuǎn)化成為信號的功率增益，泵浦轉(zhuǎn)換效率(Pump Conversion Efficiency，PCE)即單位泵浦功率對信號光功率的貢獻變低。另外，對信號光的反復衰減和放大，會劣化信號的信噪比，降低信號質(zhì)量。同時，較大衰減深度的GFF工藝難度大，譜型誤差變大，導致經(jīng)過修正的光譜的殘余增益不平坦度增大，且溫度相關(guān)性更明顯。因此，修正本征增益譜以獲得平坦增益的方式并不能通過無限增加GFF衰減深度實現(xiàn)，EDFA的增益譜寬，往往是NF性能、PCE、平坦度、成本等諸多因素的折衷選擇。

3 不同工作頻段拓展方案的光放大器性能

3.1 CBand到ECBand的拓展

在20世紀90年代G.692定義CBand范圍時，并不旺盛的需求導致業(yè)界只選取EDFA的峰值增益和最高增益的第一臺階作為標準。隨著業(yè)務的增加，從常規(guī)CBand拓展到ECBand是產(chǎn)業(yè)發(fā)展的必然。常規(guī)增益范圍的ECBand EDFA用到的GFF的衰減深度可以控制在10 dB以內(nèi)，以固定增益的EDFA為例，ECBand EDFA的NF特性劣化并不顯著；PCE由30%降至26%，隨著商用高功率半導體泵浦激光器的輸出功率越來越高及單位功率成本的下降，PCE下降帶來的EDFA總成本增加幅度也會縮小。

用更寬增益帶寬的C波段EDFA替代原有C波段EDFA的好處是顯而易見的。首先，設備形態(tài)維持不變，無需增加額外的設備，控制邏輯基本維持不變，網(wǎng)絡管理系統(tǒng)也無需增加額外的管理模型，只需在現(xiàn)有的管理頻譜范圍做線性的業(yè)務頻譜拓展即可；其次，每個EDFA是單一設備，內(nèi)部邏輯可以進行快速瞬態(tài)控制，無需協(xié)調(diào)多個設備協(xié)同工作以應對快速信道增減帶來的增益波動。

3.2 ECBand到SCBand的拓展

沿著用更寬帶寬C波段EDFA替代原有放大器的思路進一步延伸，從ECBand到SCBand拓展則面臨著摻鉺光纖輻射系數(shù)從第二個臺階往長波長陡降的難題。為了保證長波長還能提供和1535 nm附近峰值輻射波長有相同的增益，需要更高的泵浦總功率注入。通過優(yōu)化沿鉺纖分布的翻轉(zhuǎn)粒子數(shù)水平，對于典型增益為25 dB的放大器來說，圖2顯示從ECBand拓展到SCBand可用光纖光學帶寬增加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。這樣小幅度的性能劣化，對于傳輸鏈路來說可以接受。

圖2 25 dB增益的典型ECBand和SCBand EDFA性能對比

如果進一步增加單個C波段EDFA的工作波長范圍，已經(jīng)進入摻鉺光纖輻射譜的第三個臺階。超出6 THz增益帶寬后，要實現(xiàn)平坦的增益譜，單個GFF已經(jīng)無法滿足需求，只能采用多個GFF級聯(lián)，則意味著更高的放大器內(nèi)部損耗和更低的泵浦轉(zhuǎn)換效率。從圖3可以看出，EDFA的平坦度和NF隨著增益譜寬的增加而增加，伴隨著PCE的驟降和成本的急劇增加。6 THz的SCBand選擇是相對優(yōu)化的性能成本平衡點，而繼續(xù)拓展帶來的EDFA性能劣化，已經(jīng)使得寬頻譜單放大器方案無法滿足系統(tǒng)實用化的需求。

圖3 C波段EDFA增益譜寬拓展帶來的平坦度和NF劣化趨勢

3.3 ECBand到ECBand+ELBand的拓展

在不帶來巨大性能劣化的條件下無法通過單個放大器實現(xiàn)更寬的增益譜，如圖4(a)所示，通過WDM將ECBand EDFA和ELBand EDFA并聯(lián)，是拓展單纖容量的有效方案。由于不用和ECBand EDFA共享放大光路，ELBand EDFA可以通過提高鉺粒子摻雜濃度和多元素共摻的特殊鉺纖，以及較長鉺纖實現(xiàn)針對L波段放大的優(yōu)化[8]。但是由于L波段總體鉺粒子輻射率比C波段低若干數(shù)量級，在較長的鉺纖中維持反轉(zhuǎn)粒子數(shù)水平，需要多次注入高泵浦功率才能實現(xiàn)大功率的放大信號輸出，L波段EDFA的NF比C波段有明顯的增加[9]。圖4(b)比較了相同增益條件范圍的可變增益ECBand和ELBand EDFA的噪聲系數(shù)。在低增益區(qū)，兩者噪聲系數(shù)并無太大差異；而在高增益區(qū)，ELBand EDFA噪聲系數(shù)比ECBand EDFA的NF大1.5 dB左右。考慮到并聯(lián)的系統(tǒng)，在鏈路輸入和輸出口需要增加一對C/L WDM，也額外引入鏈路損耗?？傮w而言，ECBand+ELBand并聯(lián)的光傳輸鏈路比單獨的ECBand光纖傳輸鏈路多約2 dB的OSNR代價[10]。在傳輸距離要求一定的情況下，相干調(diào)制的傳輸系統(tǒng)可通過降低調(diào)制階數(shù)來實現(xiàn)與ECBand傳輸鏈路相同的傳輸距離或者在ECBand和ELBand傳輸不同調(diào)制、不同速率，例如將16QAM 400G的碼率降速為8QAM 300 G的碼率，或者在ECBand采用16QAM 400 G并且在ELBand采用8QAM 300 G。因此，雖然ECBand到ECBand+ELBand實現(xiàn)了光纖可用光學帶寬的倍增，但實際上帶來的傳輸容量增加約為50%～75%左右。

圖4 ECBand和ELBand EDFA結(jié)構(gòu)及參數(shù)比較

ELBand內(nèi)本征增益譜單調(diào)由短波長到長波長下降，GFF的設計更多是抑制短波長增益以保證長波長有足夠的功率，如何為長波長提供有效的增益是主要的難題。一般來說，相同輸出功率的ELBand比ECBand EDFA成本高80%～100%，體積也基本上增加50%左右；相當于ECBand+ELBand并聯(lián)結(jié)構(gòu)總成本是ECBand的3倍，體積增加150%。

從設備管理層面來講，ECBand+ELBand并聯(lián)光傳輸系統(tǒng)控制邏輯較單獨的ECBand光傳輸系統(tǒng)更為復雜[11]。鏈路的整體工作頻譜范圍接近100 nm，光纖中的自發(fā)拉曼輻射(Spontaneous Raman Scattering，SRS)效應不可忽略，整體表現(xiàn)為ECBand向ELBand信號光功率轉(zhuǎn)移，使得輸出光譜功率往長波長傾斜。同時，考慮到ELBand光纖本征插損較ECBand光纖本征插損略大，對于常規(guī)每信道入纖功率約1 dBm，長度約80～100 km的普通單模光纖(G.652)光纖跨段，ECBand和ELBand的平均等效傳輸損耗基本相同，甚至需要ECBand比ELBand增益大1 dB左右以實現(xiàn)兩者平均功率的均衡。當然，ECBand和ELBand內(nèi)部由于SRS功率轉(zhuǎn)移和光纖本征衰減譜的不平坦益造成的增益譜傾斜，還需要調(diào)節(jié)EDFA的增益譜斜率來修正。

SRS效應的強度和入光纖的光功率密度密切相關(guān)，在ECBand+ELBand并聯(lián)的光傳輸系統(tǒng)中，需要保證鏈路中、高、低負載下增益譜相對穩(wěn)定。在利用靈活柵格(Flexgrid)波長選擇開關(guān)(Wavelength Selective Switch，WSS)進行合分波的系統(tǒng)中，可采用在未配置業(yè)務的頻段內(nèi)填充寬譜光源的方式，讓EDFA始終保持在滿負荷的工作條件下運轉(zhuǎn)，從而避免增減業(yè)務導致的已有業(yè)務增益波動(見圖5)。這種主動填充信道的方式，可以在穩(wěn)態(tài)下保持光放大器鏈路的增益穩(wěn)定；但在發(fā)生設備異常故障導致的瞬態(tài)功率增減時，如ELBand EDFA意外故障對ECBand等效增益產(chǎn)生影響，如何快速響應并對鏈路功率水平實時恢復，仍然是并聯(lián)放大鏈路有待解決的難題。

3.4 SCBand到SCBand+Shifted ELBand的拓展

由于SCBand已經(jīng)占用了一部分L波段的范圍，在SCBand波長范圍基礎上再拓展L波段工作頻段，只能將其繼續(xù)向長波長推移，而這正是L波段EDFA設計的難點。當EDFA的增益范圍第三個臺階波長超過1610 nm以后，輻射效率相比于ELBand再次急劇下降。提高泵浦功率已經(jīng)無法抵消GFF衰減帶來的功率損失，因而通過常規(guī)EDFA的設計方法已經(jīng)不能再提升1610 nm+的增益，不得不采用專門為長波長優(yōu)化設計的多元素共摻摻鉺光纖以及磷硅酸鹽等基質(zhì)材料的摻鉺光纖，將L波段的增益范圍拓展到1617 nm左右，即Shifted ELBand的范圍[12]。圖6為光迅科技產(chǎn)品化Shifted ELBand EDFA的增益和噪聲譜。

圖5 利用WSS合波的系統(tǒng)中填充寬譜光源均衡SRS效應的方式和不同系統(tǒng)負荷下填充光譜方案示意

圖6 光迅科技產(chǎn)品化Shifted ELBand EDFA增益和噪聲特性

3.5 SCBand到SCBand+SLBand的拓展

由于磷硅酸鹽等基質(zhì)摻鉺光纖帶來的鉺粒子輻射譜紅移效果有限，將L波段增益范圍從覆蓋1617 nm的Shifted ELBand再進一步拓展到覆蓋1626 nm的SLBand的光纖放大器方案目前仍然是待突破的技術(shù)難題[12]。一種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。如圖7(a)所示，在入傳輸光纖一側(cè)注入1520 nm和信號同向傳輸?shù)那跋蚶闷?，以補償前放(Booster Amplifier，BA)的增益在長波長的不足；同時，反向注入和信號反向傳輸?shù)暮笙蚶闷盅a償鏈路損耗的，以減小線放(Line Amplifier，LA)和預放(Pre-Amplifier，PA)增益在長波長的壓力。圖7(b)為仿真的拉曼增益譜和SLBand EDFA增益譜，EDFA的增益譜由短波長向長波長下降，而拉曼放大的增益譜提升，二者相疊加，可以共同實現(xiàn)SLBand范圍內(nèi)較為平坦的增益譜。由于分布式拉曼放大器貢獻了可觀的增益，整體噪聲系數(shù)可以控制在4 dB以內(nèi)，尤其是長波長的噪聲系數(shù)較好。

4 結(jié)束語

通過設計思路、設備形態(tài)、性能、成本等幾個方面，對比分析了幾種光纖帶寬資源拓展方法的特性。從常規(guī)C波段到擴展C波段，基本上性能和成本維持不變；從擴展C波段到超級C波段，性能略有下降，而傳輸容量增加25%，足以支撐成本的增加。在>6 THz范圍上通過單個EDFA實現(xiàn)頻譜拓展已經(jīng)不太現(xiàn)實。并聯(lián)的CBand+LBand放大器是可以實用化的方案，但并聯(lián)結(jié)構(gòu)的放大器管理較單個放大器復雜，由于整體譜寬較寬，需考慮補償信號間由于拉曼輻射功率轉(zhuǎn)移帶來的等效增益功率相關(guān)性。在拓展C波段上增加與之并聯(lián)的拓展L波段放大器，雖然光學頻譜翻倍，但由于傳輸性能受限，實際傳輸容量預計增加50%～75%。在超級C波段上并聯(lián)偏頻拓展L波段的解決方案，依賴于專門針對長波長優(yōu)化的鉺纖，已經(jīng)有產(chǎn)品化的放大器解決方案，但目前成本還較高；與超級C波段對稱的超級L波段光放大器解決方案尚待進一步技術(shù)的突破。

圖7 拉曼和EDFA混合放大方案實現(xiàn)和混合放大方案的增益譜仿真效果